FR2970501A1

FR2970501A1 - Systeme et procede pour reguler un ecoulement dans un rotor

Info

Publication number: FR2970501A1
Application number: FR1250321A
Authority: FR
Inventors: Narendra Are; Hari Krishna Meka
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 2011-01-13
Filing date: 2012-01-12
Publication date: 2012-07-20
Also published as: DE102012100271A1; CN102588120A; JP2012145109A; US20120183398A1

Abstract

Système pour réguler l'écoulement d'un fluide dans un rotor (10), comportant un orifice d'entrée (24) dans le rotor (10) et un orifice de sortie (26) dans le rotor (10). L'orifice de sortie (26) est en communication fluidique avec l'orifice d'entrée (24). Un orifice variable (28) est disposé dans l'orifice d'entrée (24) et/ou l'orifice de sortie (26). Procédé pour réguler l'écoulement dans un rotor (10), comportant la dérivation d'un fluide industriel et l'écoulement du fluide industriel dérivé dans un passage (22) pour fluide présent dans le rotor (10). Le procédé comporte en outre la réduction de l'écoulement du fluide industriel dérivé dans le passage pour fluide présent dans le rotor (10).

Description

B11-6089FR 1 Système et procédé pour réguler un écoulement dans un rotor

La présente invention concerne de façon générale un système et un procédé pour réguler l'écoulement dans un rotor, en particulier la quantité de fluide dérivée dans un rotor pour réchauffer le rotor. Les turbines à gaz sont très couramment utilisées dans l'industrie. Une turbine à gaz classique comporte un compresseur à l'avant, un ou plusieurs dispositifs de combustion autour du milieu et une turbine à l'arrière. Le compresseur fournit de l'énergie cinétique au fluide de travail (par exemple, de l'air) afin de produire un fluide de travail comprimé à haut niveau d'énergie. Le flux de travail comprimé sort du compresseur et entre dans les dispositifs de combustion dans lesquels il se mélange à un combustible et s'enflamme pour produire des gaz de combustion à pression et température élevées. Les gaz de combustion s'écoulent jusqu'à la turbine où ils se détendent pour produire un travail. La détente des gaz de combustion dans la turbine peut faire tourner un arbre accouplé avec un alternateur pour produire de l'électricité.

Le compresseur et la turbine partagent ordinairement un rotor commun qui s'étend des abords de l'avant du compresseur aux abords de l'arrière de la turbine, via la section combustion. En raison de la longueur et des dimensions du rotor, le poids total du rotor peut approcher et dépasser 100 tonnes. Pendant le démarrage de la turbine à gaz, lorsque le fluide de travail comprimé passe dans le compresseur et que les gaz de combustion passent dans la turbine, la partie extérieure du rotor s'échauffe plus vite que la partie intérieure du rotor, ce qui crée un gradient de température sur le profil du rotor. Le gradient de température sur le profil du rotor produit, dans l'ensemble du rotor, de fortes contraintes thermiques globalement proportionnelles à TmaX - Tay,. TmaX est la température maximale sur l'ensemble du profil du rotor. Dans la section compresseur, TmaX peut être proche de la température du fluide de travail comprimé sortant du compresseur et, dans la section turbine, TmaX peut être proche de la température des gaz de combustion entrant dans la turbine. TaVe est la température moyenne sur l'ensemble du profil du rotor et est initialement la température ambiante pendant un démarrage à froid de la turbine à gaz. Les contraintes thermiques dans l'ensemble du rotor se poursuivent jusqu'à ce que la température sur l'ensemble du profil du rotor atteigne l'équilibre, ce qui peut prendre 12 heures ou plus, et réduit sensiblement la limite de fatigue oligocyclique du rotor. Divers systèmes et procédés sont connus dans la technique pour réduire les contraintes thermiques dans le rotor. Par exemple, un fluide industriel peut être dérivé depuis le compresseur pour circuler dans le rotor afin de réduire la différence de température entre TmaX et TaVe et permettre au rotor d'atteindre en moins de temps la température d'équilibre. Cependant, le fluide dérivé réduit le rendement du compresseur en réduisant la quantité de fluide de travail comprimé produite par le compresseur. De plus, le fluide dérivé crée des turbulences au moment de sa réintroduction dans le flux d'air du compresseur et les turbulences risquent de créer une séparation laminaire sur les aubes du compresseur. Par conséquent, un système et un procédé perfectionnés pour réguler l'écoulement dans un rotor seraient utiles. Une première forme de réalisation de la présente invention consiste en un système pour réguler l'écoulement dans un rotor. Le système comporte un orifice d'entrée dans le rotor et un orifice de sortie dans le rotor. L'orifice de sortie est en communication fluidique avec l'orifice d'entrée. Un orifice variable est disposé dans au moins un des orifices d'entrée et de sortie. Une autre forme de réalisation de la présente invention consiste en un système pour réchauffer un rotor. Le système comporte un passage de fluide traversant le rotor. Une vanne est disposée dans le passage de fluide pour réguler l'écoulement d'un fluide dans le passage de fluide. La présente invention propose également un procédé pour réguler l'écoulement dans un rotor. Le procédé comporte la dérivation d'un fluide industriel et l'écoulement du fluide industriel dérivé dans un passage de fluide présent dans le rotor. Le procédé comporte en outre la réduction de l'écoulement du fluide industriel dérivé dans le passage de fluide présent dans le rotor. L'invention sera mieux comprise à l'étude détaillée 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 simplifiée en coupe d'un rotor selon une forme de réalisation de la présente invention ; - la figure 2 est une vue en perspective d'un premier côté d'une grille d'aubes de rotor représentée sur la figure 1, prise suivant la ligne A-A ; et - la figure 3 est une vue en perspective d'un autre côté d'une grille d'aubes de rotor représentée sur la figure 1, prise suivant la ligne B-B.

