FR3040736A1 - Entretoise de cadre d'echappement a ailettes de refroidissement - Google Patents

Entretoise de cadre d'echappement a ailettes de refroidissement Download PDF

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Debabrata Mukhopadhyay
Rohit Pruthi
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Abstract

Il est proposé un système comportant une section d'échappement de turbine. La section d'échappement de turbine comprend un parcours (33) de flux d'échappement. La section d'échappement de turbine comprend également une structure extérieure (42) ayant une enveloppe extérieure (108), et une paroi extérieure d'éjection (106) disposées le long du parcours (33) de flux d'échappement. Une structure intérieure (38) de la section d'échappement de turbine comprend une paroi intérieure d'éjection (80) disposée le long du parcours (33) de flux d'échappement. Une entretoise s'étend entre la structure extérieure (42) et la structure intérieure (38), et l'entretoise est conçue pour acheminer un flux de fluide (93) depuis la structure intérieure (38) vers la structure extérieure (42). L'entretoise comporte une pluralité d'ailettes de refroidissement pour faciliter de transfert de chaleur de l'entretoise au flux de fluide (93).

Description

Entretoise de cadre d’échappement à ailettes de refroidissement
La présente invention concerne de façon générale le refroidissement des turbines à gaz et, plus particulièrement, le refroidissement de la section d'échappement.
Un moteur à turbine à gaz brûle un mélange de carburant et d'air comprimé pour générer des gaz de combustion chauds qui entraînent des aubes de turbine en produisant de la sorte de l'énergie. La rotation des aubes de turbine fait tourner un arbre supporté par des paliers. La rotation de l'arbre produit beaucoup de chaleur dans les paliers. En outre, les gaz de combustion chauds sortant par la section d'éjection de turbine, ou section d’échappement de turbine, transmettent de la chaleur aux pièces de la section d'éjection de turbine. Malheureusement, sans refroidissement approprié dans la section d'éjection de turbine, cette chaleur risque de nuire aux organes de la turbine.
Un aspect de la présente invention concerne une entretoise de turbine qui comporte une pluralité d'ailettes de refroidissement afin d'améliorer l'efficacité d'un système de refroidissement de cadre d'éjection.
Un premier exemple nullement limitatif d'aspect de la présente invention concerne une entretoise pour section d'éjection, ou section d’échappement, comportant un corps intérieur soumis à des efforts, le corps intérieur étant conçu pour s'étendre entre une structure extérieure et une structure intérieure de la section d'éjection, le corps intérieur comprenant une partie principale et une pluralité d'ailettes de refroidissement s'étendant depuis la partie principale ; et un corps extérieur conçu pour s'étendre entre la structure extérieure et la structure intérieure de la section d'éjection, le corps intérieur étant disposé dans une partie interne du corps extérieur de telle sorte qu'un espace soit ménagé entre la partie principale du corps intérieur et le corps extérieur, l'espace formant un passage pour flux d'air conçu pour acheminer un flux de fluide vers la structure extérieure, la pluralité d'ailettes de refroidissement s'étendant jusque dans le passage pour flux d'air et étant conçues pour faciliter le transfert de chaleur du corps intérieur au flux de fluide.
