FR2916244A1 - Procede et dispositif pour faciliter le refroidissement de moteurs a turbines - Google Patents
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Abstract
Pièce de transition (160) pour turbine à gaz. La pièce de transition (160) comprend une première extrémité (184), une seconde extrémité (186) et un corps s'étendant entre celles-ci, le corps comporte une surface intérieure (182), une surface extérieure opposée (180) et un générateur de tourbillons (188) s'étendant de manière hélicoïdale sur la surface extérieure, le générateur de tourbillons étant agencé pour faciliter le refroidissement de la pièce de transition.
Description
B08-1507FR 1 Société dite : GENERAL ELECTRIC COMPANY Procédé et dispositif
pour faciliter le refroidissement de moteurs à turbines
Invention de : INTILE John Charles POYYAPAKKAM Madhavan RAO Ganesh Pejawar KALEESWARAN Karthick
Priorité d'une demande de brevet déposée aux Etats-Unis d'Amérique le 18 mai 2007 sous le n 11/750.500
2 Procédé et dispositif pour faciliter le refroidissement de moteurs à turbines
La présente invention concerne de façon générale les turbines à gaz et, plus particulièrement, des pièces de transition utilisées avec des turbines à gaz.
Au moins certaines turbines à gaz selon la technique antérieure comprennent une pièce de transition montée entre un ensemble de chambre de combustion et un ensemble de distributeur de turbine. Pour faciliter la régulation des températures de fonctionnement de la pièce de transition dans les moteurs selon la technique antérieure, de l'air de refroidissement est canalisé depuis un compresseur vers la pièce de transition. Plus particulièrement, dans au moins certaines turbines à gaz selon la technique antérieure, l'air de refroidissement est refoulé depuis le compresseur dans une chambre qui s'étend au moins partiellement autour de la pièce de transition de l'ensemble de chambre de combustion. Une partie de l'air de refroidissement pénétrant dans la chambre est envoyée dans un conduit ménagé entre un manchon d'impact s'étendant autour de la pièce de transition et la pièce de transition. L'air de refroidissement qui entre dans le conduit de refroidissement est refoulé vers une chambre de combustion. Afin d'améliorer l'efficacité de l'air de refroidissement dans le conduit, au moins certaines pièces de transition selon la technique antérieure comportent des nervures ou générateurs de tourbillons à espacement axial, favorisant les turbulences et s'étendant vers l'extérieur depuis une surface extérieure de la pièce de transition. Les générateurs de tourbillons à pièces de transition selon la technique antérieure sont orientés sensiblement perpendiculairement à l'écoulement de l'air de refroidissement dans le conduit de refroidissement. Ces pièces de transition selon la technique antérieure créent des turbulences du fait qu'une pluralité de générateurs de tourbillons sont fixés sur une surface sur laquelle passe l'air, ce qui crée une turbulence de l'air. Lorsqu'un flux d'air arrive au contact des couronnes périphériques axialement adjacentes du générateur de turbulences, le flux d'air ralentit, à mesure que l'air contraint à passer sur les générateurs de tourbillons, et la chute de pression dans la pièce de transition augmente. Pour faciliter la réduction de telles chutes de pression, au moins certaines pièces de transition selon la technique antérieure sont fabriquées avec un nombre limité de générateurs de tourbillons. Cependant, plus le nombre de générateurs de tourbillons est réduit, plus l'efficacité du refroidissement de la pièce de transition risque elle aussi de diminuer. 35
3 Selon un premier aspect, un procédé facilite l'assemblage d'une turbine à gaz comprenant un ensemble de chambre de combustion et un ensemble de distributeur. Le procédé comprend la réalisation d'une pièce de transition comportant une première extrémité, une seconde extrémité et un corps s'étendant entre celles-ci, le corps comportant une surface intérieure, une surface extérieure opposée, le montage de la première extrémité de la pièce de transition sur l'ensemble de chambre de combustion et le montage de la seconde extrémité de la pièce de transition sur l'ensemble de distributeur de façon qu'un générateur de tourbillons s'étendant de manière hélicoïdale sur la surface extérieure de la pièce de transition s'étende depuis la première extrémité de la pièce de transition jusqu'à la seconde extrémité de la pièce de transition afin de faciliter la création de turbulences pour refroidir l'air fourni à l'ensemble de chambre de combustion. Selon un autre aspect, il est proposé une pièce de transition pour turbine à gaz. La pièce de transition comporte une première extrémité, une seconde extrémité et un corps s'étendant entre celles-ci, le corps comporte une surface intérieure, une surface extérieure opposée et un générateur de tourbillons s'étendant de manière hélicoïdale sur la surface extérieure, le générateur de tourbillons étant agencé de manière à faciliter le refroidissement de la pièce de transition. Selon un autre aspect, une pièce de transition pour turbine à gaz est proposée. La pièce de transition comprend une première extrémité, une seconde extrémité et un corps s'étendant entre celles-ci, le corps comporte une surface intérieure, une surface extérieure opposée et un générateur de tourbillons qui s'étend de manière hélicoïdale sur la surface extérieure, le générateur de tourbillons étant conçu pour faciliter le refroidissement de la pièce de transition.
