FR3015595A1

FR3015595A1 - Procede pour empecher le decollement tournant et le pompage dans un compresseur de turbomachine

Info

Publication number: FR3015595A1
Application number: FR1363381A
Authority: FR
Inventors: Laurent Balcer
Original assignee: GE Energy Products France SNC
Current assignee: GE Energy Products France SNC
Priority date: 2013-12-23
Filing date: 2013-12-23
Publication date: 2015-06-26
Also published as: US20150176499A1; US9759134B2

Abstract

L'invention a pour objet un procédé pour empêcher le pompage et le décollement tournant dans un compresseur de turbomachine, à l'aide de conduits d'extraction d'air reliant le compresseur à une zone d'échappement de la turbomachine ou à l'atmosphère, l'un au moins des conduits étant muni d'une vanne de régulation de débit, chaque vanne étant de degré d'ouverture (Θ) réglable, caractérisé en ce qu'il comprend, pour au moins l'une des vannes: - la commande d'une ouverture complète de la vanne lorsque la vitesse de rotation du compresseur est inférieure à une valeur seuil prédéterminée au-delà de laquelle on considère qu'il n'y a plus de risque de pompage et de décollement tournant, et - lorsque la vitesse de rotation du compresseur dépasse ladite valeur seuil, la commande d'une baisse du degré d'ouverture (Θ) de la vanne.

Description

PROCEDE POUR EMPECHER LE DECOLLEMENT TOURNANT ET LE POMPAGE DANS UN COMPRESSEUR DE TURBOMACHINE La présente invention se rapporte au domaine des turbomachines. Elle concerne plus particulièrement un procédé permettant d'empêcher le décollement tournant et le pompage affectant un compresseur de turbomachine, et notamment un compresseur de turbine à gaz. Elle a également pour objet une turbomachine permettant de mettre en oeuvre le procédé. Les compresseurs de turbomachines ont pour fonction d'augmenter la pression d'un gaz. Ils sont divisés en deux grandes familles, à savoir les compresseurs centrifuges et les compresseurs axiaux. Les compresseurs axiaux se distinguent par leur faible rapport de compression par étage et leur débit volumique très élevé, tandis que les compresseurs centrifuges ont des taux de compression bien plus élevés. La compression est réalisée dans un certain nombre d'étages, placés en série. Chaque étage est constitué d'une couronne d'aubes rotatiques (le 15 rotor) et d'une couronne d'aubes statoriques (le stator). La suite de la description est plus particulièrement consacrée aux compresseurs axiaux. Deux types d'instabilité aérodynamique dans les compresseurs peuvent se produire : le pompage et le décollement tournant. 20 Le pompage est un phénomène aérodynamique violent qui intervient dans les compresseurs. Il s'agit d'une instabilité aérodynamique qui donne naissance à d'importantes ondes longitudinales, qui peuvent aller jusqu'à une inversion du sens d'écoulement dans le compresseur. C'est un phénomène qui peut être destructeur pour les aubes des compresseurs. Le pompage se 25 caractérise par un décrochage franc d'une grande partie des aubes du compresseur. Le décollement tournant est également une instabilité aérodynamique affectant le compresseur et qui se caractérise par la présence d'une ou plusieurs poches de fluide localisées (également appelées cellules ou poches de décollement), se propageant dans la direction circonférentielle du compresseur, à une vitesse généralement inférieure à la vitesse de rotation du compresseur. Le décollement tournant correspond donc à un décrochage partiel du compresseur, qui se caractérise par une perte de performance partielle mais qui peut être stable, se traduisant par des stagnations ou des dévissages, plus ou moins marqués. Le décollement tournant apparaît généralement pendant les phases de démarrage ou de rallumage des turbomachines et lors de leur arrêt. Le pompage et le décollement tournant sont liés dans la mesure où le 10 décollement tournant peut précéder ou cohabiter avec le pompage. Lors du démarrage ou de l'arrêt d'un compresseur, la vitesse de rotation intermédiaire, notamment comprise entre 40 et 70% de la vitesse de rotation nominale du compresseur, engendre un risque important de décollement tournant et de pompage. La décharge d'une partie du débit d'air 15 du compresseur via une ou plusieurs vannes anti-pompage reliant le compresseur à l'échappement permet d'éviter ce phénomène. Il est ainsi connu du document US 7,972,105 un système et une méthode d'extraction du débit d'air du compresseur sur plusieurs étages avec plusieurs vannes qui assurent une extraction maximale du débit tout au long 20 des phases de démarrage ou d'arrêt du compresseur en plus d'une régulation d'air à l'entrée du compresseur afin de s'éloigner de zones de décollements tournants. Les vannes sont fermées une fois la vitesse nominale atteinte. La figure 1, qui est un diagramme représentant l'évolution dans différents cas du rapport de la pression Ps à la sortie du compresseur sur la 25 pression Pe à l'entrée du compresseur, en fonction du débit massique d'air à l'entrée du compresseur, montre l'effet de l'ouverture de la ou des vannes permettant d'extraire de l'air du compresseur vers l'échappement. L'extraction d'air permet de s'éloigner de la zone de pompage, qui se situe au dessus de la courbe A qui est la courbe de fonctionnement limite du compresseur. La 30 courbe B1 est la courbe de fonctionnement lorsque les vannes sont fermées et la courbe B2 est la courbe de fonctionnement lorsque les vannes sont ouvertes.