Un autre exemple nullement limitatif d'aspect de la présente invention concerne un système pour turbine à gaz possédant une section d'éjection de turbine, comportant : un parcours de flux d'éjection ; une structure extérieure comprenant un carter extérieur et une paroi extérieure d'éjection disposée sur le parcours de flux d'éjection ; une entretoise s'étendant entre la structure extérieure et la structure intérieure, l'entretoise étant conçue pour acheminer un flux de fluide depuis la structure intérieure vers la structure extérieure, l'entretoise comportant une pluralité d'ailettes de refroidissement disposées sur celle-ci pour faciliter le transfert de chaleur de l'entretoise au flux de fluide. 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 un schéma de principe d'un exemple de système à turbine ayant un moteur à turbine à gaz susceptible d'employer le refroidissement de section d'éjection selon un exemple de la forme de réalisation ; -la Figure 2 est une vue en perspective d'un exemple de section d'éjection d'un système à turbine ; -la Figure 3 est une représentation schématique d'une vue latérale en coupe de la section d'éjection de la Figure 2 illustrant le refroidissement de la section d'éjection selon un exemple de la présente invention ; -la Figure 4 est une vue en perspective d'une entretoise selon un exemple de la présente invention ; -la Figure 5 est une vue en perspective d'un corps intérieur d'une entretoise selon un exemple de la présente invention ; -la Figure 6 est une vue en perspective d'un corps intérieur d'une entretoise selon un autre exemple de la présente invention ; -la Figure 7 est une vue en coupe prise suivant la ligne 7-7 de la Figure 4 ; -la Figure 8 est une vue en coupe similaire à la Figure 7 selon un autre exemple de la présente invention ; -la Figure 9 est une vue en coupe similaire à la Figure 7 selon un autre exemple de la présente invention ; et -la Figure 10 est une vue en coupe similaire à la Figure 7 selon un autre exemple de la présente invention.
Considérant la Figure 1, il y est représenté un schéma de principe d'un exemple de système 10 à turbine. Le système 10 à turbine a un moteur 12 à turbine à gaz qui peut employer le refroidissement de la section d'éjection. Par exemple, le système 10 peut comporter un système de refroidissement 11 de section d'éjection ayant un ou plusieurs parcours de flux de refroidissement à travers une entretoise de section d'éjection. Dans certains exemples, le système 10 à turbine peut être un aéronef, une locomotive, un système de production d'électricité ou des combinaisons de ceux-ci.
Le moteur à turbine à gaz illustré 12 comporte une section d'admission 16, un compresseur 18, une section de chambre de combustion 20, une turbine 22 et une section d'échappement 24, comme représenté sur la Figure 1. La turbine 22 est reliée au compresseur 18 par un arbre 26. Comme indiqué par les flèches, de l'air peut entrer dans le moteur 12 à turbine à gaz par la section d'admission 16 et pénétrer dans le compresseur 18, lequel comprime l'air avant qu'il n'accède à la section de chambre de combustion 20.
La section de chambre de combustion 20 illustrée comprend une enveloppe 28 de chambre de combustion disposée d'une manière concentrique ou annulaire autour de l'arbre 26 entre le compresseur 18 et la turbine 22. L'air comprimé issu du compresseur 18 pénètre dans des chambres de combustion 30 où l'air comprimé peut se mélanger et brûler avec du carburant dans les chambres de combustion 30 pour entraîner la turbine 22. En sortant de la section de chambre de combustion 20, les gaz de combustion chauds traversent la turbine 22 en entraînant le compresseur 18 par l'intermédiaire de l'arbre 26. Par exemple, les gaz de combustion peuvent appliquer une force motrice aux aubes mobiles du rotor de la turbine dans la turbine 22 pour faire tourner l'arbre 26. Après avoir traversé la turbine 22, les gaz de combustion chauds peuvent sortir du moteur 12 à turbine à gaz en empruntant la section d’échappement 24. Comme décrit ci-dessous, la section d’échappement 24 peut comprendre une pluralité d'entretoises ayant chacune un ou plusieurs parcours de flux de refroidissement du système de refroidissement 11 de section d’échappement.
La section d’échappement 24 peut comprendre une structure intérieure (à savoir un cylindre intérieur) 38, au moins une entretoise 40, et une structure extérieure (à savoir un cylindre extérieur) 42, comme représenté sur la Figure 2. L'entretoise 40 assure un soutien entre la structure extérieure 42 et la structure intérieure 38. Lorsque les gaz de combustion chauds sortent de la turbine 22 et que tourne l'arbre 26, les pièces situées dans la section d’échappement 24 peuvent subir de hautes températures ambiantes. Plus particulièrement, les hautes températures ambiantes risquent de provoquer des contraintes thermiques, une usure, et/ou un endommagement de l'entretoise 40, de la structure intérieure 3 8 et de la structure extérieure 42. De la sorte, le système de refroidissement 11 de section d’échappement peut comprendre une source 44 (p.ex. une soufflerie) couplée à un automate 46 qui commande un flux d'air de refroidissement dans la structure intérieure 38, l'entretoise 40 et la structure extérieure 42 afin de réduire les contraintes thermiques et l'usure de ces organes et pièces qui y sont disposés, comme représenté sur la Figure 3. Selon une autre possibilité, le flux d'air de refroidissement peut être prélevé dans le compresseur.
