FR2712919A1 - Aube refroidie de turbine. - Google Patents
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Abstract
Une aube refroidie de turbine comporte un corps d'aube (30) ayant une structure définissant une partie intérieure creuse, un insert (32a, 32b) monté dans la partie intérieure creuse du corps d'aube (30) avec un espace entre eux, et plusieurs saillies (33) qui séparent l'espace en plusieurs chambres (35) entre l'insert (32a, 32b) et une surface interne du corps d'aube (30). L'insert (32a, 32b) est formé avec plusieurs trous de refroidissement par impact (37) dans des parties autres que les saillies (33), les saillies (33) s'étendent dans le sens de la longueur du corps d'aube (30), un air de refroidissement (31a) s'écoule depuis l'intérieur de l'insert (32a, 32b) en direction des chambres (35) en passant par les trous de refroidissement par impact (37), et le corps d'aube (30) est pourvu de plusieurs trous de refroidissement par film (38) traversant chacun le corps d'aube (30) depuis les chambres (35) jusqu'à un côté sur l'atmosphère extérieure du corps d'aube (30) et s'étendant dans une direction radiale du corps d'aube (30).
Description
La présente invention se rapporte à une aube refroidie de turbine d'une
turbine à gaz utilisée pour la génération d'énergie et dans l'industrie, et plus particulièrement à une aube refroidie de turbine ayant une structure intérieure creuse dans laquelle se trouve
un insert ayant une structure améliorée.
Une turbine à gaz utilisée dans une centrale est généralement agencée comme cela est représenté sur la figure 11, o de l'air comprimé qui est comprimé en entrainant un compresseur 2 prévu coaxialement à une turbine à gaz 1 est envoyé vers une chambre de combustion 3, du carburant est envoyé dans la partie de chemise 3a de la chambre de combustion 3, et un gaz de combustion à haute température qui résulte de la combustion est guidé vers des aubes mobiles 6 en passant par une pièce de transition 4 et des aubes fixes 5 de la turbine à gaz 1, de sorte que la turbine à gaz 1 fournit du travail par rotation des aubes
mobiles 6.
Incidemment, afin d'améliorer le rendement thermique d'une turbine à gaz, il est préférable d'augmenter une température d'entrée de turbine, et dans la réalité, la température d'entrée de turbine est augmentée dans ce but. Du fait que la température d'entrée de turbine est augmentée, il devient nécessaire d'utiliser un matériau résistant aux températures élevées pour le chambre de combustion 3, les aubes fixes 5 et les aubes mobiles 6 de la turbine à gaz 1, et un superalliage résistant à la chaleur a
donc été utilisé pour des parties de la turbine à gaz.
Bien qu'un superalliage résistant à la chaleur utilisé pour les parties à haute température de la turbine ait une température critique de 800 à 900 C actuellement, une température d'entrée de turbine atteint environ 1300 C, ce qui dépasse fortement la température critique. Il est ainsi essentiel d'utiliser une aube refroidie à laquelle est appliquée une structure de refroidissement afin de maintenir la fiabilité de la turbine à gaz en refroidissant l'aube à la température critique. De l'air est utilisé comme fluide opérationnel dans de nombreux cas afin de refroidir une aube à sa température critique, et l'air est envoyé en étant partiellement extrait à mi-chemin du compresseur 2 ou dans le passage de la sortie du compresseur 2 vers la chambre de combustion 3. Lorsqu'une quantité plus importante d'air de refroidissement est utilisée, l'air peut naturellement réduire davantage la température de l'aube. Toutefois, l'air de refroidissement ne génère pas de puissance de sortie à moins qu'il soit collecté dans un passage de gaz, et même si l'air est collecté dans le passage de gaz, il réduit une température de gaz. Par conséquent, le rendement d'une turbine à gaz est abaissé, ce qui fait qu'un rendement amélioré par une température d'entrée accrue est annulé. C'est ainsi un problème important que de réaliser efficacement un refroidissement avec un écoulement d'air d'une quantité
aussi faible que possible.
Actuellement, une aube refroidie par air telle que représentée sur la figure 12 et la figure 13 est utilisée dans une turbine à gaz ayant une température d'entrée de turbine d'environ 13000 C. La figure 13 est une vue en coupe le long de la ligne XIII-XIII de la figure 12. Afin de rendre la
description suivante plus compréhensible, la direction
x, la direction y et la direction z sont définies comme
cela est représenté sur les figures 12, 13 et 15.
Comme cela est représenté sur la figure 12 et la figure 13, un insert 7 ayant une structure intérieure creuse est logé dans l'aube fixe (appelée
par la suite corps principal d'aube refroidie) 5.
L'insert 7 est généralement supporté dans le corps principal d'aube 5 au niveau des deux parties d'extrémité dans le sens de la longueur du corps d'aube 5, et en pratique, un élément de nervure 5a est disposé à l'intérieur du corps d'aube 5 afin de supporter l'insert 7 et réaliser en outre un rayonnement de chaleur à travers l'élément de nervure 5a. L'air de refroidissement 8 est tout d'abord envoyé dans l'insert 7, devient de l'air de refroidissement par impact 9a en passant à travers de nombreux trous de refroidissement par impact 9 définis dans l'insert 7, et frappe alors la surface interne du corps principal d'aube refroidie 5. Il est connu qu'un fluide qui frappe une paroi fixe à grande vitesse comme cela a été décrit ci-dessus a un coefficient de transfert thermique très élevé et ainsi une grande efficacité dans l'amélioration du rendement de refroidissement, qui est appelé refroidissement par impact. Ce procédé de refroidissement est une technologie de refroidissement importante pour la gestion de l'effet de refroidissement de la surface
interne du corps principal d'aube refroidie 5, c'est-à-
dire un coefficient de transfert thermique de surface interne. L'air ayant d'abord refroidi la surface interne du corps principal d'aube refroidie 5 s'écoule alors vers l'extérieur par des trous de film 10 d'une manière telle qu'il recouvre la surface extérieure du corps principal d'aube refroidie 5 sous la forme d'un film. Le film d'air de refroidissement a un effet de protection du corps principal d'aube refroidie 5 contre
les températures élevées.