L'extraction d'air permet en particulier de s'éloigner de la zone critique D associée au point critique Pc (également appelé « pinch point » en langue anglaise). Le point critique Pc est la valeur de débit d'air pour laquelle la courbe A 5 est la plus proche de la courbe B1. Il se produit typiquement pour des vitesses de rotation du compresseur comprises entre 40 et 70% de la vitesse de rotation nominale du compresseur. Le procédé décrit dans le document US 7,972,105 a toutefois pour inconvénient qu'il nécessite des tuyauteries d'extraction d'air de grandes 10 dimensions avec des vitesses de fluide élevées et des températures de fluides élevées, ce qui conduit à des dispositifs encombrants et coûteux et des risques de vibration élevés dans les tuyauteries. La présente invention vise à remédier à ces inconvénients. L'invention a ainsi pour objet un procédé pour empêcher le pompage 15 et le décollement tournant dans un compresseur de turbomachine, à l'aide de conduits d'extraction d'air reliant le compresseur, par exemple au niveau de plusieurs points d'extraction, à une zone d'échappement de la turbomachine ou à l'atmosphère, l'un au moins des conduits étant muni d'une vanne de régulation de débit, chaque vanne étant de degré d'ouverture réglable. 20 Le procédé selon l'invention, pour au moins l'une des vannes, comprend: - la commande d'une ouverture complète de la vanne lorsque la vitesse de rotation du compresseur est inférieure à une valeur seuil prédéterminée au-delà de laquelle on considère qu'il n'y a plus de risque de 25 pompage et de décollement tournant, et - lorsque la vitesse de rotation du compresseur dépasse ladite valeur seuil, la commande d'une baisse du degré d'ouverture de la vanne. Ainsi, l'ouverture de la vanne permet de s'éloigner de la zone de pression critique en matière de risque de pompage et de décollement 30 tournant. Une fois que la valeur seuil est atteinte, c'est-à-dire une fois qu'on est sorti de la zone de risque en matière de pompage et de décollement tournant, la baisse du degré d'ouverture de la vanne permet de réduire le débit et la vitesse de l'air dans les conduits d'extraction d'air.

