FR2883920A1 - Distributeur de turbine avec angle adouci de la cavite de purge - Google Patents
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Abstract
Distributeur de turbine pour turbine à gaz, comprenant un segment de distributeur ayant une aube fixe profilée (122) avec une emplanture, un bout, un bord d'attaque, un bord de fuite et des côtés pression et aspiration à courbures opposées. Un segment de bande intérieure arquée est fixé à l'emplanture de l'aube fixe (122). Le segment de bande intérieure comprend une surface (148) de passage intérieur d'écoulement délimitée à ses extrémités avant et arrière respectivement par une surface orientée vers l'avant et par une surface (152) orientée vers l'arrière. Un angle adouci (154) à courbure convexe est formé entre la surface (148) de passage intérieur d'écoulement et la surface (152) orientée vers l'arrière.
Description
DISTRIBUTEUR DE TURBINE AVEC ANGLE ADOUCI DE LA CAVITE
DE PURGE
La présente invention concerne d'une façon générale les organes de turbines à gaz et, plus particulièrement, les aubages profilés fixes de turbines.
Une turbine à gaz comprend un compresseur qui fournit de l'air comprimé à une chambre de combustion dans laquelle l'air se mélange au carburant et le mélange est enflammé pour produire des gaz de combustion à haute température. Ces gaz s'écoulent vers l'aval jusqu'à une ou plusieurs turbines qui en extraient de l'énergie pour faire fonctionner le compresseur et produisent un travail utile tel que l'alimentation en énergie d'un avion en vol. Dans un réacteur à double flux, qui comprend ordinairement une soufflante placée à l'avant de l'ensemble HP, une turbine haute pression alimente en énergie le compresseur de l'ensemble HP. Une turbine basse pression est disposée en aval de la turbine haute pression pour faire fonctionner la soufflante. Chaque étage de turbine comprend ordinairement un distributeur fixe de turbine suivi à son tour d'un rotor de turbine. Le distributeur de turbine comporte une rangée de segments de distributeur côte à côte dans la direction circonférentielle, chacun comportant une ou plusieurs aubes fixes profilées montées entre des segments intérieurs et extérieurs de bandes ou "plates-formes" pour canaliser le courant gazeux à haute température vers le rotor de turbine. Le rotor de turbine comporte une rangée d'aubes mobiles profilées côte à côte dans la direction circonférentielle, à plates-formes arquées.
Il est bien connu qu'un écoulement tourbillonnaire, appelé tourbillon "en fer à cheval" en raison de sa forme apparaît autour des aubages profilés (c'est-à-dire les aubes mobiles et les aubes fixes) d'une turbine près des plates-formes intérieures et extérieures dans les aubes fixes et près de la plate-forme intérieure et du bout pour les aubes mobiles. La puissance du tourbillon a un effet direct sur les performances des aubages et, par conséquent, sur les performances de l'ensemble de la turbine. Plus la force du tourbillon augmente, plus les performances de la turbine se dégradent.
L'effet sur les performances est maximal si le système de tourbillon migre vers le côté aspiration cle l'aubage puis jusqu'à un point situé vers le milieu de l'envergure de l'aubage. Ainsi, on a besoin d'un aubage de turbine qui réduise la puissance du système de tourbillon ou qui empêche la migration du système de tourbillon suivant un passage transversal.
Le besoin ci-dessus est comblé par la présente invention qui, selon un premier aspect, propose un distributeur de turbine pour turbine à gaz comprenant: un segment de distributeur ayant: une aube fixe profilée ayant une emplanture, un bout, un bord d'attaque, un bord de fuite et des côtés pression et aspiration incurvés opposés; et un segment de bande intérieure arquée fixé à ladite emplanture de ladite aube fixe, ledit segment de bande intérieure comportant une surface de passage intérieur d'écoulement délimitée à ses extrémités avant et arrière respectivement par une surface orientée vers l'avant et une surface orientée vers l'arrière; un angle adouci à courbure convexe étant formé entre ladite surface de passage intérieur d'écoulement et ladite surface orientée vers l'arrière.
Le segment de distributeur peut comprendre en outre un segment de bande extérieure arquée fixé audit bout dudit distributeur, ledit segment de bande extérieure ayant une surface de passage intérieur d'écoulement.
