FR2965849A1

FR2965849A1 - Cale pour l'etancheite de pieces de transition d'une turbine

Info

Publication number: FR2965849A1
Application number: FR1156820A
Authority: FR
Inventors: Benjamin Paul Lacy; Mehment Demiroglu; Neelesh Nandkumar Sarawate
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 2010-10-07
Filing date: 2011-07-26
Publication date: 2012-04-13
Anticipated expiration: 2031-07-26
Also published as: JP5905676B2; JP2012082818A; US20120085103A1; US8225614B2; CN102444717A; DE102011052420A1; CN102444717B; FR2965849B1

Abstract

Cale (202) pour l'étanchéité de deux pièces de transition adjacentes d'une turbine. La cale (202) comprend un élément circonférentiel qui comporte un premier rebord latéral et un second rebord latéral. Par ailleurs, les premier et second rebords latéraux comportent chacun une languette conçue pour s'ajuster dans le plan d'une première surface et les premier et second rebords latéraux sont conçus pour s'ajuster dans le plan d'une seconde surface, les plans des première et seconde surfaces étant sensiblement parallèles. De plus, la cale comprend un premier rebord s'étendant sensiblement à la perpendiculaire de l'élément circonférentiel.

Description

B11-3257FR 1 Cale pour l'étanchéité de pièces de transition d'une turbine

La présente invention porte sur les turbines à gaz. Plus particulièrement, l'invention concerne des ensembles de pièces de transition dans des turbines à gaz. Dans une turbine à gaz, une chambre de combustion convertit en énergie thermique l'energie chimique d'un combustible ou d'un mélange d'air et de combustible. L'énergie thermique est acheminée par un fluide, souvent de l'air comprimé issu d'un compresseur, jusqu'à une turbine où l'énergie thermique est convertie en énergie mécanique. Une amélioration du rendement de la conversion permet de réduire les émissions, notamment de réduire les émissions d'hémioxyde d'azote. Plusieurs facteurs influencent le rendement de la conversion de l'énergie thermique en énergie mécanique. Parmi ces facteurs, ont peut citer les fréquences de passage des aubes, les fluctuations de l'alimentation en combustible, le type et la réactivité du combustible, le volume direct de la chambre de combustion, la conception des injecteurs de combustible, les profils air/combustible, la forme de la flamme, le mélange de l'air et du carburant, l'accrochage de la flamme et les fuites de flux de gaz entre les pièces. Par exemple, des fuites de flux d'air depuis le côté corps de refoulement du compresseur de la chambre de combustion via l'interface entre la/les pièces de transition et la/les tuyères de turbine du premier étage risquent de provoquer une agravation des émissions en amenant de l'air à éviter la chambre de combustion, ce qui provoque de plus fortes températures maximales des gaz. Des fuites peuvent être provoquées par la dilatation thermique de certaines pièces et les mouvements de pièces les unes par rapport aux autres. De la sorte, la réduction des fuites de gaz dans l'ensemble entre la pièce de transition et le tuyère peut améliorer le rendement et les performances de la turbine. Selon un premier aspect de l'invention, il est présenté une cale pour assurer l'étanchéité de deux pièces de transition adjacentes d'une turbine. La cale comprend un élément périphérique qui comporte un premier rebord latéral et un second rebord latéral. Par ailleurs, les premier et second rebords latéraux comportent chacun une languette conçue pour s'ajuster dans le plan d'une première surface et les premier et second rebords latéraux sont conçus pour s'ajuster dans le plan, d'une seconde surface, les plans des première et seconde surfaces étant sensiblement parallèles. De plus, la cale comprend un premier rebord s'étendant sensiblement perpendiculairement par rapport à l'élément circonférentiel.

