FR2863302A1 - Systeme de fixation d'un distributeur de turbine - Google Patents

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Abstract

L'invention se rapporte à un moteur à microturbine (10) comprenant un compresseur, un récupérateur, une chambre de combustion créant un écoulement de produits de combustion, une turbine à écoulement radial (35), une enveloppe (75) entourant la turbine, une volute (70) entourant l'enveloppe (75), un orifice d'entrée recevant une pluralité d'aubes, et des organes élastiques. Selon l'invention, les produits de combustion entrent dans la volute (70) sensiblement perpendiculairement à l'axe longitudinal de la turbine, puis dans l'orifice d'entrée afin de provoquer la rotation de la turbine, et sortent de l'enveloppe (75) sous forme de gaz d'échappement s'écoulant parallèlement à l'axe longitudinal de la turbine, tandis que les aubes, la turbine, et l'enveloppe (75) se dilatent suite à leur réchauffement par les produits de combustion et les organes élastiques dévient pour s'adapter à une telle dilatation thermique.

Description

SYSTEME DE FIXATION D'UN DISTRIBUTEUR DE TURBINE
La présente invention concerne un système destiné à supporter un distributeur de turbine. Plus particulièrement, la présente invention concerne un système destiné à supporter un distributeur de turbine qui s'adapte à la dilatation thermique.
Les moteurs à microturbine sont des sources d'énergie relativement petites et efficaces. Les microturbines peuvent être utilisées pour générer de l'électricité et/ou pour alimenter un équipement auxiliaire tels que des pompes ou des compresseurs. Lorsqu'elles sont utilisées pour générer de l'électricité, les microturbines peuvent être utilisées indépendamment du réseau électrique ou synchronisées avec le réseau électrique. En général, les moteurs à microturbine sont limités à des applications requérant 2 mégawatts (MW) de puissance ou moins. Toutefois, certaines applications plus importantes que 2 MW peuvent utiliser un moteur à microturbine.
De nombreux moteurs à microturbine comprennent des aubes directrices d'entrée agencées pour définir un distributeur d'entrée de turbine. Les aubes directrices d'entrée sont soumises à un écoulement de gaz chaud qui provoque une dilatation thermique. En général, les aubes directrices d'entrée sont supportées de manière rigide, de telle sorte que la dilatation thermique produise une contrainte thermique significative au sein des aubes directrices. Pour s'adapter à la contrainte thermique, les aubes directrices d'entrée comprennent des bords de fuite relativement épais. De plus, les aubes sont soumises à une inspection périodique, une maintenance et un remplacement final plus fréquents.
La présente invention se propose ainsi de résoudre ces problèmes.
Plus précisément, la présente invention se rapporte à un moteur à microturbine comprenant: - un compresseur créant un écoulement d'air comprimé, - un récupérateur préchauffant l'écoulement d'air 10 comprimé, une section de chambre de combustion mélangeant l'air comprimé préchauffé avec un combustible et faisant entrer en combustion le mélange pour créer un écoulement de produits de combustion, - une turbine à écoulement radial ayant des aubes de turbine et supportée en rotation autour d'un axe longitudinal, - une enveloppe de renforcement de turbine entourant la turbine, - une volute de turbine entourant l'enveloppe de turbine, - un organe de support, - une entrée définie entre l'organe de support et l'enveloppe de turbine et communiquant entre l'intérieur de la volute de turbine et l'intérieur de l'enveloppe de turbine, - une pluralité d'aubes directrices d'entrée disposées dans l'entrée et adaptées pour diriger l'écoulement de fluide, de sorte à heurter les aubes de turbine, - une pluralité d'organes élastiques, - une pluralité de vis ayant chacune une tête de vis et s'étendant chacune à travers l'enveloppe de turbine, l'une des aubes directrices, l'organe de support, et l'un des organes élastiques, et - un écrou vissé sur chaque vis pour bloquer l'enveloppe de turbine, les aubes directrices, l'organe de support, et l'organe élastique dans un espace défini entre l'écrou et la tête de vis, dans lequel: - les produits de combustion entrent dans la volute de turbine dans une direction sensiblement perpendiculaire à l'axe longitudinal de la turbine, - les produits de combustion entrent dans l'entrée, provoquent la rotation de la turbine, et sortent de l'enveloppe de turbine sous forme d'écoulement de gaz d'échappement dans une direction généralement parallèle à l'axe longitudinal de la turbine, - les aubes directrices, la turbine, et l'enveloppe de turbine se dilatent suite à leur 20 réchauffement par les produits de combustion, - les organes élastiques se déforment pour s'adapter au moins partiellement à une telle dilatation thermique, et - l'écoulement des gaz d'échappement s'écoule à 25 travers le récupérateur pour préchauffer l'air comprimé.
