FR2472663A1 - Element de paroi pouvant etre refroidi - Google Patents

Abstract

L'INVENTION CONCERNE UN ELEMENT DE PAROI POUVANT ETRE REFROIDI. UNE STRUCTURE DE PAROI COMPORTE UNE FACE FROIDE ET UNE FACE CHAUDE, AINSI QUE PLUSIEURS TROUS 30 S'ETENDANT A TRAVERS CETTE STRUCTURE ENTRE CETTE FACE FROIDE ET CETTE FACE CHAUDE. LA GEOMETRIE DE CES TROUS 30 EST ETUDIEE DE FACON A ASSURER, DANS LA PAROI ET SUR LA FACE FROIDE DE CELLE-CI, UNE VITESSE DE REFROIDISSEMENT PAR CONVECTION INFERIEURE A CELLE S'EXERCANT DANS CETTE PAROI ET SUR LA FACE CHAUDE DE CELLE-CI. L'INVENTION EST UTILISEE POUR LIMITER LES GRADIENTS ET LES TENSIONS THERMIQUES DANS DES STRUCTURES DE PAROIS TELLES QUE CELLES UTILISEES NOTAMMENT DANS LES TURBINES A GAZ.

Description

La présente invention des éléments de parois

pouvant être refroidis et elle concerne plus particuliè-

rement des éléments de parois au travers desquels peut s'écouler un milieu de refroidissement afin de refroidir la matière dont sont constituées les parois. Les concepts de l'invention ont été élaborés dans l'industrie des turbines à gaz afin de protéger les éléments constitutifs de ces turbines contre les gaz chauds du milieu de travail, mais ils présentent de plus larges possibilités d'application dans la technique du

refroidissement industriel en général.

Dans les turbines à gaz modernes, des gaz cons-

tituant le milieu de travail et portés à des températures très élevées sont produits dans une chambre de combustion

et s'écoulent vers l'aval à travers la section de turbine.

A l'extrémité d'amont de cette section de turbine, les

gaz formés et constituant le milieu de travail attei-

gnent spécifiquement des températures caractéristiques de l'ordre de 1. 3710C ou plus. Dans de nombreux cas, la

température de ces gaz dépasse les capacités des matiè-

res dont sont constitués les éléments de la turbine et

il convient de refroidir ces éléments.

Dans la plupart des techniques de refroidisse-

ment habituellement adoptées, de l'air sous haute pres-

sion venant de la section de compression du moteur s'écou-

le vers la turbine afin d'assurer le refroidissement par air des éléments. L'air du compresseur est sous une pression suffisamment élevée pour être amené à s'écouler dans la zone locale de la turbine et en travers de la

structure à refroidir, tandis qu'il est à une tempéra-

ture suffisamment basse pour assurer la capacité de re-

froidissement requise. Une technique de refroidisse-

ment efficace est connue dans l'industrie sous le nom

de "refroidissement pelliculaire, L'air de refroidis-

sement s'écoule à faible vitesse à travers plusieurs

orifices pratiqués dans la paroi de l'élément à refroi-

dir. L'air évacué par ces orifices vient adhérer à la surface de la paroi afin de protégur cette dernière, par exemple, contre les gaz chauds du milieu de travail. Une autre technique de refroidissement efficace est connue

dans l'industrie sous le nom de "refroidissement par con-

vection". Selon cette technique, l'air de refroidisse- ment s'écoule à l'intérieur de la matière à refroidir afin d'en dissiper la chaleur en fonction de la vitesse d'écoulement et de la surface imprégnée. De nombreuses

techniques de refroidissement sont appliquées simultané-

ment dans la même structure.

Parmi les structures refroidies et auxquelles s'appliquent les concepts de la présente invention, il y a les aubes de rotor telles que celles illustrées dans le brevet des Etats-Unis d'Amérique no 3.994.622 aux

noms de Schultz et al., ayant pour titre "Coolable Tur-

bine Blade" (c Aube mobile de turbine pouvant être re-

froidie); des bandages de têtes d'aubes mobiles, par exemple, ceux illustrés dans les brevets des Etats-Unis d'Amérique no 3.981.609 au nom de Koenig et ayant pour titre "Coolable Blade Tip Shroud" (= Bandage de tête d'aube mobile pouvant être refroidi) et 4.013.376 aux noms de Bisson et al. ayant pour titre "Coolable Blade Tip Shroud" (= Bandage de tête d'aube mobile pouvant être refroidi); ainsi que des aubes de stator ou aubes fixes telles que celles illustrées dans les brevets des Etats-Unis d'Amérique no 4.025.226 au nom de Hovan ayant pour titre "Air Cooled Turbine Vane" (= Aube fixe de turbine refroidie à l'air) et 4.040.767 aux noms de Dierberger et al. ayant pour titre "Coolable Nozzle Guide Vane" (= aube fixe de guide de tuyère pouvant

être refroidie).