La présente invention propose un système et un procédé pour allonger la durée de vie prévisible d'un rotor et améliorer le rendement d'une turbine à gaz. Dans diverses formes de réalisation, la présente invention permet de réguler l'écoulement d'un fluide dans le rotor afin de réchauffer le rotor en réduisant de ce fait les contraintes thermiques sur l'ensemble du profil du rotor. Les contraintes thermiques moindres amélioreront les limites de fatigue oligocyclique du rotor. De plus, la présente invention permet d'améliorer le rendement de la turbine à gaz en régulant la quantité et/ou la durée d'écoulement du fluide dans le rotor.

La figure 1 présente une vue simplifiée en coupe de la moitié supérieure d'un rotor selon une forme de réalisation de la présente invention. Comme représenté, le rotor 10 peut comprendre une pluralité de grilles 12 d'aubes de rotor reliées axialement par un tirant 14 pour tourner ensemble autour d'un axe central 16. Dans la section compresseur, chaque grille 12 d'aubes de rotor peut être associée à une aube rotative 18 ou un distributeur 20, comme représenté sur la figure 1. De même, dans la section turbine, chaque grille 12 d'aubes de rotor peut être associée à une ailette rotative ou un stator.

Comme représenté sur la figure 1, le rotor 10 comprend une pluralité de cavités 22 entre et à travers les grilles 12 d'aubes de rotor adjacentes. Les cavités 22 réduisent le poids total du rotor 10. De plus, les cavités 22 créent un ou plusieurs passages pour fluide entre et autour des grilles 12 d'aubes de rotor adjacentes. Les passages pour fluide comprennent au moins un orifice d'entrée 24 et au moins un orifice de sortie 26 en communication fluidique avec l'orifice d'entrée 24. Les orifices d'entrée et/ou de sortie 24, 26 peuvent être constitués par n'importe quel passage, volume ou trajet approprié à travers une seule grille 12 d'aubes de rotor ou entre des grilles 12 d'aubes de rotor adjacentes. Par exemple, comme représenté sur la figure 2, l'orifice d'entrée 24 ou l'orifice de sortie 26 peut être constitué par un alésage radial entre des grilles 12 d'aubes de rotor adjacentes. De la sorte, un fluide peut passer par l'orifice d'entrée 24 pour pénétrer dans le passage pour fluide et circuler à travers et/ou autour des grilles 12 d'aubes de rotor avant de sortir du passage de fluide par l'orifice de sortie 26, comme indiqué par les flèches d'écoulement sur la figure 1. Un orifice variable peut être disposé dans le passage de fluide, dans l'orifice d'entrée 24 et/ou l'orifice de sortie 26, afin de réguler l'écoulement du fluide dans le passage pour fluide. Par exemple, l'orifice variable 28 peut avoir une première position qui permet l'écoulement d'un fluide par l'orifice d'entrée 24 et/ou l'orifice de sortie 26 et une seconde position qui réduit et/ou empêche l'écoulement d'un fluide par l'orifice d'entrée 24 et/ou l'orifice de sortie 26. L'orifice variable 28 peut être constitué par n'importe quel mécanisme approprié pour empêcher ou limiter l'écoulement d'un fluide. Par exemple, comme représenté sur la figure 3, l'orifice variable 28 peut être constitué par une vanne thermique 30 qui réagit à des changements de température dans les grilles 12 d'aubes du rotor. Comme représenté sur la figure 3, la vanne 30 peut comprendre un piston 32 ou un disque relié à une membrane 34 à l'intérieur de la vanne 30. Aux températures les plus basses, la membrane 34 peut se contracter pour faire rentrer le piston 32 ou le disque dans la vanne afin de mettre l'orifice variable 28 dans la première position qui autorise ou permet l'écoulement d'un fluide par l'orifice d'entrée 24 et/ou l'orifice de sortie 26. A mesure que la température augmente dans la grille 12 d'aubes de rotor, et donc dans le rotor 10, la membrane 34 peut se dilater pour faire sortir le piston 32 ou le disque de la vanne dans le but d'obstruer ou de fermer d'une manière parfaitement étanche l'orifice d'entrée ou de sortie correspondant 24, 26. Le piston 32 ou le disque étant sorti jusque dans l'orifice d'entrée ou de sortie correspondant 24, 26, l'orifice variable 28 est dans la seconde position qui réduit ou empêche l'écoulement d'un fluide par l'orifice d'entrée 24 et/ou l'orifice de sortie 26.

