FR2968034A1

FR2968034A1 - Systeme de purge pour machine tournante

Info

Publication number: FR2968034A1
Application number: FR1160991A
Authority: FR
Inventors: Creston Lewis Dempsey; Seung-Woo Choi; Raymond Joseph Lecuyer; Matthew Ryan Ferslew; Jong Youn Pak; Josef Scott Cummins
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 2010-11-30
Filing date: 2011-11-30
Publication date: 2012-06-01
Also published as: US20120134782A1; CN102536466A; DE102011055830A1; JP2012117525A

Abstract

Un système de purge de cavité (250) pour une machine tournante (100) inclut un dispositif de purge (200) couplé à un premier élément tournant (158) et à un second élément tournant (160). Le second élément tournant est couplé au premier élément tournant de telle manière qu'au moins une cavité (204) est au moins en partie définie par le premier élément tournant et le second élément tournant. Le système de purge inclut aussi au moins un conduit d'alimentation en fluide axial (202) couplé en communication fluide avec le dispositif de purge. Le dispositif de purge inclut au moins un canal radial (222) défini à l'intérieur. Le canal radial est couplé en communication fluidique avec le conduit d'alimentation de fluide axial et avec la cavité.

Description

B11-5128FR 1

Système de purge pour machine tournante L'invention concerne généralement les machines tournantes et, plus particulièrement, des systèmes de purge de fluide utilisés dans des compresseurs de turbines à gaz. Des systèmes de turbine à gaz connus incluent une section de compresseur qui comprime de l'air canalisé à travers le système. Pendant le fonctionnement, des parties des sections de compresseur peuvent être sujettes à des contraintes, des vibrations, et/ou des températures élevées. Certaines sections de compresseur incluent une pluralité d'étages couplés à un rotor qui comprime l'air à des pressions de plus en plus élevées et, par conséquent, augmente proportionnellement la température de l'air canalisé. De telles différences de température d'écoulement d'air peuvent générer des gradients thermiques dans la section de compresseur. De tels gradients thermiques peuvent mener à une dilatation thermique inégale, du cintrage, et/ou d'autres contraintes, qui avec le temps endommagent et/ou réduisent la durée de vie utile espérée de certains composants du compresseur. De plus, certaines sections de compresseur sont couplées à, et/ou positionnées au voisinage d'un brûleur qui allume un mélange combustible-air pour générer des gaz de combustion. Pour améliorer l'efficacité de certains systèmes de turbine à gaz, la température de décharge de la section de compresseur, la température d'allumage du brûleur et/ou le débit de la section de compresseur peuvent être augmentés, ce qui intensifie les gradients thermiques générés dans la section de compresseur.

La présente invention propose un procédé pour assembler une machine tournante consistant à fournir un premier élément tournant, à coupler un second élément tournant au premier élément tournant, le premier élément tournant et le second élément tournant définissant au moins en partie une cavité à l'intérieur et au moins un conduit s'étendant sensiblement axialement. En outre, le procédé inclut de coupler un dispositif de purge comportant au moins un canal radial s'étendant vers le premier élément tournant et vers le second élément tournant de telle manière que le canal radial soit en communication fluidique avec la cavité et avec le conduit axial. Selon un autre aspect, l'invention propose un système de purge pour une machine tournante qui inclut un dispositif de purge couplé à un premier élément tournant et à un second élément tournant lui-même couplé au premier élément tournant de telle manière qu'au moins une cavité soit en partie définie par le premier élément tournant et le second élément tournant. Le système de purge inclut aussi au moins un conduit d'alimentation de fluide axial couplé en communication fluidique avec le dispositif de purge. Le dispositif de purge inclut au moins un canal radial en communication fluidique avec le conduit d'alimentation de fluide axial et avec ladite cavité. Selon encore un autre aspect, l'invention propose un moteur à turbine comportant un rotor de compresseur avant et un rotor de compresseur arrière couplé au rotor de compresseur avant. Le rotor de compresseur arrière et le rotor de compresseur avant définissent au moins en partie une cavité à l'intérieur et au moins un conduit axial qui s'étend sensiblement axialement entre eux. Le moteur à turbine inclut aussi un dispositif de purge couplé au rotor de compresseur avant et au rotor de compresseur arrière. Le dispositif de purge définit aussi la cavité précitée. Le dispositif de purge définit aussi en outre le conduit axial précité. Le dispositif de purge inclut aussi au moins un canal radial couplé en communication fluidique avec le canal axial et la cavité. La présente invention sera mieux comprise à l'étude de la description suivante de quelques modes de réalisation pris à titre d'exemples non limitatifs et illustrés par les dessins annexés sur lesquels : - la figure 1 est une vue schématique d'un exemple de moteur à turbine ; - la figure 2 est une vue en coupe agrandie d'une partie du moteur à turbine montré sur la figure 1 dans la zone 2 ; - la figure 3 est une vue en perspective d'un exemple d'anneau de purge qui peut être utilisé avec le moteur à turbine montré sur la figure 1 ; - la figure 4 est une vue en coupe de la partie du moteur à turbine montrée sur la figure 2 avec les flux d'air ajoutés ; et - la figure 5 est un organigramme illustrant un exemple de procédé pour assembler une partie du moteur à turbine montré sur la figure 1.