Une pluralité desdits segments peuvent être disposés côte à côte pour former 15 une couronne circulaire de distributeurs.
Dans l'ensemble d'aubages profilés, un profil de section transversale dudit angle adouci peut être défini par un rayon circulaire prédéterminé.
Ce rayon peut mesurer plus de 0,038 mm (0,015").
Dans le distributeur de turbine un profil de section transversale dudit angle 20 adouci peut être défini par un rayon composite.
Dans l'ensemble d'aubages profilés ledit angle adouci peut être tangent à ladite surface de passage intérieur d'écoulement.
Cet angle adouci est tangent à ladite surface orientée vers l'arrière.
Dans l'ensemble d'aubages profilés, ledit segment de bande intérieure peut être disposé en communication de fluide avec une cavité d'écoulement de purge.
Selon un autre aspect de l'invention, un ensemble de turbine pour turbine à gaz comprend: un segment de distributeur comprenant: une aube fixe profilée ayant une emplanture, un bout, un bord d'attaque, un bord de fuite et des côtés pression et aspiration opposés; et une bande intérieure arquée fixée à l'emplanture de l'aube fixe, la bande intérieure comportant une surface de passage intérieur d'écoulement délimitée à ses extrémités avant et arrière respectivement par une surface orientée vers l'avant et une surface orientée vers l'arrière; et une aube mobile de turbine montée de manière à pouvoir tourner, disposée en arrière de et en communication d'écoulement avec le segment de distributeur, l'aube mobile de turbine comportant une plate-forme arquée d'aube mobile définissant une seconde surface de passage intérieur d'écoulement. Une cavité de purge est définie entre le segment de distributeur et l'aube mobile de turbine, la cavité de purge étant en communication d'écoulement avec un passage d'écoulement secondaire du moteur. La jonction de la surface de passage intérieur d'écoulement et de la surface orientée vers l'arrière de la bande intérieure est profilée de manière à créer un écoulement tourbillonnant sur l'aube fixe vers ladite cavité de purge.
L'invention sera mieux comprise à l'étude de la description détaillée d'un mode de réalisation pris à titre d'exemple non limitatif et illustré par les dessins annexés, sur lesquels: la Fig. 1 est une vue latérale d'une partie d'une section de turbine selon la technique antérieure; la Fig. 2 est une vue en perspective d'un distributeur de turbine selon la technique antérieure; la Fig. 3 est une vue latérale agrandie d'une partie de la Fig. 2; la Fig. 4 est une vue de face en perspective d'un mode d'écoulement autour d'une aube mobile de turbine placée en aval du distributeur de la Fig. 2; la Fig. 5 est une vue arrière en perspective d'un mode d'écoulement autour d'une aube mobile de turbine placée en aval du distributeur de turbine de la Fig. 2; la Fig. 6 est une vue en perspective d'un distributeur de turbine construit selon la présente invention; et la Fig. 7 est une vue latérale agrandie d'une partie de la Fig. 6.
Considérant les dessins, sur lesquels les mêmes repères désignent les mêmes éléments sur toutes les diverses vues, la Fig. 1 représente une partie d'une section de turbine 10 de turbine à gaz selon la technique antérieure comprenant, en communication d'écoulement série, une turbine haute pression (HPT) 12 comportant un rotor 14 de HPT portant une pluralité d'aubes mobiles 16 de HPT, une turbine basse pression (LPT) 18 comportant un distributeur 20 de LPT pourvu d'une pluralité d'aubes fixes 22, et un rotor 24 de LPT portant une pluralité d'aubes mobiles 26 de LPT à plates-formes arquées toutes disposées de manière coaxiale autour d'un axe central longitudinal ou axial "A". Des gaz à haute pression provenant d'une chambre de combustion (non représentée) sont refoulés vers la turbine haute pression 12 dans laquelle ils se détendent afin que de l'énergie en soit extraite. Les gaz à haute température s'écoulent ensuite vers la turbine basse pression 18 dans laquelle ils se détendent davantage. La turbine haute pression 12 entraîne un compresseur haute pression classique par l'intermédiaire d'un arbre haute pression (non représenté), et la turbine basse pression 22 entraîne une soufflante classique par l'intermédiaire d'un arbre basse pression (non représenté). La présente invention est décrite en particulier en référence au distributeur 20 de LPT et aux aubes mobiles 26 de LPT, cependant elle peut s'appliquer tout aussi bien à d'autres aubages de turbomachines, par exemple des aubages de HPT.