Selon un autre aspect de l'invention, il est présenté une turbine à gaz, la turbine à gaz comprenant une série annulaire de pièces de transition s'étendant chacune entre une chambre de combustion et une tuyère du premier étage, un ensemble d'étanchéité de pièces de transition étant situé entre chaque pièce de transition et la tuyère du premier étage. La turbine à gaz comprend également une cale située à une interface entre des ensembles adjacents d'étanchéité de pièces de transition, la cale comprenant un premier rebord latéral conçu pour recevoir un angle d'un ensemble d'étanchéité d'une première pièce de transition et un second rebord latéral étant conçu pour recevoir un angle d'un ensemble d'étanchéité d'une deuxième pièce de transition. 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 : - la figure 1 est une illustration schématique d'une forme de réalisation de moteur à turbine à gaz, comprenant une chambre de combustion, un injecteur de combustible, un compresseur et une turbine ; - la figure 2 est une vue en perspective d'une partie d'une forme de réalisation d'un moteur à turbine à gaz, comprenant une pluralité de pièces de transition ; - la figure 3 est une vue détaillée d'une forme de réalisation d'une cale située à une interface de pièces de transition adjacentes ; la figure 4 est une vue de face d'une forme de réalisation d'une cale - la figure 5 est une vue latérale d'une forme de réalisation d'une cale ; - la figure 6 est une vue de dessus d'une forme de réalisation d'une cale ; et - la figure 7 est une vue latérale d'une autre forme de réalisation d'une cale. La description détaillée explique des formes de réalisation de l'invention ainsi quedes avantages et des caractéristiques, à titre d'exemple en référence aux dessins. La figure 1 est une illustration schématique d'une forme de réalisation d'un système 100 de turbine à gaz. Le système 100 comprend un compresseur 102, une chambre de combustion 104, une turbine 106, un arbre 108 et un injecteur 110 de combustible. Dans une forme de réalisation, le système 100 peut comprendre une pluralité de compresseurs 102, de chambres de combustion 104, de turbines 106, d'arbres 108 et d'injecteurs 110 de combustible. Le compresseur 102 et la turbine 106 sont accouplés par l'arbre 108.

L'arbre 108 peut être constitué par un arbre unique ou; une pluralité de segments d'arbre assemblés les uns avec les autres pour former l'arbre 108. Selon un aspect, la chambre de combustion' 104 utilise, pour faire fonctionner le moteur, un combustible liquide et/ou gazeux tel que du gaz naturel ou un gaz synthétique riche en hydrogène. Par exemple, les injecteurs 110 de combustible sont en communication fluidique avec une source d'air et une source de combustible. Les injecteurs 110 de combustible créent un mélange d'air et de combustible et refoulent le mélange d'air et de combustible dans la chambre de combustion 104, en provoquant de la sorte une combustion qui crée des gaz d'échappement chauds sous pression. La chambre de combustion 104 amène les gaz d'échappement chauds sous pression à passer par une pièce de transition débouchant dans une tuyère de turbine (ou "tuyère de premier étage"), ce qui35 fait tourner la turbine 106. La rotation de la turbine 106 fait tourner l'arbre 108, ce qui comprime l'air à son entrée dans le compresseur 102. Dans une forme de réalisation, chaque chambre de combustion d'une série de chambres de combustion est assemblée avec une pièce de transition placée entre la chambre de combustion et une tuyère de la turbine. L'interface entre ces pièces de transition est considérée en détail en référence aux figures 2 à 6. La figure 2 est une vue en perspective d'une partie d'une forme de réalisation d'un moteur 200 à turbine à gaz, comprenant une série de pièces de transition 202, 204 et 206. Chaque pièce de transition 202, 204 et 206 est assemblée avec un ensemble d'étanchéité respectif 208, 210 et 212 de pièce de transition. Comme illustré, les pièces de transition 202, 204 et 206 sont assemblées avec des chambres de combustion au niveau d'une extrémité 214, là où les pièces de transition 202, 204 et 206 reçoivent un flux de gaz chauds. Les pièces de transition 202, 204 et 206 sont assemblées avec les tuyères de premier étage d'une turbine à l'extrémité 216, là où les gaz chauds entrent dans chaque turbine. Dans une forme de réalisation, chaque ensemble d'étanchéité 208, 210 et 212 de pièce de transition comprend un joint intérieur de transition 218, un joint extérieur de transition 220 et un joint latéral 222. Les pièces sont présentées ici à propos de l'ensemble d'étanchéité 208 de pièce de transition, cependant il doit être entendu que chaque ensemble d'étanchéité (208, 210, 212) de pièce de transition peut comprendre des pièces similaires situées dans une série de pièces de transition dans un moteur à turbine. De plus, l'ensemble d'étanchéité 208 de pièce de transition est décrit comme étant adjacent à l'ensemble d'étanchéité 210 de pièce de transition, tout comme les ensembles 210 et 212.