La figure 1 est une vue schématique d'une machine tournante 100, c'est à dire d'une turbomachine, et plus précisément, d'un moteur à turbine. Dans l'exemple illustré, la machine tournante 100 est un moteur à turbine à gaz. D'autres moteurs peuvent bien entendu être utilisés. Dans l'exemple illustré, le moteur à turbine 100 inclut une section d'admission d'air 102, et une section de compresseur 104 couplée en aval et en communication fluidique avec la section d'admission d'air 102. Une section de brûleur 106 est couplée en aval et en communication fluidique avec la section de compresseur 104, et une section de turbine 108 est couplée en aval et en communication fluidique avec la section de brûleur 106. Le moteur à turbine 100 inclut une section d'échappement 110 en aval de la section de turbine 108. De plus, dans l'exemple illustré, la section de turbine 108 est couplée à la section de compresseur 104 via un ensemble de rotor 112 qui inclut un rotor de compresseur, ou un arbre d'entraînement 114 et un rotor de turbine, ou un arbre d'entraînement 115. Dans l'exemple illustré, la section de brûleur 106 inclut une pluralité de brûleurs 116 qui sont chacun en communication fluidique avec la section de compresseur 104. La section de brûleur 106 inclut aussi au moins un ensemble de buses de combustible 118. Chaque brûleur 116 est en communication fluidique avec au moins un ensemble de buses de combustible 118. De plus, dans l'exemple illustré, la section de turbine 108 et la section de compresseur 104 sont couplées à rotation à une charge 120 via un arbre d'entraînement 114. La charge 120 peut inclure, par exemple, un générateur électrique et/ou un système d'entraînement mécanique, par exemple, une pompe. Dans l'exemple illustré, la section de compresseur 104 inclut au moins un ensemble de pales de compresseur 122. Dans l'exemple illustré, la section de turbine 108 inclut au moins un mécanisme de pales ou d'aubes de turbine 124. Chaque ensemble de pales de compresseur 122 et chaque mécanisme d'aubes de turbine 124 est couplé au rotor 112, ou, plus précisément, à l'arbre d'entraînement de compresseur 114 et l'arbre d'entraînement de turbine 115.

En fonctionnement, la section d'admission d'air 102 canalise de l'air 150 vers la section de compresseur 104. La section de compresseur 104 comprime l'air d'entrée 150 à des pressions et températures supérieures avant de décharger l'air comprimé 152 vers la section de brûleur 106. L'air comprimé 152 est mélangé avec du combustible (non montré) et allumé dans la section 106 pour générer des gaz de combustion 154 qui sont canalisées vers l'aval vers la section de turbine 108. Au moins une partie de l'air comprimé 152 est canalisé vers l'ensemble de buses de combustible 118. Le combustible est aussi canalisé vers l'ensemble de buses de combustible 118, dans lequel le combustible est mélangé avec l'air comprimé 152 et le mélange est allumé dans des brûleurs 116. Les gaz de combustion 154 générés dans les brûleurs 116 sont canalisés vers l'aval vers la section de turbine 108. Par l'impact sur les aubes de turbine 124, l'énergie thermique est convertie en énergie rotationnelle mécanique qui est utilisée pour entraîner le rotor 112. La section de turbine 108 entraîne la section de compresseur 104 et/ou la charge 120 via des arbres d'entraînement 114 et 115, et des gaz d'échappement 156 sont déchargés par la section d'échappement 110 vers l'atmosphère ambiante.