Bien que l'air de refroidissement 8 s'écoule vers l'extérieur en passant successivement à travers l'insert 7, les trous de refroidissement par impact 9, et les trous de film 10 dans cet ordre, l'air de refroidissement 8 s'écoule depuis un bord avant 12 jusqu'à un bord arrière 13 dans un espace 11 entre
l'insert 7 et le corps principal d'aube refroidie 5.
Des aiguilles 14 sont prévues dans le corps d'aube refroidie 5 afin d'améliorer le coefficient de transfert thermique et d'obtenir un effet d'ailette dû
à l'augmentation d'une surface de transfert de chaleur.
La figure 14 est une vue observée depuis la direction C de la figure 12 afin de montrer un procédé de refroidissement d'un segment d'enveloppe 15, dans lequel non seulement le corps principal d'aube refroidie 5 mais également le segment d'enveloppe 15 sont soumis au refroidissement par impact dans une turbine à gaz. C'est-à-dire que plusieurs trous de refroidissement par impact 9 sont définis dans un diaphragme 16 et le segment d'enveloppe 15 est refroidi par le refroidissement par impact. Bien que la figure 14 montre le refroidissement par impact appliqué à une partie de pied d'aube, la même technologie de refroidissement est également appliquée au segment d'enveloppe au niveau de la partie d'extrémité
terminale de l'aube.
Les problèmes du refroidissement par impact de l'état de la technique sont décrits ci-dessous. Bien que le refroidissement par impact soit appliqué à la fois au corps principal d'aube refroidie 5 et au
segment d'enveloppe 15 comme cela a été décrit ci-
dessus, du fait qu'ils ont la même structure, seul le refroidissement du corps principal d'aube refroidie 5
va être décrit ci-dessous.
Dans l'aube de turbine à gaz, du fait que toute la surface du corps principal d'aube refroidie 5 doit être refroidie uniformément, les nombreux trous de
refroidissement par impact 9 doivent être définis.
Comme cela est représenté sur la figure 15 et la figure 16, l'air de refroidissement 8 s'écoule depuis les trous de refroidissement par impact 9 définis dans l'insert 7, devient de l'air de refroidissement par impact 9a, et frappe la surface interne du corps principal d'aube refroidie 5. On sait que le refroidissement par impact maximise un coefficient de transfert thermique lorsque l'air de refroidissement frappe perpendiculairement une surface pleine afin d'améliorer ainsi un effet de refroidissement. Les états représentés sur la figure 15 et la figure 16 sont
ainsi idéaux.
Toutefois, en réalité, l'air de refroidissement s'écoule comme cela est représenté sur la figure 17 et la figure 18. C'est-à- dire que, après avoir frappé la surface intérieure du corps principal d'aube refroidie 5, l'air de refroidissement par impact 9a s'écoule depuis le bord avant 12 vers le bord arrière 13 dans la direction x dans l'espace 11 entre l'insert 7 et le corps principal d'aube refroidie 5 et
devient l'air de refroidissement lla pour l'espace 11.
Toutefois, cet écoulement de l'air de refroidissement la interfère avec l'écoulement de l'air de refroidissement par impact 9a. Par conséquent, l'air de refroidissement par impact 9a ne frappe pas toujours perpendiculairement la surface interne du corps principal d'aube refroidie 5 et il est impossible
d'atteindre l'état idéal.
Plus spécialement, lorsque la paroi interne de l'aube doit être refroidie par un écoulement sous forme de jet de refroidissement par impact provenant de l'insert 7, du fait qu'un écoulement croisé s'écoulant entre l'insert 7 et la paroi interne de l'aube est augmenté par rapport à l'écoulement sous forme de jet, un effet de refroidissement par impact est réduit. Dans une structure de refroidissement intérieur de l'état de la technique, il apparaît comme problème que, du fait que l'air de refroidissement s'approche du bord avant 12 plus près de la rangée de trous de refroidissement par impact sur le côté aval dans le bord arrière 13, l'écoulement croisé de l'air de refroidissement qui a réalisé le refroidissement sur le côté amont est augmenté et il est difficile d'obtenir un effet de
refroidissement par impact souhaité.
En outre, du fait que la température d'entrée d'une turbine à gaz est augmentée, une quantité d'air de refroidissement nécessaire est naturellement augmentée. En particulier, lorsque la température d'entrée est de 1300 C ou plus, la quantité d'air de refroidissement est remarquablement augmentée. De plus, du fait que le refroidissement par convection à l'intérieur de l'aube n'est pas suffisant, un procédé de refroidissement par film qui consiste à souffler de l'air de refroidissement par les trous de film 10 définis sur la surface d'aube vers l'extérieur de l'aube comme cela a été décrit ci-dessus doit être
utilisé avec le refroidissement par convection.
Le procédé de refroidissement par film est non seulement efficace pour le refroidissement mais présente également l'effet d'empêcher une augmentation supplémentaire d'une contrainte thermique provoquée sur la partie métallique de l'aube par la température élevée. Comme cela a été décrit ci-dessus, bien que l'application du procédé de refroidissement par film soit efficace pour refroidir l'aube refroidie d'une turbine à gaz, lorsque la température est encore augmentée, un procédé de refroidissement par film à couverture complète (FCFC) doit être utilisé afin de souffler l'air de refroidissement sur toute la surface
de l'aube.