Selon des modes préférés de réalisation de la présente invention: l'organe élastique comprend un ressort de 30 compression autour de la vis et entre l'écrou et l'organe de support; - l'organe élastique comprend une pluralité de rondelles Belleville autour de la vis et entre l'écrou et l'organe de support; - l'écrou est serré sur la vis pour précontraindre l'organe élastique avec une force de compression et pour précontraindre la vis avec une force de traction; - pendant un fonctionnement ordinaire du moteur, l'organe élastique subit une dilatation thermique suffisante pour empêcher la vis d'atteindre sa limite élastique, - les vis sont agencées selon un motif généralement circulaire sensiblement centré autour de l'axe longitudinal de la turbine; - l'enveloppe de turbine comprend une section sensiblement conique ayant un axe longitudinal sensiblement colinéaire avec l'axe longitudinal de la turbine, et une lèvre s'étendant pratiquement perpendiculairement à l'axe longitudinal et définissant un anneau à travers lequel les vis passent sensiblement parallèlement à l'axe longitudinal; - le moteur comprend en outre une interface antirotation entre chaque aube directrice d'entrée et l'organe de support pour résister à la rotation de l'aube directrice d'entrée autour de la vis; l'interface anti-rotation comprend une protubérance sur chaque aube directrice d'entrée et un évidement dans l'organe de support caractérisé en ce que chaque protubérance est reçue; La présente invention se rapporte également à une 30 turbine à écoulement radial comprenant: un rotor comprenant une pluralité d'aubes définissant une entrée, une sortie et une voie d'écoulement entre ces dernières, - une enveloppe positionnée pour couvrir au moins 5 une partie de la voie d'écoulement, - un logement positionné pour supporter au moins partiellement le rotor pour une rotation autour d'un axe de rotation, le logement définissant au moins partiellement une chambre pour la réception d'un écoulement de produits de combustion, et - une pluralité d'assemblages d'aubes directrices de turbine positionnés pour assurer une communication de fluide entre la chambre et l'entrée, chacun de la pluralité d'assemblages d'aubes directrices de turbine étant positionné adjacent à un autre assemblage d'aubes directrices de turbine pour définir au moins partiellement l'une d'une pluralité de voies d'écoulement convergentes, chaque assemblage d'aubes directrices de turbine comprenant: * une aube directrice positionnée entre l'enveloppe et le logement et comprenant une ouverture au travers, * une vis mise en prise avec l'enveloppe et s'étendant à travers l'ouverture pour prendre en sandwich l'aube directrice entre l'enveloppe et le logement, et * un organe élastique ayant une raideur inférieure à la vis et coopérant avec la vis pour appliquer une force de compression à l'aube directrice.
Selon des modes de réalisation préférés de cette variante: - l'enveloppe comprend une partie d'entrée qui est sensiblement perpendiculaire à l'axe de rotation, la partie d'entrée étant adaptée pour mettre en prise les aubes directrices; - le logement comprend un organe de support et une volute, l'organe de support, la volute et l'enveloppe coopérant pour définir au moins partiellement la chambre; - les aubes directrices sont prises en sandwich 10 entre l'organe de support et l'enveloppe; - la vis comprend une première partie de goupille de positionnement et une seconde partie de goupille de positionnement, et la première partie de goupille de positionnement est dimensionnée pour mettre en prise l'aube directrice et le logement, et la seconde partie de goupille de positionnement est dimensionnée pour mettre en prise l'aube directrice et l'enveloppe pour positionner l'aube directrice; - l'organe élastique comprend un ressort; l'organe élastique comprend une pluralité de rondelles Belleville agencées pour définir un ressort; - l'organe élastique est disposé entre un écrou enfilé à l'extrémité de la vis et le logement, et la vis comprime l'organe élastique pour appliquer la force de compression à l'aube directrice; L'invention se rapporte en outre à un procédé d'assemblage d'une turbine à écoulement radial pour s'adapter à une croissance thermique différentielle d'un aubage distributeur de la turbine à écoulement radial, le procédé comprenant les étapes suivantes: - supporter un rotor de turbine dans un logement de turbine pour une rotation autour d'un axe de rotation, le rotor de turbine définissant une entrée, une sortie, et une voie d'écoulement entre ces dernières, - positionner une enveloppe adjacente à la voie d'écoulement, l'enveloppe coopérant avec le logement pour définir au moins partiellement une chambre pour la réception d'un écoulement de produits de combustion, - agencer une pluralité d'aubages de distributeur de turbine pour définir une pluralité de voies d'écoulement convergentes, de sorte à assurer une communication de fluide entre la chambre et 1' entrée.
- mettre sous contrainte une pluralité de vis, chaque vis correspondant à l'un des aubages distributeurs pour prendre en sandwich chacun de la pluralité d'aubages distributeurs entre l'enveloppe et le logement, et positionner une pluralité d'organes élastiques, chaque organe élastique correspondant à l'une des vis, de telle sorte que chacune de la pluralité de vis comprime l'organe élastique correspondant et l'organe élastique applique une force de compression à l'aubage distributeur de turbine correspondant.
Avantageusement, l'étape de positionnement comprend en outre l'agencement d'une pluralité de rondelles Belleville sur la vis pour définir au moins partiellement l'organe élastique.
De préférence, le procédé comprend en outre le chauffage des aubes directrices avec l'écoulement de produits de combustion, de telle sorte que les aubes directrices se dilatent therm:iquement, et engendrent en outre la compression de l'organe élastique en réponse à la dilatation thermique des aubes directrices.
D'autres caractéristiques et d'autres aspects de la présente invention vont devenir plus apparents à l'étude de la description détaillée qui suit, faite en référence aux dessins annexés dans lesquels: - la figure 1, une vue en perspective d'une partie d'un moteur à microturbine, - la figure 2, une vue en coupe de la partie turbine-compresseur- générateur du moteur de la figure 1, - la figure 3, une vue agrandie d'une partie de la partie de turbine, - la figure 4, une vue en perspective d'un support d'aubage distributeur de turbine, - la figure 5, une vue d'extrémité d'un aubage distributeur de turbine, - la figure 6, une vue latérale d'un aubage 20 distributeur de turbine de la figure 5, - la figure 7, une vue latérale d'une vis, - la figure 8, une vue en coupe agrandie d'un assemblage d'un aubage distributeur de turbine de la figure 3, et - la figure 9, une vue en coupe d'une partie de l'assemblage d'un aubage distributeur de turbine pris le long de la ligne 9-9 de la figure 3.