La figure 2 est une vue en coupe agrandie d'une partie du moteur à turbine 100 prise dans la zone 2 (montrée sur la figure 1). Dans l'exemple illustré, l'arbre d'entraînement de compresseur 114 inclut un premier élément tournant, c'est à dire, un rotor de compresseur avant, ou arbre d'entraînement 158, qui est couplé à rotation à un second élément tournant, c'est à dire, un rotor de compresseur arrière, ou arbre d'entraînement 160. L'arbre d'entraînement de compresseur arrière 160 est couplé à rotation à un troisième élément tournant, c'est à dire, l'arbre d'entraînement 115 de turbine. Un dispositif de purge, c'est à dire, un anneau de purge 200 est couplé à l'arbre d'entraînement de compresseur avant 158 et à l'arbre d'entraînement de compresseur arrière 160. Dans l'exemple illustré, l'anneau de purge 200 et l'arbre d'entraînement de compresseur arrière 160 constituent au moins en partie le rotor 112 avec l'arbre d'entraînement 114 de compresseur et l'arbre d'entraînement 115 de turbine. Dans l'exemple illustré, au moins un conduit axial d'alimentation de fluide 202 canalise l'air de refroidissement (non montré sur la figure 2) depuis la section de compresseur 104 vers les aubes de turbine 124 (montrées sur la figure 1). Une cavité 204 est définie par l'arbre d'entraînement de compresseur avant 158, l'arbre d'entraînement de compresseur arrière 160, et l'anneau de purge 200. En outre, une cavité d'anneau de purge 206 définie dans l'arbre d'entraînement de compresseur arrière 160 est dimensionnée et orientée pour recevoir l'anneau de purge 200. En variante, une partie de la cavité d'anneau de purge 206 peut aussi être définie dans une partie de l'arbre d'entraînement de compresseur avant 158. Dans l'exemple illustré, l'anneau de purge 200 est un composant séparé qui est couplé à rotation aux composants adjacents, c'est à dire, l'arbre d'entraînement de compresseur avant 158 et l'arbre d'entraînement de compresseur arrière 160, en utilisant, par exemple, un ajustement de forme ou avec frottement. En variante, l'anneau de purge 200 peut être couplé à l'arbre d'entraînement de compresseur avant 158 et à l'arbre d'entraînement de compresseur arrière 160, en utilisant tous moyens de couplage qui permettent à l'anneau de purge 200 et au moteur à turbine à gaz 100 de fonctionner, par exemple, un dispositif de fixation mécanique. Dans une autre variante, l'anneau de purge 200, peut être formé d'un seul bloc avec tout composant existant du moteur à turbine à gaz 100.

La figure 3 est une vue en perspective de l'anneau de purge 200. Dans l'exemple illustré, l'anneau de purge 200 inclut une jante 210 sensiblement circulaire et une pluralité de conduits de refroidissement axiaux 212 qui définissent chacun une partie d'un conduit d'alimentation d'air de refroidissement d'aubes 202. Plus précisément, chaque conduit de refroidissement 212 est défini par une paroi de conduit 214. Chaque paroi de conduit de refroidissement 214 définit aussi une entrée de déviation d'air de refroidissement 216 dans une partie radialement intérieure 217 de la paroi 214. Chaque entrée de déviation d'air de refroidissement 216 est dimensionnée et orientée pour détourner au moins une partie d'air de refroidissement (non montrée sur la figure 3) depuis chaque conduit d'alimentation d'air de refroidissement d'aubes 202 associé vers la cavité 204. Dans l'exemple illustré, l'anneau de purge 200 inclut une pluralité de surfaces radialement intérieures 218. Chaque surface 218 définit une sortie de déviation d'air de refroidissement 220 qui est en communication fluidique avec une entrée de déviation d'air de refroidissement 216 via un canal de déviation d'air de refroidissement 222. Aussi, dans l'exemple illustré, les surfaces radialement intérieures 218 définissent au moins en partie une cavité 204. De plus, dans l'exemple illustré, chaque anneau de purge 200 inclut une pluralité de dispositifs anti-contraintes, ou fentes de contraintes 224 qui facilitent la réduction des contraintes induites dans l'anneau de purge 200 et la réduction de l'interférence de rainure lors de l'insertion et de l'enlèvement de l'anneau de purge 200 dans la cavité d'anneau de purge 206 (montrée sur la figure 2). Dans l'exemple illustré, des goupilles anti-rotation (non montrées) peuvent être insérées à travers les fentes de contraintes 224 dans l'arbre d'entraînement de compresseur avant 158 et/ou l'arbre d'entraînement de compresseur arrière 160 (tous les deux montrés sur la figure 2) pour fixer l'anneau de purge 200 dans la cavité 206. Les fentes de contraintes 224 délimitent entre elles une pluralité de segments 226 partiellement tronconiques.