Considérant les figures 2 à 4, l'entretoise 40 comprend un corps extérieur 48 et un corps intérieur 50. Dans l'exemple illustré, le corps intérieur 50 de l'entretoise est un soutien structural soumis à des efforts, conçu pour supporter de considérables efforts mécaniques entre les structures intérieure et extérieure 38 et 42 de la section d’échappement 24, tandis que le corps extérieur 48 de l'entretoise 40 n'est pas un soutien structural soumis à des efforts. Par exemple, le corps extérieur 48 peut être inclus pour protéger le corps intérieur 50 en arrêtant la chaleur issue du corps intérieur 50. En particulier, le corps extérieur 48 peut être conçu pour faire s'écouler de l'air de refroidissement à l'extérieur le long du corps intérieur 50 afin de créer une barrière thermique entre le corps intérieur 50 et les gaz de combustion chauds 31 dans la section d’échappement 24, comme représenté sur la Figure 3. Le corps intérieur 50 et le corps extérieur 48 peuvent être faits de tous matériaux adéquats, comme le comprendront les spécialistes de la technique.
Le corps extérieur 48 peut aussi avoir une résistance thermique aux gaz de combustion chauds 31 plus grande que celle du corps intérieur 50. Par exemple, le corps intérieur 50 peut avoir une limite de température plus basse que celle du corps extérieur 48. Dans certaines formes de réalisation, le corps intérieur 50 peut avoir une limite de température plus basse que la température des gaz de combustion chauds 31, tandis que le corps extérieur 48 peut avoir une limite de température sensiblement supérieure à la température des gaz de combustion chauds. Ainsi, le corps extérieur 48 assure une protection thermique du corps intérieur 50, si bien que le corps intérieur 50 est apte à supporter efficacement les efforts mécaniques entre les structures intérieure et extérieure 3 8 et 42 de la section d'éjection 24.
Considérant la Figure 3, la structure intérieure 38 définit une paroi intérieure d'éjection 80, une cavité 82 pour palier, un dispositif de palier (non représenté) logé dans un logement 85 de palier, et un carter intérieur 83. La structure extérieure 42 comprend une paroi extérieure d'éjection 106 et un carter extérieur 108, lesquels définissent une cavité intermédiaire extérieure 110 (p.ex. un espace annulaire). Les gaz de combustion chauds 31 empruntent le parcours 33 de flux d’échappement. Un flux d'air de refroidissement 93 est acheminé jusqu'à un espace 43 entre le corps intérieur et le corps extérieur 48 via des ouvertures 66 ménagées dans le carter intérieur 83. L'espace 43 forme un passage pour flux d'air qui fait passer le flux d'air de refroidissement 93 depuis la structure intérieure 3 8 jusqu'à la structure extérieure 42. Lorsque le flux d'air 93 sort de l'entretoise 40, il peut entrer dans la cavité extérieure 110.
Comme représenté sur la Figure 4, le corps extérieur 48 peut avoir une forme profilée aérodynamique tandis que le corps intérieur 50 peut être globalement rectangulaire. Dans d'autres exemples, les corps intérieur et extérieur 50, 48 peuvent avoir d'autres formes, par exemple celle d'un rectangle dans un autre rectangle, d'un profil aérodynamique dans un autre profil aérodynamique, d'un ovale dans un autre ovale, etc. Quelles que soient les formes particulières, les corps intérieur et extérieur 50, 48 sont disposés à l'intérieur l'un de l'autre.
Considérant la Figure 5, le corps intérieur 50 comprend une partie principale 53 et des ailettes de refroidissement 55 faisant saillie depuis la partie principale. Les ailettes de refroidissement 55 renforcent l'efficacité du flux d'air de refroidissement 93 qui passe par l'espace 43 entre le corps intérieur 50 et le corps extérieur 48. Comme le comprendront les spécialistes de la technique antérieure, les ailettes de refroidissement 55 accroissent la superficie externe du corps intérieur 50 et accentuent ainsi le transfert de chaleur depuis le corps intérieur vers le flux d'air de refroidissement 93.