Avant qu'un quelconque mode de réalisation de l'invention soit expliqué, il doit être compris que l'invention n'est pas limitée dans son application aux détails de construction et aux agencements de composants indiqués dans la description suivante ou illustrés dans les dessins suivants. L'invention est susceptible de mettre en oeuvre d'autres modes de réalisation et d'être mise en pratique ou d'être réalisée de diverses manières.
La figure 1 illustre un système de moteur à microturbine 10 qui comprend une section de turbine 15, une section de générateur 20 et un système de commande 25. La section de turbine 15 comprend une turbine à écoulement radial 35, un compresseur 45, un récupérateur 50 et une chambre de combustion 55. Le récupérateur 50 peut être du type ailette-plaque avec la chambre de combustion 55 dans le collecteur d'admission tel que décrit dans le brevet US n 5 450 724, dont le contenu entier est incorporé par référence.
Le moteur 10 comprend une turbine à gaz à cycle de Brayton standard avec le récupérateur 50 ajouté pour améliorer le rendement du moteur. Le moteur montré est un réacteur simple corps (un ensemble d'éléments rotatifs). Toutefois, des réacteurs multi-corps sont également envisagés par l'invention. Le compresseur 45 est un compresseur de type centrifuge ayant un rotor 56 de compresseur qui tourne en réponse au fonctionnement de la turbine 35. Le compresseur 45 montré est un compresseur à un seul étage. Toutefois, des compresseurs à étages multiples peuvent être employés lorsqu'un rapport de pression supérieur est souhaité. En variante, des compresseurs de conception différente (par exemple les compresseurs à écoulement axial, les compresseurs à pistons et similaire) peuvent être employés pour délivrer de l'air comprimé au moteur.
La turbine 35 est une turbine à un seul étage à écoulement radial ayant un rotor 57 de turbine directement couplé au rotor 56 du compresseur. Dans d'autres constructions, des turbines à étages multiples ou d'autres types de turbines peuvent être employés. Les rotors 56 et 57 couplés de la turbine 35 et du compresseur 45 mettent en prise la section du générateur 20 par l'intermédiaire d'une boîte à engrenages 60.
Le récupérateur 50 comprend un échangeur de chaleur employé pour transférer de la chaleur d'un fluide chaud à l'air comprimé relativement froid quittant le compresseur 45. Un récupérateur 50 approprié est décrit dans le brevet US n 5 983 992 entièrement incorporé ici par référence. Le récupérateur 50 comprend une pluralité de cellules d'échange de chaleur empilées au sommet les unes des autres pour définir des voies d'écoulement entre elles. L'air comprimé froid s'écoule au sein des cellules individuelles, tandis qu'un écoulement de gaz d'échappement chaud passe entre les cellules d'échange de chaleur.
Pendant le fonctionnement du système de moteur à microturbine 10, le rotor 56 du compresseur tourne en réponse à la rotation du rotor 57 de la turbine. Le compresseur 45 aspire de l'air atmosphérique et augmente sa pression. L'air sous pression élevée sort du compresseur à air 45 et s'écoule vers le récupérateur 50.
L'écoulement d'air comprimé, à présent préchauffé au sein du récupérateur 50, s'écoule vers la chambre de combustion 55 sous forme d'écoulement d'air préchauffé. L'air préchauffé se mélange avec une alimentation de combustible au sein de la chambre de combustion 55 et entre en combustion pour produire un écoulement de produits de combustion. L'utilisation d'un récupérateur 50 pour préchauffer l'air permet l'utilisation de moins de combustible pour atteindre la température souhaitée au sein de l'écoulement de produits de combustion, améliorant ainsi le rendement du moteur.
L'écoulement de produits de combustion entre dans la turbine 35 et transfère l'énergie thermique et cinétique à la turbine 35. Le transfert d'énergie aboutit à la rotation du rotor 57 de la turbine et à une chute de la température des produits de combustion. Le transfert d'énergie permet à la turbine 35 d'entraîner à la fois le compresseur 45 et le générateur 20. Les produits de combustion sortent de la turbine 35 sous forme d'un premier écoulement de gaz d'échappement.
Dans les constructions qui emploient une seconde turbine, la première turbine 35 n'entraîne que le compresseur, tandis que la seconde turbine entraîne le générateur 20 ou tout autre dispositif à entraîner. La seconde turbine reçoit le premier écoulement d'échappement, tourne en réponse à l'écoulement des gaz d'échappement au travers, et décharge un second écoulement d'échappement.
Le premier écoulement d'échappement, ou second écoulement d'échappement dans les deux moteurs à turbine, entre dans les zones d'écoulement entre les cellules d'échange de chaleur du récupérateur 50 et transfère de l'énergie thermique en excès à l'écoulement d'air comprimé. Les gaz d'échappement sortent ensuite du récupérateur 50 et sont évacués dans l'atmosphère, traités ou davantage utilisés comme souhaité (par exemple une cogénération utilisant un second échangeur de chaleur).