La figure 4 est une vue en coupe de la partie du moteur à turbine 100 montrée sur la figure 2 avec des flèches d'écoulement d'air 252 et 254. La cavité 204 est au moins en partie définie par l'arbre d'entraînement de compresseur avant 158, l'arbre d'entraînement de compresseur arrière 160, et l'anneau de purge 200. Plus précisément, dans l'exemple illustré, la cavité 204 est définie par une paroi radiale de compresseur 230, une paroi axiale de compresseur 232, une paroi axiale d'arbre d'entraînement de compresseur arrière 234, et une paroi radiale d'arbre d'entraînement de compresseur arrière 236. Au moins une paroi 230, 232, 234 et/ou 236 inclut une partie de limitation de contraintes 238 (seulement une montrée sur la figure 4). L'extraction de la chaleur primaire des parois 230, 232, 234 et/ou 236, incluant chaque partie de limitation de contraintes 238, facilite la réduction des contraintes thermiques induites dans chaque paroi 230, 232, 234 et/ou 236. Dans l'exemple illustré, l'anneau de purge 200, et plus précisément, les conduits de refroidissement axiaux 212, les entrées de déviation d'air de refroidissement 216, les canaux de déviation d'air de refroidissement 222, les sorties de déviation d'air de refroidissement 220, et la cavité 204 coopèrent et forment un système de purge de cavité 250. Les conduits d'alimentation en air de refroidissement d'aubes 202 et le système de purge de cavité 250, incluant les conduits de refroidissement axiaux 212, les entrées de déviation d'air de refroidissement 216, les canaux de déviation d'air de refroidissement 222, les sorties de déviation d'air de refroidissement 220, et la cavité 204 présentent des dimensions et des orientations appropriées au fonctionnement du système de purge de cavité 250 et du moteur à turbine à gaz 100. En fonctionnement, le flux d'air de refroidissement d'aubes de turbine 252 est canalisé à travers les conduits d'alimentation en air 202 depuis l'arbre d'entraînement de compresseur avant 158 et vers l'arrière vers la section de turbine 108. Une partie de l'écoulement d'air 252 est déviée, ou canalisée dans l'anneau de purge 200 via des entrées de déviation d'air de refroidissement 216 et depuis les conduits 212, formant ainsi un flux d'air de refroidissement de cavité 254. Le flux d'air 254 est canalisé à travers des canaux de déviation d'air de refroidissement 222 et des sorties de déviation d'air de refroidissement 220 dans la cavité 204, dans lequel l'air de refroidissement 254 facilite l'extraction des calories des parois 230, 232, 234 et/ou 236, y compris les parties de limitations de contraintes 238, et facilite ainsi la réduction des contraintes thermiques induites. L'air de refroidissement 254 est canalisé vers l'arrière à travers un orifice de traversée de cavité 256, pour faciliter le refroidissement dans la section de turbine 108.