Un refroidissement efficace de structures de ce type en compatibilité avec une longue durée de vie des éléments a toujours fait l'objet et constitue encore actuellement un souci primordial des ingénieurs et des fabricants. C'est sur cette base que les concepts de la

présente invention ont été élaborés.

Suivint la présentc invention, l'amplitude du gradient thermiiquu en travers d'une structure de paroi pouvant être refroidie dans un milieu ambiant de travail

est maintenue à une valeur relativement faible en limi-

S tant le degré de refroidissement par convection dans la matière dont est constituée la paroi, près de la face froide de cette dernière, comparativement au degré -de refroidissement par convection dans la matière de la

paroi près de la face chaude de celle-ci.

Suivant une forme de réalisation détaillée de l'invention, le refroidissement par convection dans la matière près de la face froide de la paroi, est limité en pratiquant, pour l'air de refroidissement, des trous ayant une première partie adjacente et perpendiculaire

à la face froide de la paroi, ainsi qu'une seconde par-

tie adjacente à la face chaude de la paroi et disposée

sous un angle aigu par rapport à cette dernière.

Une première caractéristique de la présente invention réside dans la géométrie des trous d'air de refroidissement pratiqués en travers de la structure de paroi pouvant être refroidie. Les trous pratiqués dans la zone de la face chaude de la paroi pouvant être refroidie sont disposés sous un angle aigu de façon à

pouvoir appliquer une pellicule d'air de refroidisse-

ment près de cette face chaude. Les trous pratiqués dans la zone adjacente à la face froide de l'élément de paroi pouvant être refroidi sont perpendiculaires à cette face froide. En conséquence, la densité des trous de refroidissement, c'est-à-dire le rapport entre la surface occupée par les trous et La-surface occupée par la matière sur la face chaude de la paroi pouvant être refroidie, est supérieure à la densité des trous de

refroidissement pratiqués sur la face froide de la pa-

roi. En outre, la partie de chaque trou d'air de re-

froidissement pratiqué sur la face chaude de l'élément de paroi pouvant être refroidi présente un important rapport longueur/diamètre comparativement à la partie

du même trou qui cest situé sur la fact froide de cet élé-

ment de paroi pouvant être refroidi.

Un avantage principal de la présente invention

résideu dans la prolongation de la durée de vie de la struc-

ture de paroi pouvant être refroidie comparativement aux parois de structures classiques. Dans la structure ainsi réalisée, les gradients thermiques en travers de la paroi

pouvant être refroidie sont limités en assurant un refroi-

dissement par convection moins rapidement près de la face froide de la paroi que près de la face chaude de cette

dernière. Il en résulte de moins fortes tensions thermi-

ques dans la matière de la paroi et une meilleure résis-

tance à la fatigue.

Les caractéristiques et avantages ci-dessus de la présente invention, ainsi que d'autres apparaitront

plus clairement à la lecture de la description ci-après

donnée en se référant aux dessins annexés dans lesquels: la figure 1 est une vue en coupe transversale simplifiée d'une partie de la section de turbine d'une turbine à gaz, cette vue illustrant les éléments de la turbine du type auquel est applicable la structure de

paioi pouvant être refroidie suivant la présente inven-

tion;

la figure 2 -est une vue partielle en perspec-

tive d'une aube de rotor, cette vue comportant des par-

ties élaguées montrant la structure de paroi pouvant être refroidie suivant la présente invention;

la figure 3A est une vue en coupe prise sui-

vant la ligne 3A-3A de la figure 2; et

la figure 3B est une vue en coupe prise sui-

vant la ligne 3B-3B de la figure 2.

La figure 1 illustre une partie de la section

de turbine d'une turbine à gaz. Un parcours d'écoule-

ment 10 pour les gaz chauds constituant le milieu de travail s'étend axialement à travers une section de turbine 12

du moteur à partir d'une chambr- dc combustion 14.