En passant à la figure 2, la partie du moteur de la figure 1 qui comprend le générateur 20, la turbine 35, le compresseur 45 et la boîte à engrenages 60 est illustrée. Les composants sont agencés et couplés les uns aux autres, de telle sorte que la turbine 35, le compresseur 45 et le générateur 20 tournent autour d'un axe commun A-A. Dans d'autres constructions, le générateur 20 peut être décalé de telle sorte qu'il tourne autour d'un axe différent de celui de la turbine 35 et du compresseur 45.
La turbine 35, mieux illustrée sur la figure 3, comprend le rotor 57 de turbine, un logement 65 de turbine, une volute 70, une enveloppe 75, un support 80 d'aubage distributeur de turbine, et une pluralité d'assemblages 85 d'aubages de distributeurs. Le rotor 57 de la turbine comprend un corps 90 de rotor qui supporte une pluralité d'ailettes 95 de rotor. Dans la plupart des constructions, le corps 90 de rotor et les ailettes 95 de rotor sont fabriqués à partir d'une pièce unique de matériau. Toutefois, d'autres constructions peuvent employer des ailettes 95 de rotor qui sont fixées aux corps 90 de rotor (par exemple par soudure, pas agencement de crochets et emplantures, ou similaire). Les ailettes 95 de rotor sont positionnées pour définir une extrémité d'entrée 100 et une extrémité de sortie 105. L'extrémité d'entrée 100 reçoit l'écoulement de produits de combustion adjacent au diamètre le plus grand du rotor 57. Les ailettes 95 guident et redirigent l'écoulement de produits de combustion le long de la longueur du rotor 57. L'écoulement est ensuite évacué de l'extrémité de sortie 105 du rotor 57 le long de voies qui sont sensiblement parallèles à l'axe de rotation A-A.
L'enveloppe 75 comprend une partie d'entrée 110, une partie arquée 115, et une partie de diffusion 120. La partie arquée 115 est disposée de manière adjacente au diamètre externe des ailettes 95 du rotor et suit soigneusement le contour défini par le diamètre externe des ailettes 95 du rotor. Ainsi, l'enveloppe 75 coopère avec le corps 90 du rotor pour enfermer sensiblement les voies d'écoulement définies entre les ailettes 95 de rotor adjacentes et s'étendant entre l'extrémité d'entrée 100 du rotor et l'extrémité de sortie 105 du rotor. Avec l'enveloppe 75 dans la position souhaitée, les produits de combustion sont généralement forcés à suivre les voies d'écoulement définies entre les ailettes 95 adjacentes, peu de fuite (comparé à l'écoulement à travers les voies) s'échappant.
Un cône 125 de diffusion positionné le long de l'axe de rotation A-A en aval de l'extrémité de sortie 105 de la turbine coopère avec la partie de diffusion 120 de l'enveloppe 75 pour définir au moins partiellement un diffuseur 130. Les parois du diffuseur divergent progressivement l'une de l'autre pour décélérer efficacement les gaz d'échappement sortant des voies d'écoulement entre les ailettes 95 adjacentes. Dans certains moteurs, une partie de diffusion additionnelle s'attache à la turbine 35 et réduit davantage la vitesse d'écoulement du gaz d'échappement.
Le support 80 d'aubage distributeur de turbine ( NGV ci-après), illustré sur la figure 4, est couplé au logement 65 de la turbine. Le support NGV 80 comprend une première surface plane 135 qui est sensiblement perpendiculaire à l'axe de rotation A-A et comprend une pluralité d'ouvertures 140. Le support NGV 80 comprend également une seconde surface plane 145 qui est sensiblement parallèle à la première surface plane 135. La seconde surface plane 145 comprend une pluralité d'ouvertures circulaires 150 et une pluralité d'ouvertures ovales ou rectangulaires 155.
Chacun des assemblages 85 d'aubages distributeur de turbine (NGV), dont l'un est illustré sur les figures 3 et 8, comprend une aube 160. Les aubes 160 sont agencées pour définir des voies d'écoulement convergentes 165, ou buses (montrées sur la figure 9) qui ont un orifice d'entrée 170 et un orifice de sortie 175. L'écoulement des produits de combustion entre dans les voies d'écoulement convergentes 165 au niveau de l'orifice d'entrée 170. Au fur et à mesure que l'écoulement se produit à travers la voie d'écoulement convergente 165, l'air d'écoulement se rétrécissant accélère et redirige l'écoulement, de telle sorte que l'écoulement a une composante d'écoulement radiale et une composante d'écoulement tangentielle par rapport au rotor 57 de la turbine stationnaire. Les aubes 160 sont positionnées pour définir des voies d'écoulement convergentes 165, orientées de telle sorte que l'écoulement sortant de l'orifice de sortie 175 des voies d'écoulement se déplace dans une direction sensiblement radiale par rapport au rotor 57 de la turbine lorsque le rotor 57 est à sa vitesse de fonctionnement normale. La construction illustrée ici établit une buse convergente. D'autres constructions peuvent définir des buses convergentes-divergentes pour atteindre des vitesses d'écoulement supérieures.