La figure 5 est un organigramme illustrant un exemple de procédé 300 qui peut être utilisé pour assembler une partie de moteur à turbine 100 (montrée sur les figures 1, 2, et 4). Un premier élément tournant, c'est à dire, l'arbre d'entraînement de compresseur avant 158 (montré sur les figures 2 et 4) est fourni à l'étape 302. Un second élément tournant, c'est à dire, l'arbre d'entraînement de compresseur arrière 160 (montré sur les figures 2 et 4) est couplé à l'étape 304 à l'arbre d'entraînement de compresseur avant 158. L'arbre d'entraînement de compresseur avant 158 et l'arbre d'entraînement de compresseur arrière 160 sont assemblés à l'étape 306 pour définir au moins en partie une cavité, c'est à dire, la cavité 204 (montrée sur les figures 2, 3, et 4) à l'intérieur. La cavité 204 s'étend entre au moins un conduit axial, c'est à dire, des conduits d'alimentation en air de refroidissement d'aubes 202 (montrés sur les figures 2 et 4), dans lequel des conduits 202 s'étendent sensiblement axialement entre l'arbre d'entraînement de compresseur avant 158 et l'arbre d'entraînement de compresseur arrière 160. Un dispositif de purge, c'est à dire un anneau de purge 200 (montré sur les figures 2, 3, et 4) incluant au moins un canal radial, c'est à dire, des canaux de déviation d'air de refroidissement 222 (montrés sur les figures 3 et 4) est couplé à rotation à l'étape 308 à l'arbre d'entraînement de compresseur avant 158 et à l'arbre d'entraînement de compresseur arrière 160. Les canaux de déviation d'air de refroidissement 222 sont couplés à l'étape 310 en communication fluidique avec la cavité 204 et les conduits d'alimentation en air de refroidissement d'aubes 202. L'invention facilite l'assemblage et le fonctionnement de moteurs à turbine utilisant des compresseurs de fluide couplés à rotation à une turbine. De tels dispositifs de purge de fluide facilitent l'assemblage et le désassemblage de la turbomachine en évitant l'utilisation d'un dispositif de fixation mécanique supplémentaire. De tels systèmes et dispositifs de purge de fluide facilitent l'amélioration du flux de fluide de refroidissement vers les composants du compresseur qui sont exposés à des gradients thermiques. Le refroidissement amélioré du flux de fluide facilite l'amélioration de la réponse thermique des composants de compresseur qui sont exposés à des gradients thermiques induisant des contraintes significatives. Ces réponses thermiques améliorées entraînent des gradients thermiques plus faibles qui réduisent la dilatation et/ou les fléchissements inégaux. Ainsi, les réponses thermiques améliorées allongent la durée de vie des composants. De plus, les réponses thermiques améliorées facilitent l'augmentation de la durée de vie des composants et réduisent les coûts de réparation et de maintenance ainsi que les périodes pendant lesquelles la turbomachine est hors service.

Les fentes de contraintes 224 de l'anneau de purge 200, peuvent, de préférence, s'étendre radialement depuis la cavité 204, comme visible sur la figure 3. La cavité 204 définie au moins en partie par le premier élément tournant 158, au moins en partie par le second élément tournant 160, et au moins en partie par le dispositif de purge 200, est de préférence une cavité unitaire. L'anneau de purge 200 peut comprendre une pluralité de conduits de refroidissement axiaux 212, comme visible sur la figure 3. Le procédé de l'invention facilite l'assemblage et le fonctionnement du moteur à turbine à gaz. Assembler des moteurs à turbine à gaz avec un système de purge et d'extraction de chaleur selon l'invention facilite la canalisation du fluide de refroidissement,, c'est à dire, de l'air dans des cavités prédéterminées et autour de composants prédéterminés pour améliorer la réponse thermique. Rediriger une partie de l'air de refroidissement d'aubes de turbine vers une région de cavité facilite la réduction des gradients thermiques et des contraintes induites dans les composants. Les contraintes réduites et les réponses thermiques améliorées allongent la durée de vie des composants, réduisant ainsi les coûts de réparation et de maintenance ainsi que la durée et la fréquence des périodes pendant lesquelles la turbomachine est hors de service.