Comme l'efficacité du flux d'air de refroidissement 93 est accrue, l'ampleur du flux d'air nécessaire pour obtenir un certain niveau de refroidissement de l'entretoise est réduite. L'énergie requise pour réaliser le flux d'air de refroidissement a un effet direct sur le rendement de la turbine. Ainsi, les ailettes de refroidissement permettent de réduire la consommation d'énergie de la source de flux d'air (p.ex. une soufflerie), ce qui accroît le rendement de la turbine. Il se peut que l'on n'ait plus besoin d'une soufflerie.
Comme représenté sur la Figure 5, les ailettes de refroidissement 55 sont des éléments allongés s'étendant dans une direction axiale de la section d’échappement 24 en formant de la sorte des canaux 57 entre ailettes adjacentes. Une distance dl entre les ailettes adjacentes 55 peut être réglée pour agir sur le gradient thermique. De plus, la distance dl et/ou une hauteur (distance sur laquelle les ailettes de refroidissement font saillie depuis la partie principale) des ailettes de refroidissement 55 peut/peuvent varier (p.ex. dans la direction radiale) sur le corps principal 53 pour agir sur le gradient thermique radial.
Les ailettes de refroidissement 55 peuvent s'étendre sur toute la longueur radiale de la partie principale 53, comme représenté sur la Figure 4. Cependant, on notera que les ailettes de refroidissement 55 peuvent n'être formées que sur une longueur radiale partielle de la partie principale. De même, les ailettes de refroidissement 55 peuvent s'étendre sur toute la longueur axiale ou sur une longueur axiale partielle de la partie principale 53.
Considérant la Figure 6, le corps intérieur 150 comprend une partie principale 153 et des ailettes de refroidissement 155 faisant saillie depuis la partie principale. A la différence du corps intérieur 50 de la Figure 5, les ailettes de refroidissement 155 s'étendent dans une direction radiale de la section d’échappement 24. Des canaux 157 sont formés entre les ailettes de refroidissement adjacentes 155. Comme indiqué plus haut à propos du corps intérieur 50, la configuration des ailettes de refroidissement 155 peut être diversifiée sur la partie principale 153.
Considérant la Figure 7, le flux d'air de refroidissement 93 peut traverser l'entretoise dans l'espace 43 entre la partie principale 153 et le corps extérieur 48. Le corps extérieur 48 a une surface intérieure 49 en regard du corps intérieur 150. Sur la surface intérieure 49 peut être appliqué un revêtement à faible conductivité thermique afin de réduire la chaleur transmise du corps extérieur 48 au corps intérieur 150. Le revêtement peut être n'importe quel revêtement adéquat formant barrière thermique, comme le comprendront les spécialistes de la technique.
Considérant la Figure 8, un isolant 45 peut être disposé entre le corps extérieur 48 et le corps intérieur 150 afin de réduire la transmission de chaleur du corps extérieur 48 au corps intérieur 150. Dans l'exemple représenté sur la Figure 9, l'isolant 45 peut venir appuyer contre le bout des ailettes de refroidissement 155 de telle sorte que le flux d'air de refroidissement 93 ne puisse passer que le long des canaux 157. L'isolant 45 peut être n'importe quel isolant adéquat, p.ex. des fibres de silice ou de la laine de verre.
Dans un autre exemple, un corps intérieur 250 comprend une partie principale 253 et des ailettes de refroidissement 255 faisant saillie depuis la partie principale, comme représenté sur la Figure 10. A la différence du corps intérieur 150 des figures 6 à 9, le corps intérieur 250 comprend aussi des ailettes d'espacement 256. Les ailettes d'espacement 256 s'étendent depuis la partie principale 253 sur une plus grande distance que les ailettes de refroidissement 255 de telle sorte que l'isolant 45 vienne appuyer contre les ailettes d'espacement 256 en formant ainsi un espace 243 entre le corps intérieur 250 et le corps extérieur 48. Le flux d'air de refroidissement 93 peut passer le long de l'espace 243.