Chaque assemblage 85 d'aubage distributeur de turbine comprend l'aube 160, une vis 180, une douille 185, un organe élastique 190, une rondelle 195 et un écrou 200. L'aube 160, illustrée sur les figures 5 et 6, est un organe aérodynamique ayant un côté de pression 205 et un côté d'aspiration 210. Chaque aube 160 coopère avec les aubes adjacentes 160, de telle sorte qu'un côté sous pression 205 est disposé à l'opposé d'un côté d'aspiration 210 pour définir l'une des voies d'écoulement convergent 165 entre eux. Dans la plupart des cas, chaque aube 160 définit au moins partiellement deux voies d'écoulement 165. Chaque aube 160 comprend également une première surface plane 215, une seconde surface plane 220, une ouverture 225 qui s'étend de la première surface plane 215 à la seconde surface plane 220, et un organe clé 230. Comme montré sur la figure 5, l'organe clé 230 comprend une protubérance sensiblement rectangulaire qui s'étend à partir de la première surface plane 215. Bien entendu, d'autres constructions peuvent employer d'autres formes (par exemple, carrée, triangulaire, ovale, polygonale et similaire) pour définir les organes clés 230.
Les aubes 160 sont positionnées entre la partie d'entrée 110 de l'enveloppe 75 et la seconde surface plane 145 du support NGV 80. La première surface plane 215 de chaque aube 165 met en prise la seconde surface plane 145, de telle sorte que l'organe clé 230 met en prise l'ouverture ovale 155 et l'ouverture 225 d'aube s'aligne avec l'ouverture circulaire 150. Avec l'ouverture 225 d'aube et l'ouverture circulaire 150 alignée et l'organe clé 230 mis en prise avec l'ouverture ovale 155, la position et l'orientation de chaque aube 165 sont sensiblement fixées par rapport aux aubes restantes 165. L'homme du métier réalisera que l'ouverture ovale 155 doit être formée pour recevoir l'organe clé 230, sans se soucier de la forme de l'organe clé 230. En tant que telle, la forme effective de l'ouverture ovale 155 peut varier grandement.
La seconde surface plane 220 de chaque aube 165 met en prise la partie d'entrée 110 de l'enveloppe 75. La partie d'entrée 110 comprend une pluralité d'ouvertures circulaires 235 qui s'alignent avec chaque ouverture 225 d'aube. De cette manière, une ouverture circulaire continue s'étend à travers la partie d'entrée 110 de l'enveloppe 75, de la vanne 115 et du support NGV 80.
La vis 180, illustrée sur la figure 7, comprend une tête 240 au niveau d'une extrémité et une partie filetée 245 au niveau de l'extrémité opposée. Entre la tête 240 et la partie filetée 245 se trouvent deux parties de goupilles de positionnement 250 et 255 qui ont un diamètre plus important que la partie filetée 245 de la vis 180. La vis:L80 est dimensionnée pour passer à travers l'ouverture circulaire continue, de telle sorte que la tête 240 met en prise la partie d'entrée 110 de l'enveloppe 75 et la partie filetée 245 s'étend au-delà de l'ouverture circulaire 150 du support NGV 80. La première partie de goupille de positionnement 250 est espacée d'une distance de la tête 240, de telle sorte que la goupille de positionnement 250 s'aligne avec l'interface entre le support 80 d'aubage distributeur de turbine et la première surface plane 215 de l'aube 165. La seconde partie de goupille de positionnement 255 est espacée d'une distance de la tête 240, de telle sorte que la goupille de positionnement 255 s'aligne avec l'interface entre la partie d'entrée 110 de l'enveloppe 75 et la seconde surface plane 220 de l'aube 165. Les parties de goupille de positionnement 250 et 255 coopèrent ainsi avec l'organe clé 230 et l'ouverture ovale 155, pour maintenir l'aube 165 en alignement correct et dans la position correcte par rapport aux autres aubes 165 et au rotor 57 de la turbine.
En référence à la figure 8, l'agencement du reste de l'un des assemblages NGV 85 est mieux illustré. La douille 185 comprend une partie de douilleentretoise 260, une partie de support 265 et une partie de guide 270. La partie de guide 270 définit un alésage qui reçoit la vis 180 et aligne sensiblement la douille 185 le long de la ligne centrale axiale de la vis 180.
La partie de douille-entretoise 260 met en prise le support NGV 80 et espace la partie de support 265 d'une distance du support NGV 80. La partie de support 265 définit une surface plane qui supporte l'organe élastique 190.
La construction illustrée sur la figure 8 emploie une pluralité de rondelles Belleville 275 empilées au sommet les unes des autres pour définir l'organe élastique 190. D'autres constructions peuvent employer d'autres composants en tant qu'organe élastique 190 (par exemple un ressort à boudin, un ressort à lame, un matériau solide compressible et similaire). Toutefois les rondelles Belleville 275 sont bien appropriées à la présente demande pour plusieurs raisons. Les rondelles 275 peuvent être facilement fabriquées à partir de matériaux bien appropriés à un environnement à haute température. En outre, l'épaisseur des rondelles 275 peut être changée pour faire varier la constante de raideur de l'organe élastique 190. Par ailleurs, plus ou moins de rondelles 275 peuvent être utilisées pour augmenter ou diminuer facilement la longueur de l'organe élastique 190 si nécessaire.
Pour compléter chaque assemblage NGV 85, la rondelle 195 est placée sur la vis 180, de telle sorte que la rondelle 195 met en prise la rondelle Belleville finale 275 et l'écrou 200 est enfilé sur la vis 180.
L'écrou 200 est un écrou autofreiné qui ne se desserrera pas facilement pendant le fonctionnement du moteur 10. Dans d'autres constructions, d'autres moyens verrouillants tels que des rondelles d'arrêt, des goupilles, des contre-écrous, des fils de frettage, des vis sans tête et similaire sont utilisés pour s'assurer que l'écrou 200 ne se desserre pas pendant le fonctionnement du moteur.