Du fait que l'effet du refroidissement par film varie fortement en fonction des conditions de soufflage dans un écoulement principal (telles que densité, rapport masse sur quantité d'écoulement, quantité de mouvement) (c'est-à-dire qu'il y a des conditions optimales), il y a une possibilité pour qu'un effet de refroidissement maximum ne puisse être obtenu, même en utilisant le procédé FCFC. Dans le cas d'une aube fixe de turbine, il y a une grande différence de pression statique sur une surface d'aube sur laquelle est soufflé l'air de refroidissement, en fonction des emplacements de la surface d'aube du fait
des caractéristiques de l'aube fixe.
Indépendamment de ce fait, la pression dans l'espace 11 formé entre l'insert 7 et la paroi intérieure creuse est maintenue à une valeur donnée dans la structure de refroidissement intérieure de l'état de la technique. Il en résulte qu'il y a comme problème que la pression de l'air de refroidissement juste avant qu'il soit soufflé ne peut être optimisée en fonction d'un emplacement o l'air de refroidissement est soufflé et des conditions de soufflage optimales (telles que densité, rapport masse sur quantité d'écoulement, quantité de mouvement) ne
peuvent être obtenues.
Un but de la présente invention est d'éliminer sensiblement les défauts ou inconvénients rencontrés dans l'état de la technique et de procurer une aube refroidie de turbine capable d'atténuer l'interférence avec l'air de refroidissement après impact à cause de laquelle l'effet de refroidissement du refroidissement est réduit et se conformant à la température d'entrée accrue d'une turbine à gaz afin
d'améliorer le rendement de la turbine à gaz.
Un autre but de la présente invention est de procurer une aube refroidie de turbine capable d'améliorer les performances de refroidissement par film d'un corps principal d'aube refroidie et de réaliser une excellente opération de refroidissement
même à une température de gaz accrue.
Ces buts ainsi que d'autres peuvent être atteints selon la présente invention en prévoyant, selon un aspect, une aube refroidie de turbine comportant: un corps d'aube ayant une structure définissant une partie intérieure creuse; un élément d'insert monté dans la partie intérieure creuse du corps d'aube avec un espace entre eux; plusieurs saillies formées sur le dit insert de façon à dépasser en direction d'une surface interne du corps d'aube, les dites saillies étant formées avec des trous de refroidissement par impact à travers lesquels s'écoule l'air de refroidissement depuis l'intérieur de l'élément d'insert en direction de
l'espace entre l'élément d'insert et le corps d'aube.
Dans des formes de réalisation préférées de cet aspect, chacune des saillies a un aspect extérieur
cylindrique avec un trou de refroidissement par impact.
Les saillies formées chacune de façon à procurer un canal qui dépasse de l'insert en direction de la surface interne du corps d'aube peuvent être disposées suivant une rangée dans une direction sensiblement parallèle à une direction d'écoulement de l'air de refroidissement. Le trou de refroidissement par impact
a une forme circulaire.
L'espace entre l'élément d'insert et la surface interne du corps d'aube est formé de façon à être élargi en direction d'un côté aval de l'écoulement
de l'air de refroidissement.
Selon un autre aspect de la présente invention, il est prévu une aube refroidie de turbine comportant: un corps d'aube ayant une structure définissant une partie intérieure creuse; un élément d'insert monté dans la partie intérieure creuse du corps d'aube avec un espace entre eux; plusieurs éléments de séparation qui séparent l'espace en plusieurs chambres cloisonnées entre l'élément d'insert et une surface interne du corps d'aube, l'élément d'insert étant formé avec plusieurs trous de refroidissement par impact dans des parties autres que les éléments de séparation, les éléments de séparation s'étendant dans le sens de la longueur du corps d'aube, un air de refroidissement s'écoulant depuis l'intérieur de l'insert en direction des chambres cloisonnées en passant par les trous de refroidissement par impact, et le corps d'aube étant pourvu de plusieurs trous de refroidissement par film traversant chacun une paroi du corps d'aube depuis les chambres cloisonnées jusqu'à un côté sur l'atmosphère extérieure du corps d'aube et s'étendant dans une
direction radiale du corps d'aube.
Dans des formes de réalisation préférées de cet aspect, les éléments de séparation sous forme de saillies sont formés de façon à dépasser de l'élément d'insert en direction de la surface interne du corps d'aube et buter au niveau des parties d'extrémité saillantes de ceux-ci contre la surface interne du corps d'aube. Le corps d'aube est formé avec plusieurs parties renfoncées sur lesquelles sont montées de façon respective les parties d'extrémité saillantes des saillies. Les éléments de séparation peuvent être formés sur le corps d'aube sous forme de saillies de façon à dépasser de la surface interne du corps d'aube en direction d'une surface externe du corps d'élément d'insert et buter au niveau de parties d'extrémité saillantes de ceux-ci contre la surface extérieure de l'élément d'insert. L'élément d'insert est formé avec plusieurs parties renfoncées sur lesquelles sont montées de manière respective les parties d'extrémité
saillantes des saillies.
Les éléments de séparation sont formés d'un
seul tenant avec l'élément d'insert ou le corps d'aube.
Selon un aspect de la présente invention
présentant les structures et caractères décrits ci-
dessus, du fait que les saillies sont formées sur l'insert de façon à dépasser vers le corps d'aube refroidie, avec les trous de refroidissement définis sur les saillies, l'espace entre l'insert et le corps d'aube peut être augmenté. Il en résulte que la vitesse d'écoulement de l'air de refroidissement ayant réalisé le refroidissement par impact est réduite de sorte que l'interférence de l'air de refroidissement avec l'air de refroidissement après impact, à cause de laquelle l'effet de refroidissement du refroidissement par
impact est abaissé, peut être atténuée.
Par ailleurs, du fait que les saillies sont formées suivant une rangée dans une direction parallèle à l'écoulement d'air de refroidissement, l'air de refroidissement de turbine a une section d'espace
efficace accrue.
Il est préférable que l'espace entre l'insert et le corps principal d'aube refroidie soit accru en direction du côté aval de l'air de refroidissement afin
d'améliorer le rendement de refroidissement.