Selon encore un autre aspect, il est proposé une turbine à gaz. Le système de turbine à gaz comprend un ensemble de combustion et une pièce de transition montée sur l'ensemble de combustion et s'étendant vers l'aval depuis celui-ci, la pièce de transition comporte une première extrémité, une seconde extrémité et un corps s'étendant entre celles-ci, le corps comporte une surface intérieure, une surface extérieure et un générateur de tourbillons s'étendant de manière hélicoïdale sur la surface extérieure, depuis la première extrémité jusqu'à la seconde extrémité.
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 :
4 la Fig. 1 est une vue schématique en coupe d'un exemple de turbine à gaz ; la Fig. 2 est une vue agrandie en coupe d'une partie d'un exemple d'ensemble de chambre de combustion pouvant servir avec la turbine à gaz représentée sur la Fig. 1 ; et la Fig. 3 est une vue en perspective d'une pièce de transition qui peut servir avec l'ensemble de chambre de combustion représenté sur la Fig. 2.
La Fig. 1 est une vue schématique en coupe d'un exemple de turbine à gaz 100. La turbine 100 comprend un ensemble de compresseur 102, un ensemble de chambre de combustion 104, un ensemble de turbine 106 et un arbre commun 108 de compresseur/rotor de turbine. Il faut souligner que la turbine 100 n'est qu'un exemple et que la présente invention ne se limite pas à la turbine 100 et peut également être mise en oeuvre dans toute turbine à gaz fonctionnant de la manière décrite ici. En fonctionnement, de l'air passe dans l'ensemble de compresseur 102, et l'air comprimé est refoulé vers l'ensemble de chambre de combustion 104. L'ensemble de chambre de combustion 104 injecte du carburant, par exemple du gaz naturel et/ou du fuel dans le flux d'air, enflamme le mélange de carburant et d'air pour provoquer une détente du mélange de carburant et d'air par combustion et crée un courant (non représenté) de gaz de combustion à haute température. L'ensemble de chambre de combustion 104 est en communication d'écoulement avec l'ensemble de turbine 106 et refoule dans l'ensemble de turbine 106 le courant de gaz à haute température détendu. Le courant de gaz à haute température détendu donne une énergie de rotation à l'ensemble de turbine 106 et, comme l'ensemble de turbine 106 est accouplé en rotation avec le rotor 108, le rotor 108 fournit ensuite de l'énergie de rotation à l'ensemble de compresseur 102. La Fig. 2 est une vue agrandie en coupe d'une partie de l'ensemble de chambre de combustion 104. L'ensemble de chambre de combustion 104 est accouplé en communication d'écoulement avec l'ensemble de turbine 106 et avec l'ensemble de compresseur 102. L'ensemble de compresseur 102 comporte un diffuseur 140 et une chambre de refoulement 142 qui est accouplée en communication d'écoulement avec, et en aval de la chambre 142 pour faciliter la canalisation d'air vers l'ensemble de chambre de combustion 104, comme décrit plus en détail ci-après. Dans l'exemple de forme de réalisation, l'ensemble de chambre de combustion 104 comprend une plaque annulaire bombée 144 qui supporte au moins partiellement une pluralité d'injecteurs 146 de carburant et qui est accouplée avec un manchon d'écoulement sensiblement cylindrique 148 de chambre de combustion à l'aide de pièces de fixation (non représentées sur la Fig. 2). Une chemise sensiblement cylindrique 150 de chambre de combustion est disposée à l'intérieur du 5 manchon d'écoulement 148 et est supportée par l'intermédiaire du manchon d'écoulement 148. Une chambre de combustion sensiblement cylindrique 1525 est définie par la chemise 150. Plus particulièrement, la chemise 150 est espacée radialement vers l'intérieur par rapport au manchon d'écoulement 148 de façon qu'un passage annulaire de refroidissement 154 de chemise de combustion soit défini entre le manchon d'écoulement 148 de chambre de combustion et la chemise 150 de chambre de combustion. Le manchon d'écoulement 148 comporte une pluralité d'entrées 156 qui créent un trajet d'écoulement jusque dans le