La volute 70 comprend un logement à paroi relativement fine qui définit un orifice d'entrée 280 positionné pour recevoir l'écoulement de produits de combustion de la chambre de combustion et diriger cet écoulement vers les assemblages 85 d'aubages distributeurs de turbine. La volute 70 coopère avec l'enveloppe 75 pour définir au moins partiellement une chambre annulaire 285 qui entoure le diffuseur 130 et le rotor 55 de la turbine. Les produits de combustion entrent dans la chambre annulaire 285 au sein de la volute 70, puis sont dirigés à travers les assemblages 85 d'aubages distributeur de turbine et le rotor 57 de la turbine.
Un pied de support 290 disposé adjacent à une extrémité de sortie de la volute 70 supporte une extrémité de la volute 70. Le pied de support 290 est formé comme partie de la volute 70 ou attaché à la volute 70 (par exemple soudé, riveté, boulonné et similaire) pour supporter l'extrémitéde sortie. Le pied de support 290 est fixé également à l'enveloppe 75 et est assez flexible pour se déplacer en réponse aux forces créées par des conditions différentielles de température et de pression qui surviennent pendant le fonctionnement du moteur. Toute croissance différentielle entre l'enveloppe 75 et la volute 70 est amortie par la déformation de la volute 70, et en particulier le pied de support 290, plutôt qu'une augmentation de contrainte au sein des composants 70 et 75. L'extrémité opposée de la volute 70 met en prise la première surface plane 135 du support NGV 80 pour achever de former la chambre annulaire 285. Ainsi, l'assemblage NGV 85, l'enveloppe 75, la volute 70 et le support NGV 80 coopèrent pour définir la chambre annulaire 285 sensiblement fermée avec seulement un orifice de sortie significatif. L'orifice de sortie significatif dirige l'écoulement à travers les assemblages 85 d'aubages distributeurs de turbine et le rotor 57 de la turbine. Il devrait être noté que les composants qui constituent la chambre annulaire 285 ne forment pas une chambre étanche à l'air ou étanche à la pression. Tels quels, des produits chauds de combustion passent à travers des parties de la chambre annulaire 285 comprenant la zone autour des assemblages NGV 85. En fait, certaines constructions peuvent former des ouvertures 295 à travers le support NGV 80 pour diriger de l'air de refroidissement à partir de l'espace entre le support NGV 80 et le logement 65 de la turbine. Tels quels, tous les composants décrits ici peuvent être soumis à de hautes températures pendant le fonctionnement du moteur.
Pour assembler les composants de la turbine 35, les aubes 160 sont positionnées entre l'enveloppe 75 et le support NGV 80, de telle sorte que les organes clés 230 mettent en prise les ouvertures ovales 155.
Les vis 180 sont ensuite insérées à travers l'enveloppe 75, les aubes 160, le support; NGV 80, les douilles 185, les organes élastiques 190 et les rondelles 195. Les écrous 200 sont ensuite enfilés sur les vis 180 pour établir une force de compression approximativement égale au produit de la constante de rappel des organes élastiques 190 et de la déviation des organes élastiques 190. La force de compression est appliquée à l'enveloppe 75 et au support NGV 80 pour comprimer et retenir les aubes de distributeur de turbine 160. La volute 70 est ensuite boulonnée au support NGV 80 et à l'enveloppe 75. Il devrait être noté que la description précédente du procédé d'assemblage ne devrait pas être lue comme limitant le dispositif à l'assemblage dans l'ordre décrit puisque différentes constructions peuvent être assemblées dans différents ordres.
En fonctionnement, la chambre de combustion 55 délivre l'écoulement de produits de combustion à la chambre annulaire 285. Les produits de combustion ont typiquement une température en excès de 1200 F pendant le fonctionnement normal, des températures supérieures ou inférieures étant possibles. Tels quels, les composants exposés à cet écoulement sont de préférence fabriqués à partir d'alliages appropriés à haute température (par exemple l' Hastelloy X , l' Inconel , les alliages à base de nickel et similaire). De plus, les composants sont soumis à des changements de température importants et rapides qui induisent une dilatation thermique qui, si elle n'est pas prise en compte, peut entraîner une contrainte élevée et endommager les composants de la turbine 35.
Les produits de combustion au sein de la chambre annulaire 285 sont dirigés à travers les voies d'écoulement convergentes 165 définies par la pluralité d'aubes de distributeur de turbine 160. Les voies d'écoulement convergentes 165 accélèrent l'écoulement, ce qui a l'effet d'augmenter le transfert de chaleur entre l'écoulement et les aubes 160. Tel quel, l'écoulement des produits de combustion à travers les voies d'écoulement chauffe rapidement les aubes 160 jusqu'à ce qu'elles concordent sensiblement avec la température des produits de combustion. Cette augmentation de température rapide entraîne une dilatation thermique rapide des aubes 160. Toutefois, les vis 180 disposées au sein des aubes directrices 160 sont sensiblement isolées de l'écoulement des produits de combustion. Telles quelles, les vis 180 chauffent plus lentement. Ceci, conjointement avec toute variation de matériau (à savoir différents matériaux ayant différents coefficients de dilatation thermique) aboutit à une dilatation thermique différente entre les composants 160 et 180.