L' efflue-nt venant de cette chambr,- de combustion est 24726e3 extrtmement chaud et il peut iitmu parfois dépasser une température de 1. 3710C. Ce parcours d'écoulement s'étend vers l'aval à travers des rangée s alternées d'aubes fixes et d'aubes mobiles. Une rangée d'amont d'aubes fixes est représentée par l'aube unique 16, tandis qutune rangée

d'aval d'aubes fixes est représentée par l'aube unique 18.

Une rangée d'aubes mobiles disposées entre ces rangées d'aubes fixes est représentée par l'aube mobile unique 20. Les concepts de la présente invention peuvent être appliqués aux aubes fixes 'et aux aubes mobiles installées dans les étages initiaux de la section de turbine. Un joint extérieur étanche à l'air 22 entoure chaque rangée d'aubes mobiles et les concepts de la présente invention peuvent y être également appliqués. Dtautres éléments

comparables auxquels on doit appliquer un refroidisse-

ment pelliculaire afin de les protéger contre les gaz chauds du milieu de travail circulant dans le parcours

d'écoulement, peuvent également bénéficier de la struc-

ture et des avantages de l'élément de paroi pouvant

être refroidi décrit dans la présente spécification.

La figure 2 illustre une aube mobile à laquelle sont appliqués les concepts de la présente invention concernant une paroi pouvant être refroidie. Ltaube mobile comporte une paroi d'extrados 24 et une paroi d'intrados 26, tandis qu'elle comporte une cavité creuse 28 s'étendant entre ces parois. Cette cavité creuse e st en communication, par fluide gazeux, avec une source d'alimentation d'air de refroidissement, par exemple, la section de compression du moteur. Des trous d'air

de refroidissement 30 pénètrent dans les parois d'intra-

dos et d'extrados de l'aube, au moins sur une partie de la surface portante de celle-ci afin de former, sur cette

surface et au cours du mode de fonctionnement, une cou-

che dtair de refroidissement venant de la source d'ali-

Tentation. De préférence, la couche d'air de refroidis-

sement quitte les aubes mobiles sous un angle aigu, de façon à pouvoir former une couche pelliculaire adhérente près dûs parois de la surface portante. Cette couche d'air empêche les gaz chauds du milieu de travail de

venir heurter la matière dont est constituée l'aube.

Une géométrie particulière pour les trous d'air de refroidissement 30 est illustrée dans les

figures 3A et 3B qui sont des vues en coupe d'un élé-

ment de paroi pouvant être refroidi et qui, dans ce cas, est constitué par la paroi de la surface portante de l'aube mobile 20. Chaque trou 30 s'étend en travers de

la paroi de la surface portante d'une face froide 32 si-

tuée près de la cavité creuse 28 jusqu'à une face chaude 34 située près du parcours d'écoulement 10 du milieu de travail. Il est particulièrement important de noter que la densité des trous de refroidissement près de la face froide de la paroi est nettement inférieure à la densité des trous de refroidissement près de la face chaude de celle-ci. Autrement dit, le rapport entre la section

transversale occupée par la matière de l'aube et la sec-

tion transversale occupée par les trous de refroidisse-

ment est plus important sur la face froide que sur la face chaude. Dans la forme de réalisation illustrée, cette répartition de matière est obtenue en prévoyant,

pour les trous, une première partie 36 qui est perpendi-

culaire à la face froide et qui s'étend à peu près à moitié en travers de la matière de la paroi pouvant être refroidie. Une seconde partie 38 des trous s'étendant à partir de la première partie est inclinée sous un angle

aigu par rapport à la face chaude de la paroi.

Dans un milieu ambiant de travail, il existe une importante différence de température entre l'air de refrcddissement situé sur la face froide et les gaz chauds du milieu de travail situés sur la face chaude, cette différence variant en fonction de l'emplacement et de la conception d'un moteur particulier. Dans les turbines

à gaz modernes, la différence de température est spéci-

fiquement de l'ordre de 111-167oC et peut-être même davantage. Cette différence de température importante tn travers de la paroi établit un important gradient thermique avec, pour conséquence, de fortes différences d'élévation de température entre la face chaude et la

face froide de la structure. Ces différences d'éléva-

tion de température créent, dans la matière de la paroi, des tensions qui sont en relation, à l'intervention du module d'élasticité de la matière, avec l'importance de l'élévation de température différentielle. Des matières

ayant des modules d'élasticité relativement élevés subis-

sent de fortes tensions correspondantes qui, lorsqu'el-

les sont excessives, peuvent donner lieu à une fissura-

tion de la matière de la paroi pouvant être refroidie.