L'espace entre le distributeur 20 de LPT et le rotor 24 de LPT, appelé cavité de purge 28, n'est pas hermétiquement fermé et est exposé aux gaz à haute 1 o température du flux primaire. Si les gaz de combustion s'écoulent radialement vers l'intérieur entre le distributeur 20 de LPT et le rotor 24 de LPT, ils risquent de provoquer une surchauffe des organes du moteur au contact desquels ils viennent et de réduire notablement la durée de vie des organes. Par conséquent, la cavité de purge 28 est pourvue d'un flux d'air secondaire, constitué d'air relativement plus froid, qui est à une pression supérieure à celle des gaz du flux primaire "F". Cela assure un écoulement de purge vers l'extérieur, illustré par la flèche "P" sur la Fig. 1, et empêche l'ingestion d'air du flux. Cet écoulement de purge vers l'extérieur provoque une perte de rendement dans le LPT 18, par une augmentation des dimensions du tourbillon naissant sur le bord d'attaque de l'aube mobile près de la plate-forme.
Comme représenté sur la Fig. 2, le distributeur 20 de LPT est ordinairement constitué par une pluralité de segments 30 de distributeur adjacents dans la direction circonférentielle, qui forment conjointement un ensemble complet sur 360 . Chaque segment 30 de distributeur de LPT comprend une ou plusieurs des aubes fixes profilées 22 ayant chacune un bord d'attaque 32, un bord de fuite 34, une emplanture 36, un bout 38 et des côtés pression et aspiration, respectivement 40 et 42, espacés l'un de l'autre. Une bande extérieure arquée 44 est fixée au bout 38 de l'aube fixe 22. Une bande intérieure arquée 46 est fixée à l'emplanture 36 de l'aube fixe 22. La bande intérieure a une surface d'écoulement 48, une surface 50 orientée axialement vers l'avant à son extrémité avant, et une surface 52 orientée axialement vers l'arrière à son extrémité arrière. Les bandes extérieure et intérieure 44 et 46 de chaque segment 30 de distributeur définissent respectivement les limites radiales extérieure et intérieure du flux de gaz dans le segment 30 de distributeur.
La Fig. 3 illustre d'une façon plus détaillée la géométrie de la bande intérieure d'une aube fixe de LPT. La transition entre la surface d'écoulement 48 et la surface 52 orientée vers l'arrière présente un angle relativement fort. Certains segments 30 de distributeurs de LPT selon la technique antérieure comportent à cet endroit un "bord de rupture", mais le rayon de cette structure est ordinairement de l'ordre de 0,0762 mm (0,003") à environ 0,038 mm (0,015"). La surface 52 orientée axialement vers l'arrière empêche donc une discontinuité ou un "gradin" orienté vers l'arrière. Pendant le fonctionnement du moteur, cette structure d'écoulement provoque une chute relativement grande du champ local de pression statique. L'écoulement de purge affecté par cette brusque chute de pression entre en interaction avec et aggrave les tourbillons en fer à cheval 54 et 56 du côté pression et 1 o du côté aspiration qui naissent sur l'aube mobile 26 de LPT, en permettant aux tourbillons en fer à cheval 54 et 56 de se déplacer radialement vers l'extérieur en direction d'un point à mi-envergure sur l'aube mobile 26 de LPT, comme représenté sur les figures 4 et 5.
Un segment 30 de distributeur de LPT construit selon la présente invention est représenté sur la Fig. 6. La structure générale du segment 30 de distributeur de LPT est similaire à celle du segment 30 de distributeur de LPT selon la technique antérieure et comprend une ou plusieurs aubes fixes profilées 122 ayant chacune un bord d'attaque 132, un bord de fuite 134, une emplanture 136, un bout 138 et des côtés pression et aspiration, respectivement 140 et 142, espacés l'un de l'autre. Une bande extérieure arquée 144 est fixée au bout 138 de l'aube fixe 122. Une bande intérieure arquée 146 est fixée à l'emplanture 136 de l'aube fixe 122. La bande intérieure 146 a une surface d'écoulement 148, une surface 150 à orientation axialement vers l'avant à son extrémité avant et une surface 152 à orientation axialement vers l'arrière à son extrémité arrière.