Puisque les aubes 160 se dilatent dans la direction axiale, elles poussent l'enveloppe 75 dans la direction axiale vers l'orifice de sortie de la turbine 35. Ce déplacement axial est amorti par la déviation du pied de support 290 de la volute 70. Le déplacement de l'enveloppe 75 entraîne également un mouvement de la position de la tête 240 de la vis 180. Ce déplacement est amorti par une compression supplémentaire de l'organe élastique 190. Ainsi, les aubes 160 sont libres de se dilater dans la direction axiale avec seulement une légère augmentation de la force de compression appliquée par la vis 180. La force accrue est sensiblement égale au produit de la quantité de la dilatation thermique et de la constante de rappel (à savoir la rigidité) de l'organe élastique 190.
Dans des assemblages précédents d'aubages distributeurs de turbine, les aubes étaient supportées de manière rigide et ne pouvaient pas se dilater librement. Ainsi, la dilatation thermique produisait une force de compression importante dans les aubes. Dans certains cas, cette force de compression pouvait aboutir à une fissuration des aubes qui requerrait une aube plus robuste et raccourcirait la durée de vie des aubes.
La présente invention permet l'utilisation d'aubes plus fines 160, qui améliorent le rendement du distributeur, tout en étendant encore la durée de vie opérationnelle des assemblages 85 d'aubes de distributeur de turbine.
Il devrait être noté que le fonctionnement du présent système a été décrit pendant un événement de chauffage rapide. Toutefois, il devrait être compris que le présent système s'adapte à un rétrécissement rapide qui peut se produire pendant des événements de refroidissement soudains (par exemple des réductions de charge rapides). Telle quelle, l'invention ne devrait pas être limitée à des applications qui sont soumises uniquement à des événements de chauffage rapide.
Bien entendu, l'invention n'est pas limitée aux exemples de réalisation ci-dessus décrits et représentés, à partir desquels on pourra prévoir d'autres modes et d'autres formes de réalisation, sans pour autant sortir du cadre de l'invention.

Claims (20)

REVENDICATIONS
1. Moteur à microturbine (10) comprenant: - un compresseur créant un écoulement d'air comprimé ; - un récupérateur préchauffant l'écoulement d'air 5 comprimé ; une section de chambre de combustion (55) mélangeant l'air comprimé préchauffé avec un combustible et faisant entrer en combustion le mélange pour créer un écoulement de produits de combustion; - une turbine à écoulement radial (35) ayant des aubes de turbine et supportée en rotation autour d'un axe longitudinal; - une enveloppe (75) de renforcement de turbine entourant la turbine; - une volute (70) de turbine entourant l'enveloppe (75) de turbine; - un organe de support; une entrée (170) définie entre l'organe de support et l'enveloppe (75) de turbine et communiquant 20 entre l'intérieur de la volute (70) de turbine et l'intérieur de l'enveloppe (75) de turbine; une pluralité d'aubes directrices d'entrée disposées dans l'entrée (170) et adaptées pour diriger l'écoulement de fluide de sorte à heurter les aubes de 25 turbine; - une pluralité d'organes élastiques; - une pluralité de vis (180) ayant chacune une tête de vis et s'étendant chacune à travers l'enveloppe (75) de turbine, l'une des aubes directrices, l'organe de support, et l'un des organes élastiques; et - un écrou vissé sur chaque vis (180) pour bloquer l'enveloppe (75) de turbine, les aubes directrices, l'organe de support, et l'organe élastique (190) dans un espace défini entre l'écrou et la tête de vis; caractérisé en ce que: - les produits de combustion entrent dans la volute (70) de turbine dans une direction sensiblement perpendiculaire à l'axe longitudinal de la turbine; - les produits de combustion entrent dans l'entrée, provoquent la rotation de la turbine, et sortent de l'enveloppe (75) de turbine sous forme d'écoulement de gaz d'échappement dans une direction généralement parallèle à l'axe longitudinal de la turbine; - les aubes directrices, la turbine, et l'enveloppe (75) de turbine se dilatent suite à leur réchauffement par les produits de combustion; - les organes élastiques se déforment pour s'adapter au moins partiellement à une telle dilatation thermique; et - l'écoulement des gaz d'échappement s'écoule à travers le récupérateur pour préchauffer l'air comprimé.
2. Moteur (10) selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'organe élastique (190) comprend un ressort de compression autour de la vis (180) et entre l'écrou et l'organe de support.
3. Moteur (10) selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'organe élastique (190) comprend une pluralité de rondelles Belleville (275) autour de la vis (180) et entre l'écrou et l'organe de support.
4. Moteur (10) selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'écrou est serré sur la vis (180) pour précontraindre l'organe élastique (190) avec une force de compression et pour précontraindre la vis (180) avec une force de traction.
5. Moteur (10) selon la revendication 1, caractérisé en ce que, pendant un fonctionnement ordinaire du moteur (10), l'organe élastique (190) subit une dilatation thermique suffisante pour empêcher la vis (180) d'atteindre sa limite élastique.
6. Moteur (10) selon la revendication 1, caractérisé en ce que les vis (180) sont agencées selon un motif sensiblement circulaire sensiblement centré autour de l'axe longitudinal de la turbine.
7. Moteur (10) selon la revendication 6, caractérisé en ce que l'enveloppe (75) de turbine comprend une section sensiblement conique ayant un axe longitudinal sensiblement colinéaire avec l'axe longitudinal de la turbine, et une lèvre s'étendant pratiquement perpendiculairement à l'axe longitudinal et définissant un anneau à travers lequel les vis (180) passent sensiblement parallèlement à l'axe longitudinal.
8. Moteur (10) selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comprend en outre une interface anti-rotation entre chaque aube directrice d'entrée et l'organe de support pour résister à la rotation de l'aube directrice d'entrée autour de la vis (180).