Dans une forme de réalisation, des cales 224 et 226 sont utilisées pour réunir des ensembles d'étanchéité adjacents de pièces de transition et empêchent des fuites d'air sous pression depuis un emplacement sur une partie externe ou extérieure d'une ou de plusieurs pièces de transition jusque dans le passage des gaz chauds. Par exemple, l'ensemble d'étanchéité 208 de pièce de transition est réuni à l'ensemble d'étanchéité 210 de pièce de transition par la cale 226, la cale réduisant les fuites d'air entre les pièces. Par ailleurs, la cale 224 empêche des fuites entre l'ensemble d'étanchéité 208 de pièce de transition et un ensemble d'étanchéité adjacent (non représenté). L'interface 228 représente une jonction entre l'ensemble d'étanchéité 210 de pièce de transition et l'ensemble d'étanchéité 212 de pièce de transition dépourvu de cale, un intervalle 230 étant présent entre les pièces. Comme illustré par la cale 226, la cale possède deux rebords latéraux, chaque rebord étant conçu pour recevoir des angles respectifs adjacents des ensembles d'étanchéité 208 et 210. De la sorte, les cales 224 et 226 sont conçues pour couvrir un intervalle tel que l'intervalle 230, afin de réduire des fuites de gaz dans la turbine lorsque le gaz s'écoule vers la partie formant tuyère de turbine du moteur, ce qui permet la conversion d'une plus grande partie des gaz chauds en énergie mécanique et d'améliorer les performances de la turbine. Comme expliqué ici, une cale est un élément, de n'importe quelle épaisseur et de n'importe quelle matière appropriées, conçue pour combler ou réduire un intervalle entre des pièces. La géométrie et l'application de la cale (224, 226), telles qu'elles sont décrites ici, peuvent concerner une interface entre des angles de joints de pièces de transition, soit sur le joint intérieur 218 soit sur le joint extérieur 220. Par exemple, il est possible d'utiliser sensiblement la même géométrie de cale que celle expliquée ici pour empêcher des fuites au niveau d'une interface 232 de joint intérieur ainsi que d'une interface 228 de joints extérieurs. Par ailleurs, dans une forme de réalisation, les cales 224 et 226 sont maintenues en place par une différence de pression provoquée par une pression 234 à l'extérieur des pièces de transition 202, 204 et 206, qui est supérieure à une pression 236 à l'intérieur des pièces de transition. La différence de pression peut être utilisée en plus de soudures par points et d'autres procédés de fixation pour fixer les cales 224 et 226 à des emplacements choisis dans la turbine 200. De plus, la géométrie de la cale est modifiée pour s'adapter à différentes géométries de joints autres que celle de l'exemple illustré. La figure 3 est une vue détaillée d'une forme de réalisation d'une interface 300 de pièces de transition adjacentes et d'une cale 302 conçue pour empêcher des fuites au niveau d'un intervalle dans l'interface (230, figure 2). La cale 302 est placée entre une première partie formant angle 304 d'un joint 306 d'une première pièce de transition et une seconde partie formant angle 308 d'un joint 310 d'une deuxième pièce de transition. Dans la forme de réalisation illustrée, la cale 302 comprend un élément circonférentiel 312 couvrant latéralement l'intervalle entre les parties formant angles 304 et 308. L'élément circonférentiel 312 comporte un premier rebord latéral 314 avec une première languette 316 et un second rebord latéral 318 avec une seconde languette 320. La cale 302 comprend également un rebord vertical 322 conçu pour se fixer à un joint latéral 324 par l'intermédiaire de languettes 325 et 326. Dans une forme de réalisation, la cale 302 comprend une ou plusieurs crêtes 328 et 330 (également appelées "marches" ou "gradins") pour permettre à la cale 302 d'épouser la forme des parties formant angles 304 et 308. Comme illustré, la cale 302 est fixée à des surfaces des parties formant angles 304 et 308, respectivement par les languettes 320 et 316. De plus, la cale 302 peut être fixée ou assemblée avec les parties formant angles 304, 308 et le joint latéral 324 par tout moyen approprié dont, mais d'une manière nullement limitative, des soudures, des brasures, des attaches mécaniques, des broches, des rivets, des boulons ou toute combinaison de ceux-ci. Par exemple, les languettes 316, 320, 325 et 326 sont incurvées pour épouser la forme du dos des parties formant angles 304, 308 et du joint latéral 324, des soudures sur les éléments immobilisant la cale 302 dans la position voulue dans l'interface 300. Dans d'autres formes de réalisation, la cale 302 ne comporte pas de languette, les rebords (314, 318, 322) étant soudés aux joints 306 et 310 des pièces de transition. Dans une autre forme de réalisation, la cale 302 ne comporte pas de rebord vertical, les rebords latéraux 314 et 318 étant fixés aux parties formant angles 304 et 308 pour empêcher des fuites à l'interface 300. La cale 302 peut être réalisée par tout procédé approprié, par exemple par découpage, emboutissage et formage d'une tôle métallique, par exemple en acier inoxydable ou en alliage d'acier, pour créer la géométrie voulue. Comme illustré sur la figure 3, la géométrie de la cale 302 se décrit comme une forme en T. Dans une forme de réalisation, les rebords 314, 318 et 322 sont soudés pour se fixer à l'élément circonférentiel 312. L'élément circonférentiel 312 est décrit de la sorte car l'élément se situe sensiblement latéralement sur le pourtour des ensembles d'étanchéité extérieur ou intérieur. Dans une forme de réalisation, la cale 302 est conçue pour réduire d'environ 5% à 75% des fuites à l'interface 300, en comparaison d'une interface sans cale, ce qui améliore donc les performances et le rendement de la turbine. Dans une autre forme de réalisation, la cale 302 est conçue pour réduire d'environ 10% à 50% des fuites à l'interface 300, en comparaison d'une interface sans cale, ce qui améliore les performances et le rendement de la turbine. Dans encore une autre forme de réalisation, la cale 302 est conçue pour réduire d'environ 15% à 35% des fuites à l'interface 300, en comparaison d'une interface sans cale, ce qui améliore les performances et le rendement de la turbine. Dans une autre forme de réalisation, la cale 302 est conçue pour réduire d'environ 25% des fuites à l'interface 300, en comparaison d'une interface sans cale, ce qui améliore les performances et le rendement de la turbine. La figure 4 est une vue de face d'une forme de réalisation d'une cale 400. La cale 400 comprend un élément circonférentiel 402 et un premier rebord latéral 404 avec une languette 406. L'élément circonférentiel 402 comporte également un second rebord latéral 408 avec une languette 410. Un premier rebord vertical 412 s'étend depuis un bord d'une partie centrale 413 de l'élément circonférentiel 402, le premier rebord vertical 412 comportant des languettes 414 et 416. Comme illustré, un second rebord vertical 418 s'étend depuis un bord de la partie centrale 413 à l'opposé du premier rebord vertical 412. Dans une forme de réalisation, le second rebord vertical 418 est conçu pour limiter des fuites tout prés d'une interface d'étanchéité à ressort d'ensembles d'étanchéité adjacents de pièces de transition.