Comme représenté plus en détail sur la Fig. 7, un angle adouci 154 à courbure convexe s'étend entre la surface d'écoulement 148 et la surface 152 à orientation axialement vers l'arrière et crée une transition progressive plutôt qu'un "gradin" comme décrit plus haut. Le fait d'ajouter l'angle adouci 154 sur la bande intérieure 146 "induit" un écoulement fortement tournoyant sur l'aube fixe vers la cavité de purge 128 et contribue à accroître la vitesse de tournoiement de l'écoulement de purge depuis le système d'écoulement secondaire avant que l'écoulement de purge ne soit introduit dans le flux primaire (c'est-à-dire dans le passage de l'aube mobile en aval). Le fait de renforcer le tournoiement dans la cavité de purge 128 sert à réduire la puissance des tourbillons en fer à cheval 54 et 56 formés sur le moyeu du bord d'attaque de l'aube mobile et accroît par conséquent l'efficacité de l'aube mobile de LPT.
Dans l'exemple illustré, la forme de la section transversale de l'angle adouci 154 est une courbe à rayon circulaire "R" d'environ 0,21 mm (0, 090"). Les dimensions réelles de la section transversale dépendent des dimensions de l'aube fixe 122 et la forme de la section transversale peut être modifiée pour s'adapter à une application particulière. Par exemple, l'angle adouci 154 peut avoir un rayon composite ou pourrait être une courbe non circulaire. L'angle adouci 154 est tangent à la surface d'écoulement 148 et crée une transition en douceur avec la surface 152 orientée vers l'arrière. De préférence, l'angle adouci 154 est également tangent à la surface 152 orientée vers l'arrière. Le profil exact de l'angle adouci 154 peut être déterminé à l'aide de types connus d'outils analytiques tels qu'un logiciel informatique de dynamique des fluides (CFD). L'angle adouci 154 est sensiblement plus grand qu'un angle de bord de rupture classique qui serait inclus en raison d'exigences de fabrication ou pour éviter des concentrations de contrainte, pour une aube fixe 122 de dimensions données. On estime que des rayons de plus en plus grands contribuent mieux à maintenir le flux à la sortie d'une aube fixe attaché à la bande intérieure 146, en introduisant celui-ci plus loin dans la cavité de purge 128 avec un tournoiement plus grand. Les limitations résultant d'exigences volontaires de conception de la section d'étranglement d'une aube fixe peuvent restreindre le rayon maximal (ou transition de courbure vers la surface 152 orientée vers l'arrière) de l'angle adouci 154. Par ailleurs, si la température plus élevée de l'air d'écoulement introduit dans la cavité de purge est excessive, elle risque de provoquer une surchauffe des pièces ne pouvant supporter que des températures plus basses.
Le fait d'ajouter l'angle adouci 154 réduit également le poids du distributeur de LPT par rapport à des pièces selon la technique antérieure en éliminant de la matière qui, normalement, resterait en place. En outre, l'angle adouci 154 est une structure axisymnétrique et est par conséquent simple à réaliser lors de la fabrication de la bande intérieure 146.