Comme représenté sur la figure 1, l'orifice variable 28 peut être relié à un dispositif de commande 36 permettant un fonctionnement télécommandé de l'orifice variable 28. Le dispositif de commande 36 transmet un signal 38 à l'orifice variable 28 pour télécommander l'orifice variable 28. Le dispositif de commande 36 peut être un organe autonome tel qu'un capteur de température ou une minuterie, ou un sous-organe inclus dans n'importe quel système informatique connu dans la technique tel qu'un ordinateur portatif, un ordinateur personnel, un micro-ordinateur ou un ordinateur central. Les divers systèmes de régulation et systèmes informatiques présentés ici ne se limitent à aucune architecture ou configuration de matériel particulière. Les formes de réalisation des systèmes et procédés présentées ici peuvent être mises en oeuvre par un ou plusieurs dispositifs de commande généraux ou spécialisés, adaptés de n'importe quelle manière appropriée pour assurer les fonctions voulues. Par exemple, le dispositif de commande 36 peut être conçu pour assurer des fonctions supplémentaires, soit complémentaires du présent objet de l'invention, soit sans liens avec lui. Si on utilise un logiciel, n'importe quel type de langage ou de combinaisons de langages de programmation, de script approprié peut être utilisé pour mettre en oeuvre les principes contenus dans la présente description. Cependant, certains systèmes et procédés présentés et décrits ici peuvent également être mis en oeuvre par une logique câblée ou d'autres circuits, tels que des circuits à applications spécifiques. Evidemment, diverses combinaisons de logiciel exécuté par ordinateur et de circuits logiques ou câblés peuvent également convenir. Le signal 38 produit par le dispositif de commande 36 peut reposer sur n'importe quel paramètre surveillé, reflétant la température du rotor 10, le gradient thermique sur l'ensemble du profil de rotor et/ou les contraintes thermiques dans le rotor 10. Par exemple, le signal 38 peut traduire une température du rotor 10 qui indique que le profil de température dans l'ensemble du rotor 10 a atteint l'équilibre. De même, le signal 38 peut refléter la température du fluide de travail comprimé sortant du compresseur ou des gaz de compression circulant dans la turbine, qui indique la température extérieure maximale du rotor 10. Selon un autre exemple, le signal 38 peut traduire un laps de temps déterminé par des calculs ou des essais comme étant un laps de temps suffisant pour permettre au rotor 10 de parvenir à l'équilibre. Pendant le fonctionnement, l'orifice variable 28 peut être dans la première position ou position ouverte durant le démarrage de la turbine à gaz afin de dériver une partie d'un fluide industriel tel que le fluide de travail circulant dans le compresseur, via l'orifice d'entrée 24. Le fluide dérivé passe alors par les passages pour fluide dans le rotor, en sortant par l'orifice de sortie 26 et en revenant dans le flux de fluide de travail comprimé circulant dans le compresseur, ou revenir dans les gaz de combustion circulant dans la turbine. A mesure que le fluide dérivé réchauffe le rotor 10, l'orifice variable 28 finit par se fermer. Par exemple, s'il a un fonctionnement thermique, la hausse de la température amène l'orifice variable 28 à se remettre dans la seconde position ou position fermée afin de réduire ou d'empêcher l'écoulement du fluide dans les passages pour fluide. Selon une autre possibilité, ou en outre, le dispositif de commande 36 peut fournir à l'orifice variable 28 un signal 38 pour remettre l'orifice variable dans la première ou la seconde position. Les systèmes décrits et illustrés en référence aux figures 1 à 3 permettent également la mise en oeuvre d'un procédé pour réguler l'écoulement dans le rotor 10. Le procédé peut comporter la dérivation d'un fluide industriel, par exemple le fluide de travail comprimé issu du compresseur, et l'écoulement du fluide de travail dérivé dans des passages pour fluide présents dans le rotor 10. Le procédé peut en outre comporter la réduction de l'écoulement du fluide industriel dérivé dans les passages pour fluide présents dans le rotor 10, par exemple d'après une limite de température prédéterminée ou une limite de durée prédéterminée. Dans des formes de réalisation particulières, l'orifice variable 28 ou la vanne peut servir à réduire l'écoulement du fluide industriel dérivé dans le passage présent dans le rotor 10, et le dispositif de commande 36 peut produire le signal 38 d'après une température ou une durée.