Selon l'autre aspect de la présente invention, du fait que l'espace formé entre le corps d'aube refroidie et l'insert est divisé en plusieurs chambres cloisonnées ou cellules, et plusieurs trous de refroidissement par film sont définis dans chacune des chambres dans la direction radiale du corps d'aube refroidie afin de souffler l'air de refroidissement vers l'extérieur du corps d'aube depuis chacune des chambres, la pression de l'air de refroidissement dans chaque chambre peut être maintenue à une pression optimale en fonction de la pression statique d'une surface d'aube de telle sorte qu'un effet de film maximum sur la surface extérieure du corps d'aube peut
être obtenu.
En outre, l'effet d'un écoulement croisé sur un écoulement en forme de jet destiné à réaliser le refroidissement par impact d'une paroi intérieure d'aube depuis l'insert peut être supprimé de telle sorte qu'un effet de refroidissement par impact est
également amélioré.
Par ailleurs, les parties saillantes de l'insert sont engagées dans les parties renfoncées du corps d'aube refroidie, ou bien les parties saillantes du corps principal d'aube refroidie peuvent être engagées dans les parties renfoncées de l'insert, de sorte que l'air de refroidissement peut être
efficacement retenu dans les chambres.
La nature et d'autres caractéristiques de la présente invention apparaîtront plus clairement à la
lecture de la description suivante faite en se référant
aux dessins annexés.
Dans les dessins annexés: La figure 1 est une vue en perspective agrandie montrant la partie principale d'une première forme de réalisation d'une aube refroidie de turbine selon la présente invention; La figure 2 est une vue observée depuis la direction A de la figure 1; Les figures 3A et 3B sont des vues comparant de manière qualitative le coefficient de transfert thermique local de la première forme de réalisation et le coefficient de transfert thermique local de l'état de la technique; La figure 4 est un graphique comparant la réduction du coefficient de transfert thermique de la première forme de réalisation et de celui de l'état de la technique; La figure 5 est une vue en perspective agrandie montrant la partie principale d'une première modification de la première forme de réalisation; La figure 6 est une vue en coupe longitudinale montrant une deuxième modification de la première forme de réalisation; La figure 7 est une vue en coupe transversale d'une deuxième forme de réalisation de l'aube refroidie de turbine selon la présente invention; La figure 8 est une vue en perspective agrandie montrant la partie principale de la deuxième forme de réalisation; La figure 9 est une vue en coupe longitudinale montrant une modification de la deuxième forme de réalisation; La figure 10 est une vue en perspective agrandie montrant la partie principale de la modification de la deuxième forme de réalisation; La figure 11 est une vue en coupe montrant l'agencement schématique d'une turbine à gaz normale; La figure 12 est une vue en coupe longitudinale montrant une aube refroidie de turbine à gaz conventionnelle; La figure 13 est une vue en coupe le long de la ligne XIII-XIII de la figure 12; La figure 14 est une vue observée depuis la direction C de la figure 12; La figure 15 est une vue en perspective agrandie montrant le refroidissement par impact idéal; La figure 16 est une vue observée depuis la direction D de la figure 15; La figure 17 est une vue en coupe agrandie montrant un refroidissement par impact réel; et La fiqure 18 est une vue observée depuis la
direction E de la figure 17.
Des formes de réalisation de la présente invention vont être décrites cidessous en se référant
aux dessins annexés.
La figure 1 est une vue en perspective agrandie montrant la partie principale d'une première forme de réalisation d'une aube refroidie de turbine selon la présente invention et la figure 2 est une vue observée depuis la direction A de la figure 1, des parties ou éléments ayant des agencements similaires ou correspondant aux agencements conventionnels représentés sur les figures 11 à 18 étant décrits en utilisant les mêmes références. Du fait que l'agencement global d'un corps principal d'aube refroidie est le même que l'agencement représenté sur
la figure 12 et la figure 13, la description de celui-
ci est omise.
Comme cela est représenté sur la figure 1 et la figure 2, un insert 7 formé avec une structure creuse est logé dans un corps principal d'aube refroidie 5, de l'air de refroidissement 8 est tout d'abord envoyé dans l'insert 7 et passe à travers plusieurs trous de refroidissement par impact 9 définis dans l'insert 7, et l'air de refroidissement par impact 9a ainsi obtenu frappe la surface interne du corps principal d'aube refroidie 5. Dans cette forme de réalisation, plusieurs saillies cylindriques 20 sont formées dans l'insert 7 de façon à dépasser vers le côté du corps principal d'aube refroidie 5 et un trou de refroidissement par impact en forme de disque (circulaire) 9 est défini sur l'extrémité terminale de chacune des saillies 20. Avec cet agencement, un espace 11 a une section accrue et un passage d'écoulement important pour l'air de
refroidissement lla est formé dans l'espace.
Lorsque l'insert 7 est supposé être un diaphragme et que le corps principal d'aube refroidie 5 est supposé être un segment d'enveloppe dans cette forme de réalisation, cet agencement peut également être appliqué au segment d'enveloppe exactement de la
même manière.
Plus spécialement, dans l'agencement dans lequel le diaphragme est prévu avec le segment d'enveloppe, les trous de refroidissement par impact 9 sont définis dans le diaphragme, et le segment d'enveloppe est refroidi par l'air de refroidissement par impact 9a délivré par les trous de refroidissement par impact 9, les saillies 20 dépassant vers le côté du segment d'enveloppe peuvent être formées sur le diaphragme et les trous de refroidissement par impact 9
peuvent être définis sur chacune des saillies 20.
Le fonctionnement de cette forme de
réalisation va être décrit ci-dessous.