9. Moteur (10) selon la revendication 8, caractérisé en ce que l'interface anti-rotation comprend une protubérance sur chaque aube directrice d'entrée et un évidement dans l'organe de support caractérisé en ce que chaque protubérance est reçue.
10. Turbine à écoulement radial (35), caractérisée en ce qu'elle comprend: un rotor comprenant une pluralité d'aubes définissant une entrée, une sortie et une voie 10 d'écoulement entre ces dernières; - une enveloppe (75) positionnée pour couvrir au moins une partie de la voie d'écoulement; - un logement positionné pour supporter au moins partiellement le rotor pour une rotation autour d'un axe de rotation, le logement définissant au moins partiellement une chambre pour la réception d'un écoulement de produits de combustion; et - une pluralité d'assemblages (85) d'aubes directrices de turbine positionnés pour assurer une communication de fluide entre la chambre et l'entrée, chacun de la pluralité d'assemblages (85) d'aubes directrices de turbine étant positionné adjacent à un autre assemblage d'aubes directrices de turbine pour définir au moins partiellement l'une d'une pluralité de voies d'écoulement convergentes, chaque assemblage d'aubes directrices de turbine comprenant: - une aube directrice positionnée entre l'enveloppe (75) et le logement et comprenant une ouverture au travers; - une vis (180) mise en prise avec l'enveloppe (75) et s'étendant à travers l'ouverture pour prendre en sandwich l'aube directrice entre l'enveloppe (75) et le logement; et - un organe élastique (190) ayant une raideur inférieure à la vis (180) et coopérant avec la vis 5 (180) pour appliquer une force de compression à l'aube directrice.
11. Turbine à écoulement radial (35) selon la revendication 10, caractérisée en ce que l'enveloppe (75) comprend une partie d'entrée (110) qui est sensiblement perpendiculaire à l'axe de rotation, la partie d'entrée (110) étant adaptée pour mettre en prise les aubes directrices.
12. Turbine à écoulement radial (35) selon la revendication 10, caractérisée en ce que le logement comprend un organe de support et une volute (70), l'organe de support, la volute (70) et l'enveloppe (75) coopérant pour définir au moins partiellement la chambre.
13. Turbine à écoulement radial (35) selon la 20 revendication 10, caractérisée en ce que les aubes sont prises en sandwich entre l'organe de support et l'enveloppe (75).
14. Turbine à écoulement radial (35) selon la revendication 10, caractérisée en ce que la vis (180) comprend une première partie de goupille de positionnement (250) et une seconde partie de goupille de positionnement (255), et en ce que la première partie de goupille de positionnement (250) est dimensionnée pour mettre en prise l'aube directrice et le logement et la seconde partie de goupille de positionnement (255) est dimensionnée pour mettre en prise l'aube directrice et l'enveloppe (75) pour positionner l'aube directrice.
15. Turbine à écoulement radial (35) selon la revendication 10, caractérisée en ce que l'organe 5 élastique (190) comprend un ressort.
16 Turbine à écoulement radial (35) selon la revendication 10, caractérisée en ce que l'organe élastique (190) comprend une pluralité de rondelles Belleville (275) agencées pour définir un ressort.
17. Turbine à écoulement radial (35) selon la revendication 10, caractérisée en ce que l'organe élastique (190) est disposé entre un écrou enfilé à l'extrémité de la vis (180) et le logement, et en ce que la vis (180) comprime l'organe élastique (190) pour appliquer la force de compression à l'aube directrice.
18. Procédé d'assemblage d'une turbine à écoulement radial (35) pour s'adapter à une croissance thermique différentielle d'un aubage distributeur de la turbine à écoulement radial (35), caractérisé en ce que le procédé comprend les étapes suivantes: - supporter un rotor de turbine dans un logement (65) de turbine pour une rotation autour d'un axe de rotation, le rotor de turbine définissant une entrée, une sortie, et une voie d'écoulement entre ces dernières; - positionner une enveloppe (75) adjacente à la voie d'écoulement, l'enveloppe (75) coopérant avec le logement pour définir au moins partiellement une chambre pour la réception d'un écoulement de produits de combustion; - agencer une pluralité d'aubages distributeurs de turbine pour définir une pluralité de voies d'écoulement convergentes, de sorte à assurer une communication de fluide entre la chambre et l'entrée (170) ; - mettre sous contrainte une pluralité de vis (180), chaque vis (180) correspondant à l'un des aubages distributeurs pour prendre en sandwich chacun de la pluralité d'aubages distributeurs entre l'enveloppe (75) et le logement; et - positionner une pluralité d'organes élastiques, chaque organe élastique (190) correspondant à l'une des vis (180) de telle sorte que chacune de la pluralité de vis (180), comprime l'organe élastique (190) correspondant, et que l'organe élastique (190) applique une force de compression à l'aubage de distributeur correspondant.
19. Procédé selon la revendication 18, caractérisée en ce que l'étape de positionnement comprend en outre l'agencement d'une pluralité de rondelles Belleville (275) sur la vis (180) pour définir au moins partiellement l'organe élastique (190).
20. Procédé selon la revendication 18 caractérisé en ce qu'il comprend en outre le chauffage des aubes directrices avec l'écoulement de produits de combustion, de telle sorte que les aubes directrices se dilatent thermiquement, et engendrent en outre la compression de l'organe élastique (190) en réponse à la dilatation thermique des aubes directrices.
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