Ce type de régulation de vitesse et du débit d'air d'extraction permet d'avoir une section de tuyauterie qui est inférieure à celle d'un système sans vanne de régulation. En effet, un système d'extraction sans vanne de régulation aura un diamètre de tuyauterie d'extraction équivalente qui sera dimensionné pour passer le débit maximal sans atteindre des vitesses proches de 0.4 Mach. Un diamètre équivalent inférieur atteindra plus rapidement des vitesses voisines de 0,4 Mach ; toutefois la fermeture progressive de la vanne assurera une diminution de la vitesse dans le conduit d'extraction. Les points d'extraction sont de préférence situés sur des étages 10 intermédiaires de la turbomachine, et notamment sur des numéros d'étage compris entre 30 et 70% du nombre total d'étages. De préférence, lorsque la vitesse de rotation du compresseur dépasse ladite valeur seuil, le degré d'ouverture de la vanne diminue de manière continue lorsque la vitesse de rotation du compresseur augmente. 15 Lorsque la vitesse de rotation du compresseur atteint la vitesse de rotation nominale du compresseur, la valeur finale du degré d'ouverture de la vanne est avantageusement choisie de manière à ce que pour cette valeur finale le débit d'air dans le conduit d'extraction d'air n'entraîne pas de risque de pompage et de décollement tournant. 20 Lorsque la vitesse de rotation du compresseur dépasse la valeur seuil prédéterminée, le degré d'ouverture de la vanne en fonction de la vitesse de rotation du compresseur peut être une fonction linéaire décroissante ou une fonction décroissante comprenant plusieurs portions linéaires de pentes différentes. 25 La valeur seuil prédéterminée est de préférence choisie de manière à ce que la vitesse d'extraction d'air n'excède pas 0.4 Mach (i.e. le rapport de la vitesse d'extraction d'air (dans chaque conduit d'extraction) à la vitesse du son n'excède pas 0.4). Cette vitesse maximale permet en effet une tenue mécanique satisfaisante des conduits d'extraction d'air. 30 L'un au moins des conduits d'extraction d'air peut être relié, notamment en parallèle, aux directrices de la partie turbine de la turbomachine, de manière à assurer leur refroidissement, notamment une fois que la vanne est fermée.

La turbomachine est typiquement une turbine à gaz. L'invention a également pour objet une turbomachine pour la mise en oeuvre d'un procédé décrit ci-dessus. La turbomachine comprend un compresseur, des conduits d'extraction d'air reliant le compresseur à une zone d'échappement de la turbomachine ou à l'atmosphère, l'un au moins des conduits étant muni d'une vanne de régulation de débit, chaque vanne étant de degré d'ouverture réglable. La turbomachine comprend en outre, pour chaque vanne, des moyens de commande aptes: - à commander une ouverture complète de la vanne lorsque la vitesse 10 de rotation du compresseur est inférieure à une valeur seuil prédéterminée au-delà de laquelle on considère qu'il n'y a plus de risque de pompage et de décollement tournant, et - lorsque la vitesse de rotation du compresseur dépasse ladite valeur seuil, à commander une baisse du degré d'ouverture de la vanne. 15 D'autres caractéristiques et avantages de la présente invention apparaîtront plus clairement à la lecture de la description suivante donnée à titre d'exemple illustratif et non limitatif et faite en référence aux dessins annexés sur lesquels : - la figure 1, déjà décrite, est un diagramme utile à la compréhension 20 de l'invention, - la figure 2 illustre une turbine à gaz permettant de mettre en oeuvre le procédé selon l'invention, - la figure 3 est une vue partielle en coupe transversale de la turbine, et 25 - la figure 4 est un diagramme utile à la compréhension du procédé. Une turbine à gaz 10, telle qu'illustrée à la figure 2, est munie d'un compresseur axial C, destiné à comprimer de l'air extérieur. Au moins deux points d'extraction 1, de préférence quatre, sont disposés sur le périmètre externe du compresseur C. A titre d'exemple, quatre points d'extraction 1 ont 30 été représentés sur la figure 3. Les points d'extraction 1 peuvent par exemple être équidistants (figure 3) afin d'assurer un équilibre d'extraction. Les points d'extraction 1 peuvent être situés sur des étages différents de la turbine 10, ou, de préférence, sur un même étage. Les points d'extraction 1 sont de préférence situés sur des étages intermédiaires de la turbine 10, et notamment sur des numéros d'étage compris entre 30 et 70% du nombre total d'étages. Chaque point d'extraction 1 est connecté à une tuyauterie d'extraction 5 d'air 15,15',16,16'. Les tuyauteries d'extraction 15,15',16,16' peuvent être regroupées deux à deux en une tuyauterie d'interconnexion 13,13' qui débouche dans des entrées 17,17' d'une zone d'échappement E de la turbine 10 ou dans l'atmosphère (l'extérieur de la turbine 10). Ce regroupement est toutefois optionnel et on peut envisager que toutes les 10 tuyauteries d'extraction 15,15',16,16' débouchent dans la zone d'échappement E. De même, tous les points d'extraction 1 peuvent être connectés à une seule tuyauterie d'extraction. Des vannes 11,11' pilotées par un système de pilotage 14 sont destinées à assurer la régulation du débit d'extraction d'air du compresseur C 15 vers l'échappement E. Une vanne 11,11' peut être montée sur chaque tuyauterie d'interconnexion 13,13'. On peut envisager d'utiliser des moyens de dilatation de chaque tuyauterie d'interconnexion 13,13' afin de compenser le déplacement proche de la connexion avec l'échappement E, ainsi que des moyens pour limiter le débit maximum. Il est également possible de connecter 20 des tuyauteries 2 aux tuyauteries d'interconnexion 13,13' pour refroidir les différents étages de la turbine 10 en fonctionnement nominal. Il est à noter que les tuyauteries 2 qui mènent l'air du compresseur C vers le refroidissement des directrices de turbine présentent une perte de charge importante. 25 Pour éviter les vitesses d'extraction d'air trop élevées, et de manière à réduire le diamètre des tuyauteries, le procédé selon l'invention consiste à diminuer le débit d'extraction d'air une fois que l'on s'est éloigné de tout risque de pompage et de décollement tournant. La figure 4 montre la courbe F représentant l'évolution du degré 30 d'ouverture O de la vanne 11,11' en fonction de la vitesse de rotation du compresseur C (en pourcentage de la vitesse de rotation nominale), ainsi que la courbe G représentant l'évolution de la vitesse d'extraction d'air (en nombre de Mach) en fonction de la vitesse de rotation du compresseur C.