La forme de réalisation prévoit de réduire l'interférence de l'air de refroidissement par impact 9a avec l'air de refroidissement d'espace lla. Une j' raison pour laquelle un état idéal, dans lequel l'air de refroidissement par impact 9a frappe perpendiculairement la surface interne du corps principal d'aube refroidie 5, ne peut être atteint est apparemment provoquée par le fait que l'air de refroidissement par impact 9a est dévié dans la direction x par la quantité de mouvement dans la
direction x de l'air de refroidissement d'espace lia.
La valeur de déviation de l'air de refroidissement par impact 9a dans la direction x peut être réduite en réduisant le débit massique de l'air de refroidissement d'espace lla ou en réduisant la vitesse d'écoulement de celui-ci. Du fait que l'air de refroidissement d'espace lla résulte de l'air de refroidissement par impact 9a ayant frappé la surface interne du corps principal d'aube refroidie 5 cependant, la quantité d'écoulement de l'air de refroidissement par impact 9a lui-même doit être réduite afin de réduire le débit massique. Ce procédé n'est cependant pas avantageux car le rendement du
refroidissement lui-même est réduit.
Ainsi, lorsque la section de l'espace 11 est augmentée en formant les saillies 20 comme dans cette forme de réalisation, un passage dédié à l'air de refroidissement lla est prévu de sorte que seule une vitesse d'écoulement peut être réduite sans réduire la
quantité d'écoulement d'air.
Les figures 3A et 3B sont des vues comparant de manière qualitative le coefficient de transfert thermique local selon cette forme de réalisation et celui de l'état de la technique, et sur ces figures, la courbe de coefficient de transfert thermique uniforme montre un coefficient de transfert thermique plus élevé à l'intérieur. Dans l'état de la technique représenté sur la figure 3B, du fait que l'air de refroidissement d'espace lia a une vitesse d'écoulement plus élevée, un écoulement sous forme de jet pour le refroidissement par impact est dévié et frappe de manière oblique la surface interne du corps principal d'aube refroidie 5, et il en résulte qu'un coefficient de transfert thermique est réduit et les courbes de coefficient de transfert thermique uniforme de l'état de la technique
présentent la forme d'une ellipse plate.
D'autre part, comme cela est représenté sur la figure 3A, avec cette forme de réalisation dans laquelle l'air de refroidissement d'espace lia a une vitesse d'écoulement réduite, du fait que l'air de refroidissement par impact 9a frappe perpendiculairement la surface interne du corps principal d'aube refroidie 5 au voisinage de celle-ci, un coefficient de transfert thermique est augmenté et les courbes de coefficient de transfert thermique uniforme de la forme de réalisation se présentent sous la forme d'une ellipse moins plate. Par conséquent, cette forme de réalisation a un coefficient de transfert thermique moyen plus élevé et peut obtenir un
effet de refroidissement plus efficace.
D. M. Kercher et W. Tabakoff ont expérimenté systématiquement la réduction d'un coefficient de transfert thermique provoquée par l'interférence de l'air de refroidissement par impact 9a avec l'air de refroidissement d'espace lia et obtenu une formule expérimentale soumise à un traitement sans dimension comme cela est présenté dans < Heat Transfer by a Square Array of Round Air Jets Impiging Perpendicular to a Flat Surface Including the Effect of Spent Air ", Transaction of AMSE, Journal of Engineering for Power, Janvier 1970, pages 73 à 82. Selon la formule expérimentale, lorsqu'un coefficient de transfert thermique est exprimé sous la forme d'un nombre de Nusselt NuD,X comme valeur sans dimension en prenant l'air de refroidissement d'espace lla en considération, le coefficient de transfert thermique est exprimé comme suit. NuD,X = hD/k... (1) o NuD,X est un nombre de Nusselt lorsque l'air de refroidissement d'espace lla est pris en considération, h est un coefficient de transfert thermique(kcal/m2h C), k est une conductivité thermique (kcal/mh C), et D est un diamètre de trou de
refroidissement par impact (m).
Le résultat de l'expérimentation est donné
par la formule suivante.
NuD,X = 4 1 % 2 ReDmPr 1/3 (Yi/D)0'091 o ReD est un nombre de Reynolds et ReD = p VD/p. p est une densité (kg/m3), V est une vitesse (m/s), M est un coefficient de viscosité (kg/ms), Pr est un nombre de Prandtl, et Yi est une distance entre le trou de refroidissement par impact et le corps principal d'aube refroidie 5. L'exposant m du nombre de Reynolds est une quantité déterminée expérimentalement sous la forme de m = f (Pi/D, ReD) et une fonction de Pi/D et ReD. Pi est le pas (m) du trou, et 4 1 est également une quantité déterminée expérimentalement sous la forme de
% 1 = f (Pi/D, ReD) et une fonction de Pi/D et de ReD.
En outre, le * 2 final est un paramètre de correction pour la réduction d'un coefficient de transfert thermique dû à l'existence de l'air de refroidissement d'espace et aménagé sous la forme
suivante.
4 2 = NuD,X/NuD = f {(Wx,i/Wi) (Yi/D), ReD} Ainsi, 4 2 est une fonction de la valeur sans dimension (Wx,i/Wi) (Yi/D) et de ReD. Dans la formule, Wx,i est une masse (kg/m2s) par unité de surface de l'air de refroidissement d'espace, Wi est un débit massique par unité de surface de l'air de refroidissement par impact (kg/m s) et NuD,X est un nombre de Nusselt lorsqu'il
n'y a pas d'air de refroidissement d'espace.
Selon le résultat de l'expérimentation dans la littérature ci-dessus, lorsque la valeur sans dimension (Wx,i/Wi) (Yi/D) est encore augmentée, le coefficient de transfert thermique est davantage réduit. C'est-à-dire que lorsque le débit massique par unité de surface Wx,i de l'air de refroidissement d'espace lla est augmenté, le coefficient de transfert thermique est réduit, ce qui est un résultat raisonnable. En outre, même si la distance Yi entre le trou de refroidissement par impact 9 et le corps principal d'aube refroidie 5 est augmentée, le même résultat est quantitativement obtenu, ce qui est un phénomène qui peut également se comprendre à partir du fait que, lorsque la distance Yi est importante, une quantité de l'air de refroidissement par impact 9a devant être dévié est augmentée. Par conséquent, la vitesse d'écoulement dans l'espace 11 doit être réduite tout en maintenant la distance Yi aussi grande que dans
l'état de la technique.