Ces problèmes de formation de tensions sont particuliè-

rement graves dans les alliages à haut module habituel-

lement utilisés dans les turbines à gaz, ainsi que dans les alliages qui seront élaborés pour des utilisations futures. Dès lors, en réduisant le gradient thermique en travers de la paroi, on peut éviter des tensions

excessivement élevées.

L'air de refroidissement peut s'écouler en travers de l'élément de paroi pouvant être refroidi

suivant la présente invention afin de régler la tempé-

rature de la matière dont est constituée cette paroi.

On adopte à la fois les concepts d'un refroidissement

par convection et d'un refroidissement pelliculaire.

Lorsqu'on adopte les concepts d'un refroidissement pel-

liculaire, une couche d'air de refroidissement s'écoule près de la face chaude de la matière de la paroi, afin

de protéger cette dernière contre les gaz chauds du mi-

lieu de travail circulant dants le parcours d'écoulement.

Cette pellicule doit adhérer convenablement à la paroi et elle doit avoir une épaisseur suffisante de telle sorte que les gaz du milieu de travail ne puissent y pénétrer. En conséquence, les trous de refroidissement 30 par lesquels est déposée la pellicule d'air, sont étroitement espacés et ils sont inclinés, sur la face chaude de la paroi, de façon à permettre l'écoulement

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de l' i.r près de cette paroi sans, oue les gaz du milieu

de travail pénètrent et viennent sb. mélanger à ce cou-

rant d'air. En outre, en inclinant les trous> on en augmente la surface de sortie comme illustré en figure 2> si bien que l'air est évacué à une vitesse relativement faible dans le parcours d'écoulement comparativement à

la vitesse axiale le long du trou.

Le degré d'inclinaison est choisi de façon à

assurer la répartition souhaitée de l'air de refroidis-

sement sur la face chaude. On notera> en particulier, dans la zone 40 du bord d'attaque de l'aube illustrée en figure 2, que le degré d'inclinaison est moins prononcé q:ue le long de l'intrados de la surface portante. De la sorte, les trous d'air de refroidissement peuvent tre plus étroitement espacés dans la zone du bord d'attaque

o l'air de refroidissement est évacué dans une direc-

tion lui permettant de mieux résister à l'approche di-

recte des gaz du milieu de-travail. Du fait que le nombre de trous est plus important dans la zone du bord d'attaque et que le degré d'inclinaison est plus faible, on obtient> dans cette zone du bord d'attaque, un plus

grand volume d'écoulement de pellicule d'air comparati-

v-ment aux parois de l'intrados et de l'extrados. Dans

n, forme de réalisation efficae-2., le degré d'inclinai-

2: r d--er trous pratiqués dans 1: paroi pouvant être re-

-:'o-dle se situe entre environ 200 au bord d'attaque et v!r'on 6ô le long de l'intrados.,

En combinaison avec uao. refroidissement pelli-

cul-ires on adopte un refroidiss 'ment par convection dans la matière de la paroi ll:-mme et> dans ce ca. égilem-,ent les considérations relatives à la vitess d-e l'air:ent importantes. Les vitesses de refroidis%-ment p., r,jP-:,ction sont fonction de la vitesse d'écoulement>

de l:. -:'érence de température et'de la surface impré-

Yinclinaison des trous a pour effet d'accrof-

-.c imprégnée d'un trou près de la face chau-

de sans pour autant donner lieu à une réduction corres-

pondante de vitesse. Il en résulte un refroidissement plus important par conviction près de la face chaude et la température de la matière de la paroi sur cette face est réduite. Les trous perpendiculaires pratiqués sur

la face froide de la paroi réduisent la surface impré-

gnée du trou sur cette face froide comparativement à la surface imprégnée sur la face chaude. Il en résulte un refroidissement par convection moins important, tandis que la température de la matière de la paroi sur la face

froide s'élève. Bien qu'une élévation locale de la tem-

pérature de la paroi ne semble pas souhaitable, l'effet bénéfique des gradients thermiques réduits entre la face froide et la face chaude rend cette élévation importante pour la réduction des niveaux de tension dans la matière de la paroi. En outre, un accroissement du diamètre

dtun trou de refroidissement dans sa partie perpendicu-

laire peut réduire la vitesse de l'air et, par conséquent,

donner lieu à une diminution du rapport de refroidisse-

ment par convection sur la face froide pour autant que

la surface imprégnée ne devienne pas excessivement grande.