La figure 5 est une vue latérale d'une forme de réalisation d'une cale 500. La cale 500 comprend un élément circonférentiel 502 et un premier rebord latéral 504 avec une languette 506. L'élément circonférentiel 502 comporte également un second rebord latéral 508 avec une languette 510. Un premier rebord vertical 512 s'étend depuis un bord de l'élément circonférentiel 502, le premier rebord vertical 512 comportant une ou plusieurs languettes 514. Comme illustré, les languettes 506 et 510 sont conçues pour s'ajuster sur une première surface 516 dans un premier plan. Par ailleurs, une seconde surface 518 des rebords latéraux 504, 508 et de l'élément circonférentiel 502 est conçue pour s'ajuster dans un second plan, le second plan étant sensiblement parallèle au premier plan. Dans une forme de réalisation, les surfaces 516 et 518 sont ajustées avec des côtés opposés d'ensembles d'étanchéité adjacents de pièces de transition, les languettes 506 et 510 immobilisant la cale 500 à l'interface. La figure 6 est une vue de dessus d'une forme de réalisation d'une cale 600. La cale 600 comporte un élément circonférentiel 602 et un premier rebord latéral 604 avec une languette 606. L'élément circonférentiel 602 comporte également un second rebord latéral 608 avec une languette 610. Un premier rebord vertical 612 s'étend depuis un bord de l'élément circonférentiel 602, le premier rebord vertical 612 comportant des languettes 614 et 616. La figure 7 est une vue en perspective d'une autre forme de réalisation d'une cale 700 avec un rebord 702 s'étendant dans une direction axiale 706 depuis un élément circonférentiel 704. Le rebord 702 est agencé pour sensiblement couvrir un intervalle entre des éléments latéraux 708 et 710. Les éléments latéraux 708 et 710 sont des parties d'ensembles d'étanchéité adjacents, respectivement 712 et 714, de pièces de transition. Par ailleurs, l'élément circonférentiel 704 comporte des joints latéraux flexibles 716 qui permettent aux pièces de transitions 712 et 714 de bouger l'une par rapport à l'autre. Les joints716 sont en matière appropriée, résistante et flexible, par exemple un alliage d'acier. I1 faut souligner que le profil de la surface de la cale et de ses saillies ou rebords est modifié pour couvrir n'importe quels intervalles entre les parties adjacentes de la turbine et des pièces de transition. En outre, le procédé de fixation peut également être modifié pour chaque application.