passage de refroidissement 154. Un manchon d'impact 158 est monté de manière sensiblement concentrique au manchon d'écoulement 148 de chambre de combustion en une extrémité amont 159 du manchon d'impact 158, et une pièce de transition 160 est montée sur un côté aval 161 du manchon d'impact 158. La pièce de transition 160 facilite la canalisation des gaz de combustion générés dans la chambre 152 vers l'aval en direction d'un distributeur 174 de turbine. Un passage de refroidissement 164 est défini entre le manchon d'impact 158 et la pièce de transition 160. Une pluralité d'ouvertures 166 définies à l'intérieur du manchon d'impact 158 permettent qu'une partie du flux d'air refoulé depuis la chambre de refoulement 142 du compresseur soit canalisée jusque dans le passage de refroidissement 164 de la pièce de transition. Pendant le fonctionnement, l'ensemble de compresseur 102 est entraîné par l'ensemble de turbine 106 par l'intermédiaire d'un arbre 108 (représenté sur la Fig. 1). Lorsque tourne l'ensemble de compresseur 102, de l'air comprimé est refoulé dans le diffuseur 140, comme indiqué par plusieurs flèches sur la Fig. 2. Dans l'exemple de forme de réalisation, la majeure partie de l'air refoulé depuis l'ensemble de compresseur 102 est canalisée via la chambre de refoulement 142 de compresseur vers l'ensemble de chambre de combustion 104, et une partie plus petite de l'air refoulé depuis l'ensemble de compresseur 102 est canalisée vers l'aval pour servir à refroidir des organes de la turbine 100. Plus particulièrement, une première branche 168 du flux d'air comprimé à l'intérieur de la chambre 142 est canalisée jusque dans le passage de refroidissement 164 de la pièce de transition via les ouvertures 166 du manchon d'impact. L'air qui pénètre par l'ouverture 166 est canalisé vers l'amont à
6 l'intérieur du passage de refroidissement 164 de pièce de transition et est refoulé dans le passage de refroidissement 154 de chemise de combustion. Une seconde branche 170 du flux d'air comprimé à l'intérieur de la chambre 142 est canalisée autour du manchon d'impact 158 et pénètre dans le passage de refroidissement 154 de chemise de combustion via des entrées 156. L'air qui pénètre par les entrées 156 et l'air venant du passage de refroidissement 164 de pièce de transition se mélangent ensuite à l'intérieur du passage 154, puis le mélange est refoulé dans les injecteurs 146 de carburant dans lesquels il se mélange à du carburant et s'enflamme dans la chambre de combustion 152.
Le manchon d'écoulement 148 isole sensiblement la chambre de combustion 152 et les processus de combustion correspondants par rapport à l'environnement extérieur, par exemple entourant des organes de la turbine. Les gaz de combustion qui en résultent sont canalisés depuis la chambre 152, via la pièce de transition 160, vers le distributeur 174 de turbine.
La Fig. 3 est une vue en perspective de la pièce de transition 160. La pièce de transition 160 comporte une surface extérieure 180, une surface intérieure 182, une première extrémité 184 et une seconde extrémité 186. Un générateur hélicoïdal de tourbillons 188 s'étend depuis la surface extérieure 180. Dans l'exemple de forme de réalisation, le générateur de tourbillons 188 est une structure continue qui fait corps avec la pièce de transition 160 et s'étend de manière hélicoïdale autour de la pièce de transition 160. Dans l'exemple de forme de réalisation, le générateur de tourbillons 188 à enroulement hélicoïdal est monté par brasage sur la pièce de transition 160. Dans d'autres formes de réalisation, le générateur de tourbillons 188 est monté sur la pièce de transition 160 à l'aide de n'importe quel autre moyen de montage adéquat, dont un procédé de soudage. Dans une autre forme de réalisation, le générateur de tourbillons 188 est formé par usinage sur la surface 180. La forme en coupe transversale du générateur de tourbillons 188 peut comporter, mais de manière nullement limitative, une forme sensiblement circulaire, semi-circulaire, rectangulaire ou autre.