Sur la figure 1, lorsque l'on suppose que l'espace 11 est augmenté tout en conservant la distance Yi entre le ième trou de refroidissement par impact depuis le bord avant et le corps principal d'aube refroidie 5 et la quantité d'écoulement par unité de surface de l'air de refroidissement par impact 9a aussi importantes que celles de l'état de la technique en formant la saillie 20 dans le trou de refroidissement par impact 9, le débit massique par unité de surface Wx,i de l'air de refroidissement d'espace lla est réduit par l'augmentation de la section de l'espace 11, de sorte que la réduction du coefficient de transfert
thermique peut être empêchée.
La figure 4 est un graphique montrant le cas dans lequel la section de l'espace 11 est augmentée à 1,5 fois celle de l'état de la technique et les réductions du coefficient de transfert thermique des six trous de refroidissement par impact sont calculées et comparées à celles de l'état de la technique, l'abscisse montrant le nombre de trous de refroidissement par impact et l'ordonnée montrant un coefficient de transfert thermique dans le trou de refroidissement par impact de i = 1 dans l'état de la technique et le coefficient de transfert thermique étant représenté en étant soumis à un traitement sans dimension. Sur la figure 4, bien que le coefficient de transfert thermique du sixième trou de refroidissement par impact(i = 6) de l'état de la technique soit réduit d'environ 20% comparé à celui du premier trou de refroidissement par impact(i = 1) du fait que l'air de refroidissement d'espace lia est progressivement augmenté, la réduction du coefficient de transfert thermique dans cette forme de réalisation est d'environ
12% et un effet important est ainsi obtenu.
Comme cela a été décrit ci-dessus, selon cette forme de réalisation, la section de l'espace 11 est augmentée tout en conservant la distance Yi entre le trou de refroidissement par impact 9 et le corps principal d'aube refroidie 5 aussi grande que celle de l'état de la technique en prévoyant les trous de refroidissement par impact 9 avec les saillies 20. Il en résulte que le débit massique par unité de surface Wx,i de l'air de refroidissement d'espace lla est réduit et l'interférence de l'air de refroidissement par impact 9a avec l'air de refroidissement d'espace lia, de sorte que la réduction du coefficient de transfert thermique dans le refroidissement par impact
peut être réduite.
Il est à noter que lorsque les saillies 20 sont formées sur le diaphragme et que les trous de refroidissement par impact 9 sont définis sur les saillies dans cette forme de réalisation, le même fonctionnement et le même avantage peuvent également
être obtenus dans le segment d'enveloppe.
La figure 5 est une vue en perspective agrandie montrant la partie principale d'une première modification de la première forme de réalisation de l'aube refroidie de turbine selon la présente invention, et sur la figure 5, les mêmes références que celles utilisées dans la première forme de réalisation sont utilisées pour désigner les mêmes parties pour la
simplicité de la description. Dans la première
modification, plusieurs saillies en forme de canal 21 qui dépassent d'un côté d'un corps principal d'aube refroidie 5 sont formées sur un insert 7 dans une direction sensiblement parallèle à l'écoulement de l'air de refroidissement et un trou de refroidissement par impact de forme circulaire 9 est défini sur chacune
des saillies 21.
La section d'un espace 11 peut être augmentée tout en conservant une distance Yi entre le trou 9 et le corps principal d'aube refroidie 5 aussi importante que celle de l'état de la technique comme dans la première forme de réalisation. En outre, la première modification peut être réalisée plus facilement que la première forme de réalisation en prévoyant les saillies
en forme de rangée 21.
La figure 6 est une vue en coupe longitudinale montrant une deuxième modification de la première forme de réalisation de la première forme de réalisation de l'aube refroidie de turbine selon la présente invention, et sur la figure 6, les mêmes références que celles utilisées dans la première forme de réalisation sont utilisées pour désigner les mêmes
parties pour la simplicité de la description. Du fait
que l'air de refroidissement d'espace lia est collecté lorsque l'air de refroidissement par impact 9a s'écoule en aval, la quantité d'air de refroidissement d'espace lia est augmentée en direction d'un bord arrière, par exemple, en utilisant un insert étagé comme cela est
illustré sur la figure 6.
Ainsi, dans la deuxième modification, un espace 11 entre un insert 7 et un corps principal d'aube refroidie 5 est augmenté en direction du bord arrière. Selon la deuxième modification, du fait que l'air de refroidissement d'espace lia a une vitesse d'écoulement uniforme, un coefficient de transfert thermique dans le refroidissement par impact peut être
réparti plus uniformément.
En outre, il est à noter que les première et deuxième modifications peuvent être appliquées de manière similaire à un segment d'enveloppe lorsque l'insert 7 est supposé être un diaphragme et le corps principal d'aube refroidie 5 est supposé être un
segment d'enveloppe.
La figure 7 est une vue en coupe transversale d'une deuxième forme de réalisation de l'aube refroidie de turbine selon la présente invention et la figure 8 est une vue en perspective agrandie montrant la partie
principale de la deuxième forme de réalisation.
Comme cela est représenté sur la figure 7, l'intérieur de la partie efficace d'aube d'un corps principal d'aube refroidie 30 est sous la forme d'une structure creuse qui est divisée en deux chambres par une paroi de séparation 31. Des inserts 32a, 32b sont logés dans chacune des chambres. Des parties saillantes 33 sont formées sur la circonférence de chacun des inserts 32a, 32b en plusieurs points et s'étendent dans le sens de la longueur de l'aube, et des chambres cloisonnées ou cellules 35 sont formées par butée des parties saillantes 33 contre une paroi intérieure creuse d'aube 34. Les parties de la paroi intérieure creuse d'aube 34 en contact avec les parties saillantes 33 sont au contraire réalisées avec une forme renfoncée comme cela est représenté sur la figure 8, de sorte que les parties saillantes 33 sont engagées dans les
parties renfoncées 36 de la paroi intérieure creuse 34.