Liste des repères 100 moteur à turbine à gaz 102 section d'admission d'air 104 section de compresseur 106 section de brûleur 108 section de turbine 110 section d'échappement 112 ensemble de rotor 114 arbre d'entraînement (de rotor) de compresseur 115 arbre d'entraînement (de rotor) de turbine 116 ensembles de brûleurs 118 ensemble de buses de combustible 120 charge 122 mécanisme de pales de compresseur 124 mécanismes d'aubes de turbine 150 air d'entrée 152 air comprimé 154 gaz de combustion 156 gaz d'échappement 158 arbre d'entraînement (de rotor) de compresseur avant 160 arbre d'entraînement (de rotor) de compresseur arrière 200 anneau de purge 202 conduit d'alimentation d'air de refroidissement d'aubes 204 cavité 206 cavité d'anneau de purge 210 jante 212 conduits de refroidissement axiaux 214 paroi de conduit de refroidissement axial 216 entrée de déviation d'air de refroidissement 217 partie radialement la plus vers l'intérieur de la paroi 218 surfaces radialement intérieures 220 sortie de déviation d'air de refroidissement 222 canal de déviation d'air de refroidissement 224 fentes de contraintes 226 segments 230 paroi radiale de compresseur 232 paroi axiale de compresseur 234 paroi axiale d'arbre d'entraînement de compresseur arrière 236 paroi radiale d'arbre d'entraînement de compresseur arrière 238 parties de limitation de contraintes 250 système de purge de cavité 252 flux d'air de refroidissement d'aubes de turbine 254 flux d'air de refroidissement de cavité 256 orifice de traversée d'alésage de cavité

Claims

REVENDICATIONS1. Système de purge (250) pour machine tournante (100), comprenant un dispositif de purge (200) couplé à un premier élément tournant (158) et à un second élément tournant (160) couplé au premier élément tournant de telle manière qu'au moins une cavité (204) soit au moins en partie définie par le- premier élément tournant et le second élément tournant et au moins un conduit d'alimentation de fluide axial (202) couplé en communication fluidique avec le dispositif de purge, le dispositif de purge comprenant au moins un canal radial (222) couplé en communication fluidique avec ledit conduit d'alimentation de fluide axial et avec ladite cavité.
2. Système de purge (250) selon la revendication 1 dans lequel le dispositif de purge (200) est couplé à rotation à un rotor de compresseur avant (158) et un rotor de compresseur arrière (160),, dans lequel le rotor de compresseur avant est le premier élément tournant (158) et le rotor de compresseur arrière est le second élément tournant (160).
3. Système de purge (250) selon la revendication 1, dans lequel le dispositif de purge (200) définit en outre au moins une partie de la cavité (204) au moins en partie définie par le premier élément tournant (158) et le second élément tournant (160).
4. Système de purge (250) selon la revendication 3 dans lequel ladite cavité (204) est une cavité unitaire.
5. Système de purge (250) selon la revendication 1, dans lequel le dispositif de purge (200) est un anneau de purge (250) définissant au moins en partie une pluralité de conduits de refroidissement axiaux (202!212).
6. Système de purge (250) selon 1a revendication 5, dans lequel l'anneau de purge (250) comprend en outre une pluralité de canaux de déviation d'air de refroidissement (222) en communication fluidique avec ladite pluralité de conduits de refroidissement axiaux (2021212).
7. Système de purge (250) selon la revendication 6, dans lequel l'anneau de purge (20'0) comprend en outre une pluralité de fentes (224) s'étendant radialement depuis ladite cavité (204).
8. Moteur à turbine (100) comprenant un rotor de compresseur avant {158) , un rotor de compresseur arrière (160) couplé à rotation au rotor de compresseur avant, le rotor de compresseur arrière et le rotor de compresseur avant définissant au moins en partie une cavité 204, et au moins un conduit (212) qui s'étend sensiblement axialement et un dispositif de purge (200) couplé au rotor de compresseur avant et au rotor de compresseur arrière, le dispositif de purge définissant en outre en partie ladite cavité, le dispositif de purge définissant en outre ledit conduit axial et comprenant au moins un canal radial (222), en communication fluidique avec ledit conduit axial et ladite cavité.
9. Moteur à turbine (100) selon la revendication 8, dans lequel ladite cavité (204) est couplée en communication fluidique avec au moins un conduit d'alimentation de refroidissement d'aubes 25 de turbine (202).
10. Moteur à turbine (100) selon la revendication 8,, dans lequel le dispositif de purge (200) est un anneau de purge (200) et ledit ensemble d'au moins un conduit axial (212) comprend une pluralité de conduits de refroidissement axiaux.