Selon une autre possibilité, dans une autre forme de réalisation, le générateur de tourbillons 188 est constitué d'une pluralité de segments arqués s'étendant suivant une configuration hélicoïdale sur la surface extérieure 180. Les segments arqués ne forment pas un générateur hélicoïdal continu de tourbillons, mais plutôt des segments adjacents séparés par un espace. Bien que le générateur de tourbillons d'une telle forme de réalisation ne soit pas continu, les segments suivent
7 une trajectoire commune unique et créent un écoulement hélicoïdal d'air comprimé autour de la pièce de transition 160. Selon une autre possibilité, dans une telle forme de réalisation, des montants ou autres structures équivalentes peuvent être disposées entre des segments adjacents.
Dans une autre forme de réalisation possible, le générateur de tourbillons 188 comporte une pluralité de structures indépendantes parallèles qui s'étendent de manière hélicoïdale suivant une configuration enroulée autour de la pièce de transition 160. Bien que les segments hélicoïdaux soient indépendants et que chacun suive une trajectoire séparée, les différents segments hélicoïdaux créent un écoulement hélicoïdal d'air comprimé autour de la pièce de transition 160. En référence aux figures 2 et 3, pendant le fonctionnement, la majeure partie de l'air refoulé depuis l'ensemble de compresseur 102 est canalisée via la chambre de refoulement 142 du compresseur vers l'ensemble de chambre de combustion 104, et le reste de l'air refoulé depuis l'ensemble de compresseur 102 est canalisé vers l'aval pour servir à refroidir des organes de la turbine 100. Plus particulièrement, une première branche 168 du flux d'air comprimé sous pression dans la chambre 142 est canalisée jusque dans le passage de refroidissement 164 de pièce de transition via des ouvertures 166 du manchon d'impact. L'air qui pénètre par les ouvertures 166 est canalisé vers l'amont via le passage de refroidissement 164 et est refoulé dans le passage de refroidissement 154 de chemise de combustion. Des générateurs de tourbillons 188 créent une turbulence dans l'air qui pénètre dans le passage 164. De plus, les générateurs de tourbillons 188 facilitent la création d'un trajet hélicoïdal d'écoulement d'air de refroidissement autour de la pièce de transition 160. Plus particulièrement, l'air circulant dans le passage 164 est globalement canalisé sur un trajet hélicoïdal autour de la pièce de transition 160 via les générateurs de tourbillons 188 avant d'être refoulé dans le passage de refroidissement 154 de chemise de combustion. L'air circulant autour de la surface extérieure 180 facilite un plus grand refroidissement de la pièce de transition 160 en comparaison d'air s'écoulant sur une pièce de transition sans turbulences. Plus particulièrement, puisque l'air circule de manière hélicoïdale sur la surface extérieure 180, l'air reste contre ou "au contact" de la pièce de transition 160 plus longtemps que dans le cas d'une pièce de transition sans turbulences. De la sorte, la pièce de transition 160 est refroidie plus efficacement par l'air à acheminement hélicoïdal en raison de son temps de séjour plus long. De plus, à la différence des générateurs de tourbillons de pièces de
8 transition selon la technique antérieure, dans l'exemple de forme de réalisation, non seulement les générateurs de tourbillons canalisent l'air de manière hélicoïdale autour de la pièce de transition 160, mais encore ils créent des turbulences dans l'air. Dans l'exemple de forme de réalisation, les générateurs hélicoïdaux de tourbillons 188 canalisent une partie du flux d'air de manière hélicoïdale autour de la pièce de transition 160. Lorsque le flux d'air arrive au contact des générateurs hélicoïdaux de tourbillons 188, une première partie du flux d'air est canalisée de manière hélicoïdale autour de la pièce de transition et une seconde partie du flux d'air est contrainte à passer sur le générateur hélicoïdal de tourbillons 188. Des pertes de pression sont plus facilement réduites avec des générateurs hélicoïdaux de tourbillons, car seulement une partie du flux d'air est amenée à passer sur le générateur de tourbillons 188. Le reste du flux d'air passe autour de la pièce de transition 160 en suivant une trajectoire hélicoïdale. L'écoulement hélicoïdal d'air autour de la pièce de transition 160 facilite une limitation maximale de la chute de pression du flux d'air, tout en permettant à l'air de refroidir la pièce de transition 160. De plus, le générateur de tourbillons 188 accentue le refroidissement de la pièce de transition 160, ce qui prolonge plus facilement la durée de vie des organes. Des exemples de formes de réalisation de pièces de transition à utiliser avec des moteurs à turbines sont décrits en détail ci-dessus. Les générateurs de tourbillons ne se limitent pas à une utilisation avec les pièces de transition spécifiques décrites ici, mais au contraire les générateurs de tourbillons peuvent être utilisés indépendamment et séparément d'autres pièces de transition décrites ici. De plus, l'invention ne se limite pas aux formes de réalisation de la pièce de transition ou au générateur de tourbillons décrits en détail plus haut. Au contraire, d'autres variantes de formes de réalisation de générateurs hélicoïdaux de tourbillons peuvent être utilisées dans l'esprit et le cadre des revendications.