Chacun des inserts 32a, 32b est totalement défini avec des trous de refroidissement par impact 37 passant de l'intérieur vers l'extérieur à l'exception des parties saillantes 33. Des trous de refroidissement par film 38 sont définis et passent des chambres respectives 35 vers la surface extérieure de l'aube. En outre, une ailette 39 et un trou de soufflage de bord arrière 40 sont définis dans la partie creuse sur le
côté de bord arrière de l'aube.
Le fonctionnement de cette forme de
réalisation va être décrit ci-dessous.
L'air de refroidissement 31a envoyé dans les inserts 32a, 32b s'écoule dans les chambres respectives 35 depuis les trous de refroidissement par impact 37 et dans le même temps est éjecté afin de frapper la paroi intérieure creuse d'aube 34 de façon à la refroidir. Du fait que les parties saillantes 33 des inserts 32a, 32b sont pressées contre les parties renfoncées 36 de la paroi intérieure creuse par une différence de pression entre l'intérieur et l'extérieur des inserts 32a, 32b, l'écoulement de l'air de refroidissement entre les chambres respectives 35 est supprimé et isolé par la pression. L'air de refroidissement 31a qui s'est écoulé dans les chambres 35 devient alors l'air de refroidissement par film 31b soufflé sur une surface d'aube depuis les trous de refroidissement par film 38 de façon à refroidir celle-ci par film. D'autre part, une partie de l'air de refroidissement 31a utilisé pour le refroidissement par impact provenant de l'insert 32b refroidit par convection la partie de bord arrière par l'intermédiaire de l'ailette 39 et du trou de soufflage de bord arrière 40 et est alors évacuée vers
l'extérieur de l'aube.
Dans le cas du refroidissement par film, des conditions de fluide optimales doivent être déterminées sur le côté d'air de refroidissement (cellules 35) par rapport aux conditions de fluide sur un côté de fluide principal au niveau des positions de soufflage. Dans ce but, la pression dans les chambres 35 est déterminée en fonction de la pression interne des inserts 32a, 32b, de l'air de refroidissement par film 31b provenant des chambres 35, des pressions de surface d'aube au niveau des positions de soufflage, de la forme des trous de refroidissement par impact 37 (nombre et diamètre) et de la forme des trous de refroidissement par film 38
(nombre et diamètre).
Par conséquent, les conditions de soufflage optimales peuvent être obtenues en choisissant le nombre et la disposition des cellules 35 et les formes des trous de refroidissement par impact 37 et des trous de refroidissement par film 38 correspondant aux chambres respectives 35 en fonction de la distribution de la pression statique sur la surface de paroi extérieure de l'aube et des positions de soufflage de l'air de refroidissement par film 3lb. Avec cet agencement, l'effet d'un écoulement croisé contre le jet de refroidissement par impact 31a peut être supprimé, de sorte qu'un effet de refroidissement est
également amélioré.
La figure 9 est une vue en coupe longitudinale montrant une modification de la deuxième forme de réalisation de l'aube refroidie de turbine et la figure 10 est une vue en perspective agrandie montrant la partie principale de la modification, et sur la figure 10, les mêmes références que celles utilisées dans la deuxième forme de réalisation sont utilisées pour désigner les mêmes parties pour la
simplicité de la description.
Dans cette modification, les parties saillantes 41 d'une paroi intérieure creuse 34 s'étendant dans le sens de la longueur d'une aube sont formées sur la circonférence interne de la paroi intérieure creuse 34 en plusieurs emplacements & des intervalles prédéterminés. Les parties saillantes 41 servent de moyens destinés à former des chambres d'air ou cellules entre des inserts 32a, 32b et la paroi intérieure creuse 34. Les parties saillantes 41 de la paroi intérieure creuse 34 sont amenées à buter contre les surfaces des inserts 32a, 32b afin de former les
chambres 35.
Les parties des inserts 32a, 32b en contact avec les parties saillantes 41 de la paroi intérieure creuse sont réalisées au contraire avec une forme renfoncée et les parties saillantes 41 de la paroi intérieure creuse 34 sont engagées dans les parties renfoncées 42 ainsi formées. Avec cet agencement, le même avantage que celui de la deuxième forme de réalisation peut être obtenu. Il est bien sûr à noter que l'autre agencement et le fonctionnement de la modification sont les mêmes que ceux de la deuxième forme de réalisation bien qu'ils ne soient pas décrits
ici.
Les parties renfoncées de paroi intérieure creuse 36 et les parties saillantes de paroi intérieure creuse 41 peuvent être formées d'un seul tenant avec le corps principal d'aube refroidie 30 par moulage de précision et les parties saillantes 33 et les parties renfoncées 42 correspondant à celles-ci peuvent être
estampées d'un seul tenant avec les inserts 32a, 32b.
Selon les formes de réalisation préférées de la présente invention, du fait que les saillies sont formées sur l'insert de façon à dépasser en direction du corps d'aube refroidie, avec les trous de refroidissement par impact définis sur les saillies, l'espace entre l'insert et le corps d'aube refroidie peut être augmenté. Il en résulte que la vitesse d'écoulement de l'air de refroidissement ayant réalisé un refroidissement par impact est réduite de sorte que l'interférence de l'air de refroidissement avec l'air de refroidissement après impact, à cause de laquelle l'effet de refroidissement du refroidissement par impact est abaissé, peut être atténuée. Ainsi, du fait qu'une quantité du coefficient de transfert thermique du refroidissement par impact qui peut être réduit par l'interférence peut être réduite, un effet de
refroidissement peut être accru.