Liste des repères 10 Rotor 12 Grille d'aubes de rotor 14 Tirant 16 Axe central 18 Aube mobile 20 Distributeur fixe 22 Cavité 24 Orifice d'entrée 26 Orifice de sortie 28 Orifice variable 30 Vanne 32 Piston 34 Membrane 36 Dispositif de commande 38 Signal

Claims

REVENDICATIONS1. Système pour réguler l'écoulement dans un rotor (10), comportant : un orifice d'entrée (24) dans le rotor (10) ; un orifice de sortie (26) dans le rotor (10), l'orifice de sortie (26) étant en communication fluidique avec l'orifice d'entrée (24) ; un orifice variable (28) disposé dans l'orifice d'entrée (24) et/ou l'orifice de sortie (26).
2. Système selon la revendication 1, comportant en outre une pluralité de passages (22) dans le rotor (10), entre l'orifice d'entrée (24) et l'orifice de sortie (26).
3. Système selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel l'orifice variable (28) comporte une vanne (30).
4. Système selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel l'orifice variable (28) a une première position et une seconde position, la première position permettant un écoulement par l'orifice d'entrée (24) et/ou l'orifice de sortie (26), et la seconde position empêchant l'écoulement par l'orifice d'entrée (24) et/ou l'orifice de sortie (26).
5. Système selon l'une quelconque des revendications précédentes, comportant en outre un dispositif de commande (36) relié à l'orifice variable (28).
6. Système selon la revendication 5, dans lequel le dispositif de commande (36) fournit un signal (38) à l'orifice variable (28), le signal (38) reposant sur une température.
7. Système selon l'une quelconque des revendications 5 et 6, dans lequel le dispositif de commande (36) fournit un signal (38) à l'orifice variable (28), le signal (38) reposant sur une durée.
8. Procédé pour réguler l'écoulement dans un rotor (10), comportant les étapes suivantes : - dérivation d'un fluide industriel ; - écoulement du fluide industriel dérivé dans un passage (22) pour fluide présent dans le rotor (10) ; et - réduction de l'écoulement du fluide industriel dérivé dans le passage (22) pour fluide présent dans le rotor (10).
9. Procédé selon la revendication 8, comportant en outre la dérivation du fluide industriel à partir d'un compresseur.
10. Procédé selon l'une quelconque des revendications 8 et 9, comportant en outre la réduction de l'écoulement du fluide industriel dérivé dans le passage (22) pour fluide présent dans le rotor (10) en fonction d'une limite de température prédéterminée.
11. Procédé selon l'une quelconque des revendications 8 et 9, comportant en outre la réduction de l'écoulement du fluide industriel dérivé dans le passage (22) pour fluide présent dans le rotor (10) en fonction d'une limite de durée prédéterminée.
12. Procédé selon l'une quelconque des revendications 8 à 11, comportant en outre l'actionnement d'une vanne (30) afin de réduire l'écoulement du fluide industriel dérivé dans le passage (22) pour fluide présent dans le rotor (10).
13. Procédé selon la revendication 12, comportant en outre la fourniture d'un signal (38) à la vanne (30), le signal (38) reposant sur une température.
14. Procédé selon l'une quelconque des revendications 12 et 13, comportant en outre la fourniture d'un signal (38) à la vanne (30), le signal (38) reposant sur une durée.