LISTE DES REPERES 100 Turbine à gaz 102 Ensemble de compresseur 104 Ensemble de chambre de combustion 106 Ensemble de turbine 108 Arbre de rotor 140 Diffuseur 142 Chambre de refoulement 144 Plaque annulaire bombée 146 Injecteurs de carburant 148 Manchon d'écoulement 150 Chemise de chambre de combustion 152 Chambre de combustion 154 Passage de refroidissement 156 Entrées 158 Manchon d'impact 159 Extrémité amont 160 Pièce de transition 161 Côté aval 164 Passage de refroidissement 166 Ouvertures du manchon d'impact 168 Première branche de flux 170 Seconde branche de flux 174 Distributeur de turbine 180 Surface extérieure 182 Surface intérieure 184 Première extrémité 186 Seconde extrémité 188 Générateur hélicoïdal de tourbillons 95
Claims (10)
1. Pièce de transition (160) pour turbine à gaz (100), ladite pièce de transition comprenant : une première extrémité (184) ; une seconde extrémité (186) ; et un corps s'étendant entre celles-ci, ledit corps comportant une surface intérieure (182), une surface extérieure opposée (180) et un générateur de tourbillons (188) s'étendant de manière hélicoïdale sur ladite surface extérieure, ledit générateur de tourbillons étant conçu pour faciliter le refroidissement de ladite pièce de transition.
2. Pièce de transition (160) selon la revendication 1, dans laquelle ladite première extrémité (184) a un profil en coupe sensiblement rectangulaire.
3. Pièce de transition (160) selon la revendication 2, dans laquelle ladite seconde extrémité (186) a un profil en coupe sensiblement circulaire.
4. Pièce de transition (160) selon la revendication 1, dans laquelle ledit générateur de tourbillons (188) est monté sur ladite surface extérieure (180).
5. Pièce de transition (160) selon la revendication 1, dans laquelle ledit générateur de tourbillons (188) fait corps avec ledit corps.
6. Pièce de transition (160) selon la revendication 1, dans laquelle ledit générateur de tourbillons (188) comporte au moins une forme en coupe rectangulaire, une forme en coupe semi-circulaire et une forme en coupe circulaire.
7. Pièce de transition (160) selon la revendication 1, dans laquelle ledit générateur de tourbillons (188) facilite la prolongation de la durée de vie utile de ladite pièce de transition en refroidissant efficacement ladite pièce de transition.
8. Turbine à gaz (100), comprenant : un ensemble de combustion (104) ; et une pièce de transition (160) montée sur ledit ensemble de combustion et s'étendant vers l'aval de celui-ci, ladite pièce de transition comportant une première extrémité (184), une seconde extrémité (186) et un corps s'étendant entre celles-ci, ledit corps comporte une surface intérieure (182), une surface extérieure (180) et un générateur de tourbillons (188) s'étendant de manière hélicoïdale, de ladite première extrémité à ladite seconde extrémité.
9. Turbine à gaz (100) selon la revendication 8, dans laquelle ledit générateur de tourbillons (188) est monté sur ladite surface extérieure (180).11
10. Turbine à gaz (100) selon la revendication 9, dans laquelle ledit générateur de tourbillons (188) est monté par brasage sur ladite surface extérieure (180).
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