Par ailleurs, du fait que l'espace formé entre le corps d'aube refroidie et l'insert est divisé en plusieurs chambres cloisonnées ou cellules et plusieurs trous de refroidissement par film sont définis dans chacune des chambres dans la direction radiale du corps d'aube refroidie afin de souffler l'air de refroidissement depuis chaque chambre, la pression de l'air de refroidissement dans chaque chambre peut être maintenue à une pression optimale en fonction de la pression statique d'une surface d'aube
de sorte qu'un effet de film maximum peut être obtenu.
Il en résulte que le corps d'aube refroidie peut être suffisamment refroidi, une turbine à gaz à rendement élevé peut être réalisée, et lorsque la turbine à gaz est appliquée à une centrale, un rendement thermique peut être amélioré. Les parties saillantes de l'insert sont engagées avec les parties renfoncées du corps d'aube refroidie, ou bien les parties saillantes du corps d'aube refroidie peuvent être engagées avec les parties renfoncées de l'insert, de sorte que l'air de refroidissement peut être efficacement retenu dans les chambres et la fiabilité de fonctionnement peut être améliorée.
Claims (12)
1. Aube refroidie de turbine, caractérisée en ce qu'elle comporte: un corps d'aube (5) ayant une structure définissant une partie intérieure creuse; un élément d'insert (7) monté dans la partie intérieure creuse du corps d'aube (5) avec un espace (11) entre eux; plusieurs saillies (20, 21) formées sur ledit élément d'insert (7) de façon & dépasser en direction d'une surface interne du corps d'aube (5), les dites saillies (20, 21) étant formées avec des trous de refroidissement par impact (9) à travers lesquels s'écoule l'air de refroidissement depuis l'intérieur de l'élément d'insert (7) en direction de l'espace (11)
entre l'élément d'insert (7) et le corps d'aube (5).
2. Aube refroidie de turbine selon la revendication 1, caractérisée en ce que chacune desdites saillies (20) a un aspect extérieur cylindrique avec un trou de refroidissement par impact (9).
3. Aube refroidie de turbine selon la revendication 1, caractérisée en ce que lesdites saillies (21) formées chacune de façon à procurer un canal qui dépasse de l'élément d'insert (7) en direction de la surface interne du corps d'aube (5) sont disposées suivant une rangée dans une direction sensiblement parallèle à une direction d'écoulement de
l'air de refroidissement.
4. Aube refroidie de turbine selon la revendication 3, caractérisée en ce que ledit trou de
refroidissement par impact (9) a une forme circulaire.
5. Aube refroidie de turbine selon la revendication 1, caractérisée en ce que ledit espace (11) entre l'élément d'insert (7) et la surface interne du corps d'aube (5) est formé de façon à être élargi en direction d'un côté aval de l'écoulement de l'air de refroidissement.
6. Aube refroidie de turbine, caractérisée en ce qu'elle comporte: un corps d'aube (30) ayant une structure définissant une partie intérieure creuse; un élément d'insert (32a, 32b) monté dans la partie intérieure creuse du corps d'aube (30) avec un espace entre eux; plusieurs éléments de séparation (33, 41) qui séparent l'espace en plusieurs chambres cloisonnées (35) entre l'élément d'insert (32a, 32b) et une surface interne du corps d'aube (30), ledit élément d'insert (32a, 32b) étant formé avec plusieurs trous de refroidissement par impact (37) dans des parties autres que les éléments de séparation (33, 41), lesdits éléments de séparation (33, 41) s'étendant dans le sens de la longueur du corps d'aube (30), un air de refroidissement (31a) s'écoulant depuis l'intérieur de l'élément d'insert (32a, 32b) en direction des chambres (35) en passant par les trous de refroidissement par impact (37), et ledit corps d'aube (30) étant pourvu de plusieurs trous de refroidissement par film (38) traversant chacun le corps d'aube (30) depuis les chambres (35) jusqu'à un côté sur l'atmosphère extérieure du corps d'aube (30) et s'étendant dans une direction radiale du corps d'aube (30).
7. Aube refroidie de turbine selon la revendication 6, caractérisée en ce que lesdits éléments de séparation (33) sont réalisés sur ledit élément d'insert (32a, 32b) sous la forme de saillies de façon à dépasser de l'élément d'insert (32a, 32b) en direction de la surface interne du corps d'aube (30) et buter au niveau des parties d'extrémité saillantes de
ceux-ci contre la surface interne du corps d'aube (30).
8. Aube refroidie de turbine selon la revendication 7, caractérisée en ce que ledit corps d'aube (30) est formé avec plusieurs parties renfoncées (36) sur lesquelles sont montées de façon respective
les parties d'extrémité saillantes des saillies (33).
9. Aube refroidie de turbine selon la revendication 6, caractérisée en ce que lesdits éléments de séparation (33) sont formés d'un seul
tenant avec ledit élément d'insert (32a, 32b).
10. Aube refroidie de turbine selon la revendication 6, caractérisée en ce que lesdits éléments de séparation (41) sont réalisés sur ledit corps d'aube (30) sous la forme de saillies de façon à dépasser de la surface interne du corps d'aube (30) en direction d'une surface externe du corps d'élément d'insert (32a, 32b) et buter au niveau de parties d'extrémité saillantes de ceux-ci contre la surface
extérieure de l'élément d'insert (32a, 32b).
11. Aube refroidie de turbine selon la revendication 10, caractérisée en ce que ledit élément d'insert (32a, 32b) est formé avec plusieurs parties renfoncées (42) sur lesquelles sont montées de façon respective les parties d'extrémité saillantes des
saillies (41).
12. Aube refroidie de turbine selon la revendication 10, caractérisée en ce que les éléments de séparation (41) sont formés d'un seul tenant avec
ledit corps d'aube (30).
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