Le procédé comprend une première étape dans laquelle une vanne 11,11' est complètement ouverte, de manière à s'éloigner de la zone critique D de risque de pompage et de décollement tournant illustrée à la figure 1, suivi d'une deuxième étape dans laquelle on diminue de manière continue le degré d'ouverture de la vanne 11,11', jusqu'à un degré d'ouverture final Of correspondant à la vitesse de rotation nominale du compresseur C. Le degré d'ouverture final Of est avantageusement choisi de manière à ce que pour cette valeur finale le débit d'air dans la tuyauterie n'entraîne pas de risque de pompage et de décollement tournant.

Il est à noter qu'au moins une des vannes 11,11' suit la loi d'évolution du procédé, et de préférence toutes les vannes 11,11'. Chaque vanne 11,11' peut suivre la même loi d'évolution ou une loi d'évolution différente. Dans un exemple de réalisation, la loi d'évolution du degré d'ouverture de la vanne en fonction de la vitesse de rotation du compresseur 15 peut utiliser deux variables a et i3 qui sont fixées en fonction des caractéristiques du compresseur, et notamment de sa taille et de son débit. a est une marge après le valeur Pp de vitesse de rotation du compresseur correspondant au point critique (« pinch point » en langue anglaise) pour déclencher la fermeture progressive de la vanne. Cette valeur 20 peut être fonction de la taille et du débit du compresseur. La valeur a peut par exemple être comprise entre 5 et 15% de la vitesse de rotation du compresseur. 13 est une constante permettant de définir la vitesse pour atteindre la position finale de fermeture de la vanne.

25 Le degré d'ouverture O de la vanne peut suivre une loi linéaire représentée par l'équation suivante : O : le pourcentage d'ouverture de la vanne 30 Of : le pourcentage final d'ouverture de la vanne lorsque la vitesse de rotation du compresseur atteint la valeur nominale a : la marge en pourcentage de vitesse de rotation au-delà du point critique (5 <a<15%) 8 : pourcentage de vitesse pour atteindre Of (70 <8 <100%) Nc : vitesse de rotation corrigée du compresseur (en pourcentage) Ainsi, plusieurs pentes du degré d'ouverture O de la vanne sont possibles pour la fermeture de la vanne en fonction de variables a, 8 et Of. Différents pentes sont illustrées à la figure 4. La variation du degré d'ouverture de la vanne en fonction de la vitesse de rotation du compresseur peut être représentée par toute fonction 10 décroissante, rectiligne ou non, ou comprenant plusieurs portions rectilignes de pentes différentes. Le procédé peut être mise en oeuvre lors du démarrage ou de l'arrêt du compresseur. Dans le cas de l'arrêt du compresseur, le diagramme de la figure 4 est à lire de la droite vers la gauche, dans le sens des vitesses de 15 rotation décroissantes, tandis qu'il est à lire dans le sens des vitesses de rotations croissantes dans le cas du démarrage du compresseur.