L'utilisation efficace des concepts décrits ci-dessus peut réduire d'environ 1/3 l'amplitude du gradient thermique en travers de la paroi, cette réduction étant d'environ 55,60C dans des formes de réalisation spécifiques de

turbines à gaz.

Dans l'ensemble, la partie inclinée des trous

sur la face chaude de la paroi assure une grande sur-

face d'évacuation avec, pour conséquence, un faible dé-

bit dans le parcours d'écoulement du milieu de travail, cette caractéristique étant essentielle pour assurer un refroidissement pelliculaire efficace sans pour autant nuire à la haute vitesse axiale établie le long de la surface imprégnée des trous, cette caractéristique étant également essentielle pour assurer un refroidissement efficace par convection. Le refroidissement de la face chaude atteint son maximum. De plus, grâce à la réduction du refroidissement par convuction sur la face froide

(suite à la partie; perpendiculaire des trous 30), la tem-

pérature régnant sur la face froide peut s'élever jusqu'à une valeur concordant plus étroitement avec la température régnant sur la face chaude. De la sorte, le gradient

thermique est réduit.

Les géométries complexes que l'on doit conférer

aux trous dans la mise en oeuvre de la forme de réalisa-

tion ci-dessus, ne sont pas aisément obtenues par des techniques classiques de fabrication. En règle générale, les dimensions et les emplacements des trous excluent

une pleine utilisation des techniques de forage et dtusi-

nage. En conséquence, ces concepts sont illustrés con-

jointement avec ce que l'on appelle, dans l'industrie,

la "technologie des galettes". Les éléments d'une tur-

bine tels que l'aube mobile illustrée en figure 2, sont fabriqués à partir de plusieurs plaques ou galettes 42 collées l'une à l'autre. Une moitié du profil de chaque trou 30 est pratiquée par morsure dans chaque galette adjacente de façon à former les trous complets 30 lorsque

toutes ces galettes sont colées l'une à l'autre.

Bien (lue l'invention ait été illustrée et dé-

crite en se référant à certaines de ses formes de réa-

lisation détaillées, l'homme de métier comprendra que

diverses modifications et omissions peuvent être appor-

tées tant dans la forme que dans les détails sans pour

autant se départir de l'esprit et du cadre de l'inven-

tion.

Claims (3)

REVENDICAT IONS

1. Elément de paroi pouvant être refroidi du type disposé entre un milieu chaud et un milieu froid, le milieu froid pouvant s'écouler en travers de cet élément afin de protéger, contre le milieu chaud, la structure de paroi pouvant être refroidie, caractérisé en ce qu'il comprend: une structure de paroi ayant une face froide et une face chaude, ainsi que plusieurs trous s'étendant à travers cette structure entre cette face froide et cette face chaude, la géométrie de ces trous étant conçue de façon à assurer,,dans la paroi et sur la face froide

de celle-ci, une vitesse de refroidissement par convec-

tion qui est inférieure à la vitesse de refroidissement par convection dans la paroi et sur la face chaude de celle-ci.

2. Elément de paroi pouvant être refroidi sui-

vant la revendication 1, caractérisé en ce que chaque -

trou comporte une première partie pratiquement perpendi-

culaire à la face froide de la paroi et s'étendant à par-

tir de cette face froide dans la matière dont est cons-

tituée la paroi, ainsi qu'une seconde partie s'étendant à partir de cette première partie et en travers de la partie de la matière de paroi située près de la face chaude de celle-ci, cette seconde partie étant inclinée

sous un angle aigu par rapport à la face chaude de l'élé-

ment de paroi pouvant être refroidi.

3. Elément de paroi pouvant être refroidi sui-

vant l'une quelconque des revendications 1 et 2, caracté-

risé en ce qu'il est fabriqué à partir de plusieurs élé-

ments constitués de galettes adjacentes entre lesquelles

sont pratiqués les trous d'air de refroidissement.