Liste des repères 10 Système à turbine 12 Moteur à turbine à gaz 16 Section d'admission 18 Compresseur 20 Section de chambre de combustion 22 Turbine 24 Section d'échappement 26 Arbre 28 Enveloppe de chambres de combustion 30 Chambres de combustion 31 Gaz de combustion chauds 33 Parcours de flux d'éjection 3 8 Structure intérieure 40 Entretoise 42 Structure extérieure 43 Espace 44 Source 45 Isolant 46 Automate 48 Corps extérieur 49 Surface intérieure 50 Corps intérieur 53 Partie principale 55 Ailettes de refroidissement 57 Canaux 80 Paroi intérieure d'éjection 82 Cavité pour palier 83 Carter intérieur 85 Logement de palier 93 Flux d'air de refroidissement 106 Paroi extérieure d'éjection 108 Carter extérieur 110 Cavité extérieure 150 Corps intérieur 153 Partie principale 155 Ailettes de refroidissement 157 Canaux 243 Espace 250 Corps intérieur 253 Partie principale 255 Ailettes de refroidissement 256 Ailettes d’espacement

Claims (20)

  1. REVENDICATIONS
    1. Entretoise (40) pour section d’échappement (24), comportant : un corps intérieur (50, 150, 250) qui est soumis à des efforts, le corps intérieur (50, 150, 250) étant conçu pour s'étendre entre une structure extérieure (42) et une structure intérieure (3 8) de la section d’échappement (24), le corps intérieur (50, 150, 250) comprenant une partie principale (53, 153, 253) et une pluralité d'ailettes de refroidissement (55, 155, 255) s'étendant depuis la partie principale (53, 153, 253) ; et un corps extérieur (48) conçu pour s'étendre entre la structure extérieure (42) et la structure intérieure (38) de la section d’échappement (24), le corps intérieur (50, 150, 250) étant disposé dans une partie interne du corps extérieur (48) de telle sorte qu'un espace (43, 243) soit disposé entre la partie principale (53, 153, 253) du corps intérieur (50, 150, 250) et le corps extérieur (48), l'espace (43, 243) formant un passage pour flux d'air conçu pour acheminer un flux de fluide (93) vers la structure extérieure, et la pluralité d'ailettes de refroidissement (55, 155, 255) s'étendant jusque dans le passage pour flux d'air et étant conçues pour faciliter le transfert de chaleur du corps intérieur (50, 150, 250) au corps extérieur (48).
  2. 2. Entretoise (40) selon la revendication 1, dans laquelle le corps extérieur (48) a une surface intérieure (49) en regard du corps intérieur (50, 150, 250) et la surface intérieure (49) a un revêtement à faible conductivité thermique.
  3. 3. Entretoise (40) selon la revendication 1, comportant en outre un isolant (45) disposé entre le corps extérieur (48) et la partie principale (53, 153,253) du corps intérieur (50, 150, 250).
  4. 4. Entretoise (40) selon la revendication 3, dans laquelle l'isolant (45) vient appuyer contre le bout des ailettes de la pluralité d'ailettes de refroidissement (55, 155, 255) de telle sorte que le flux de fluide (93) puisse passer le long de canaux (57, 157) formés entre ailettes de refroidissement adjacentes (55, 155, 255).
  5. 5. Entretoise (40) selon la revendication 3, dans laquelle une première partie de la pluralité d'ailettes de refroidissement (55, 155, 255) font davantage saillie depuis la partie principale (53, 153, 253) du corps intérieur (50, 150, 250) qu'une seconde partie de la pluralité d'ailettes de refroidissement (55, 155, 255).
  6. 6. Entretoise (40) selon la revendication 5, dans laquelle l'isolant (45) vient appuyer contre le bout des ailettes de la pluralité d'ailettes de refroidissement (55, 155, 255) de telle sorte que le flux de fluide (93) puisse passer entre l'isolant (45) et la seconde partie de la pluralité d'ailettes de refroidissement (55, 155, 155).