Claims

REVENDICATIONS1. Procédé pour empêcher le pompage et le décollement tournant dans un compresseur (C) de turbomachine (10), à l'aide de conduits d'extraction d'air (15,15',16,16') reliant le compresseur (C) à une zone d'échappement (E) de la turbomachine (10) ou à l'atmosphère, l'un au moins des conduits (15,15'16,16') étant muni d'une vanne (11,11') de régulation de débit, chaque vanne (11,11') étant de degré d'ouverture (0) réglable, caractérisé en ce qu'il comprend, pour au moins l'une des vannes (11,11'): - la commande d'une ouverture complète de la vanne (11,11') lorsque la vitesse de rotation du compresseur (C) est inférieure à une valeur seuil prédéterminée au-delà de laquelle on considère qu'il n'y a plus de risque de pompage et de décollement tournant, et - lorsque la vitesse de rotation du compresseur (C) dépasse ladite valeur seuil, la commande d'une baisse du degré d'ouverture (0) de la vanne (11,11').
2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que, lorsque la vitesse de rotation du compresseur (C) dépasse ladite valeur seuil, le degré d'ouverture de la vanne (11,11') diminue de manière continue lorsque la vitesse de rotation du compresseur (C) augmente.
3. Procédé selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que, lorsque la vitesse de rotation du compresseur (C) atteint la vitesse de rotation nominale du compresseur (C), la valeur finale (0f) du degré d'ouverture (0) de la vanne (11,11') est choisie de manière à ce que pour cette valeur finale (0f) le débit d'air dans le conduit d'extraction d'air (15,15'16,16') n'entraîne pas de risque de pompage et de décollement tournant.
4. Procédé selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que, lorsque la vitesse de rotation du compresseur (C) dépasse la valeur seuil prédéterminée, le degré d'ouverture (0) de la vanne (11,11') en fonction de la vitesse de rotation du compresseur (C) est une fonction linéaire décroissante ou une fonction décroissante comprenant plusieurs portions linéaires de pentes différentes.
5. Procédé selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que la valeur seuil prédéterminée est choisie de manière à ce que le rapport de la vitesse d'extraction d'air à la vitesse du son n'excède pas 0.4.
6. Procédé selon l'une des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que l'un au moins des conduits d'extraction d'air (15,15',16,16') est relié aux directrices de la partie turbine de la turbomachine (10), de manière à assurer leur refroidissement.
7. Procédé selon l'une des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que la turbomachine (10) est une turbine à gaz.
8. Turbomachine (10) pour la mise en oeuvre d'un procédé selon l'une des revendications 1 à 7, caractérisée en ce qu'elle comprend un compresseur (C), des conduits d'extraction d'air (15,15'16,16') reliant le compresseur à une zone d'échappement (E) de la turbomachine (10) ou à l'atmosphère, l'un au moins des conduits (15,15'16,16') étant muni d'une vanne de régulation (11,11') de débit, chaque vanne (11,11') étant de degré d'ouverture réglable, et en ce que la turbomachine (10) comprend en outre, pour chaque vanne (11,11'), des moyens de commande (14) aptes: - à commander une ouverture complète de la vanne (11,11') lorsque la vitesse de rotation du compresseur (C) est inférieure à une valeur seuil prédéterminée au-delà de laquelle on considère qu'il n'y a plus de risque de pompage et de décollement tournant, et- lorsque la vitesse de rotation du compresseur (C) dépasse ladite valeur seuil, à commander une baisse du degré d'ouverture (0) de la vanne (11,11').