Liste des repères section de turbine de turbine à gaz 12 turbine haute pression (HPT) 14 rotor de HPT 16 aubes mobiles de HPT 18 turbine basse pression (LPT) distributeur de LPT 22 aubes fixes 24 rotor de LPT 26 aubes mobiles de LPT 27 plates-formes arquées 28 cavité de purge segment de distributeur 32 bord d'attaque 34 bord de fuite 36 emplanture 38 bout côté pression 42 côté aspiration 44 bande extérieure arquée 46 bande intérieure 48 surface de passage d'écoulement surface orientée axialement vers l'avant 52 surface orientée axialement vers l'arrière 54 tourbillons en fer à cheval côté pression 56 tourbillons en fer à cheval côté aspiration 122 aubes fixes 128 cavité de purge segment de distributeur de LPT 132 bord d'attaque 134 bord de fuite 136 emplanture 138 bout côté pression 142 côté aspiration 144 bande extérieure arquée 146 banque intérieure arquée 148 surface de passage d'écoulement surface orientée axialement vers l'avant 152 surface orientée axialement vers l'arrière 154 angle adouci
Claims (10)
1. Ensemble d'aubages profilés pour turbine à gaz (10), comprenant: un segment (130) de distributeur ayant: une aube fixe (122) profilée ayant une emplanture (136), un bout (138), un bord d'attaque (132), un bord de fuite (134) et des côtés pression et aspiration (140, 142) à courbures opposées; et un segment de bande intérieure arquée (146) fixé à ladite emplanture (136) de ladite aube fixe (122), ledit segment de bande intérieure (146) comportant une surface de passage intérieur d'écoulement (148) délimitée, à ses extrémités avant et arrière, respectivement par une surface (150) orientée vers l'avant et une surface (152) orientée vers l'arrière; dans lequel un angle adouci (154) à courbure convexe est formé entre ladite surface de passage intérieur d'écoulement (148) et ladite surface (152) orientée vers l'arrière.
2. Ensemble d'aubages profilés selon la revendication 1, dans lequel ledit segment (130) de distributeur comprend en outre un segment de bande extérieure arquée (144) fixé audit bout (138) de ladite aube fixe (122), ledit segment (144) de bande extérieure ayant une surface de passage intérieur d'écoulement (148).
3. Ensemble d'aubages profilés selon la revendication 2, dans lequel une pluralité desdits segments (130) de distributeur sont disposés côte à côte pour former une couronne circulaire de distributeurs.
4. Ensemble d'aubages profilés selon la revendication 1, dans lequel un profil de section transversale dudit angle adouci (154) est défini par un rayon circulaire prédéterminé.
5. Ensemble d'aubages profilés selon la revendication 4, dans lequel ledit rayon mesure plus de 0,038 mm (0,015").
6. Ensemble d'aubages profilés selon la revendication 1, dans lequel un profil de section transversale dudit angle adouci (154) est défini par un rayon composite.
7. Ensemble d'aubages profilés selon la revendication 1, dans lequel ledit angle adouci (154) est tangent à ladite surface de passage intérieur d'écoulement (148).
8. Ensemble d'aubages profilés selon la revendication 6, dans lequel ledit angle adouci (154) est tangent à ladite surface (152) orientée vers l'arrière.
9. Ensemble d'aubages profilés selon la revendication 1, dans lequel ledit segment de bande intérieure (146) est disposé en communication de fluide avec une cavité (128) d'écoulement de purge.
10. Ensemble de turbine pour turbine à gaz (10), comprenant: un segment (130) de distributeur comprenant: une aube fixe profilée (122) ayant une emplanture (136), un bout (138), un bord d'attaque (132), un bord de fuite (134) et des côtés pression (140) et aspiration (142) opposés; et une bande intérieure arquée (146) fixée à ladite emplanture (136) de ladite aube fixe (122), ladite bande intérieure (146) comportant une surface de passage intérieur d'écoulement (148) délimitée à ses extrémités avant et arrière respectivement par une surface (150) orientée vers l'avant et par une surface (152) orientée vers l'arrière; une aube mobile de turbine, montée de manière à pouvoir tourner, disposée en arrière de et en communication d'écoulement avec ledit segment (130) de distributeur, ladite aube mobile de turbine comportant une plate-forme arquée d'aube mobile définissant une seconde surface de passage intérieur d'écoulement (148) ; et une cavité de purge (128) définie entre ledit segment (130) de distributeur et ladite aube mobile de turbine, ladite cavité de purge (128) étant en communication d'écoulement avec un passage d'écoulement secondaire dudit moteur; dans lequel la jonction de la surface dudit passage d'écoulement intérieur (148) et ladite surface (152) , orientée vers l'arrière, de ladite bande intérieure (146) est profilée de manière à provoquer un flux tournoyant sur l'aube fixe (122) vers ladite cavité de purge (128).
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