  7. 7. Entretoise (40) selon la revendication 1, dans laquelle chaque ailette de refroidissement (55, 155) de la pluralité d'ailettes de refroidissement (55, 155) forme un élément allongé s'étendant dans une direction axiale de la section d’échappement (24).
  8. 8. Entretoise (40) selon la revendication 1, dans laquelle dans laquelle chaque ailette de refroidissement (55, 155, 255) de la pluralité d'ailettes de refroidissement (55, 155, 255) forme un élément allongé s'étendant dans une direction radiale de la section d’échappement (24).
  9. 9. Entretoise (40) selon la revendication 8, dans laquelle une distance sur laquelle la pluralité d'ailettes de refroidissement (55, 155) s'étendent depuis la partie principale (53, 153) du corps intérieur (50, 150, 250)
  10. 10. Entretoise (40) selon la revendication 1, dans laquelle une distance entre ailettes adjacentes (55, 155, 255) de la pluralité d'ailettes de refroidissement (55, 155, 255) varie sur la partie principale (53, 153, 253) du corps intérieur (50, 150, 250).
  11. 11. Système (10) pour turbine à gaz (22), comportant : une section d’échappement (24) de turbine, comprenant : un parcours (33) de flux d’échappement ; une structure extérieure (42) comprenant une enveloppe extérieure (108) et une paroi extérieure d'éjection (106) disposée le long du parcours (33) de flux d’échappement ; une structure intérieure (38) comprenant une paroi intérieure d'éjection (80) disposée le long du parcours (33) de flux d’échappement ; une entretoise (40) s'étendant entre la structure extérieure (42) et la structure intérieure (3 8), l'entretoise (40) étant conçue à acheminer un flux de fluide (93) depuis la structure intérieure (3 8) vers la structure extérieure (42), l'entretoise (40) comprenant une pluralité d'ailettes de refroidissement (55, 155, 255) disposées sur celle-ci pour faciliter le transfert de chaleur de l'entretoise (40) au flux de fluide (93).
  12. 12. Système selon la revendication 11, dans lequel l'entretoise (40) comporte un corps intérieur (50, 150, 250) qui subit des efforts et un corps extérieur (48) qui ne subit pas d'efforts.
  13. 13. Système selon la revendication 12, dans lequel le corps intérieur (50, 150, 250) comprend une partie principale (53, 153, 253), et la pluralité d'ailettes de refroidissement (55, 155, 255) s'étendent depuis la partie principale (53, 153, 253).
  14. 14. Système selon la revendication 13, dans lequel le corps intérieur (50, 150, 250) est disposé dans une partie interne du corps extérieur (48) de telle sorte qu'un espace (43, 243) soit disposé entre la partie principale (53, 153, 253) du corps intérieur (50, 150, 250) et le corps extérieur (48).
  15. 15. Système selon la revendication 14, dans lequel l'espace (43, 243) forme un passage pour flux d'air conçu pour acheminer le flux de fluide (93) vers la structure extérieure (42).
  16. 16. Système selon la revendication 15, dans lequel la pluralité d'ailettes de refroidissement (55, 155, 255) s'étendent jusque dans le passage pour flux d'air.
  17. 17. Système selon la revendication 13, comportant en outre un isolant (45) disposé entre le corps extérieur (48) et la partie principale (53, 153, 253) du corps intérieur (50, 150, 250).
  18. 18. Système selon la revendication 12, dans lequel le corps extérieur (48) a une surface intérieure (49) en regard du corps intérieur (50, 150, 250) et la surface intérieure (49) a un revêtement à faible conductivité thermique.
  19. 19. Système selon la revendication 11, dans lequel chaque ailette de refroidissement (55, 155, 255) de la pluralité d'ailettes de refroidissement (55, 155, 255) forme un élément allongé s'étendant dans une direction axiale ou une direction radiale de la section d’échappement (24) de turbine.
  20. 20. Turbine à gaz (22), comportant : un compresseur (18) ; une section de chambre de combustion (20) ; une section de turbine ; et le système (10) selon la revendication 11.
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