Listes des repères 100 Système de turbine 102 Compresseur 104 Chambre de combustion 106 Turbine 108 Arbre 110 Tuyère 112 Source de combustible 200 Partie du système de turbine 202 Pièce de transition 204 Pièce de transition 206 Pièce de transition 208 Ensemble d'étanchéité de pièce de transition 210 Ensemble d'étanchéité de pièce de transition 212 Ensemble d'étanchéité de pièce de transition 214 Extrémité 216 Pièce de transition 218 Joint d'étanchéité intérieur de pièce de transition 220 Joint d'étanchéité extérieur de pièce de transition 222 Joint d'étanchéité latéral 224 Cale 226 Cale 228 Interface 230 Intervalle 232 Interface I 234 Pression à l'extérieur de la pièce de transition 236 Pression à l'intérieur de la pièce de transition 300 Interface de pièces de transition 302 Cale 304 Première partie formant angle 306 Joint d'étanchéité de première pièce de transition 308 Seconde partie formant angle 310 Joint d'étanchéité de deuxième pièce de transition 312 Elément circonférentiel 314 Premier rebord 316 Première languette 318 Second rebord 320 Seconde languette 322 Rebord vertical 324 Joint d'étanchéité latéral 325 Languette 326 Languette 328 Crête 330 Crête 400 Cale 402 Elément circonférentiel 404 Rebord 406 Languette 408 Rebord 410 Languette 412 Rebord vertical 414 Languette 416 Languette 418 Rebord vertical 500 Cale 502 Elément circonférentiel 504 Rebord 506 Languette 508 Rebord 510 Languette 512 Rebord vertical 514 Languette 516 Surface 518 Surface 600 Cale

Claims

REVENDICATIONS1. Cale (224, 226, 302, 400) pour l'étanchéité de deux pièces de transition adjacentes (202, 204) d'une turbine, la cale (224, 226, 302, 400) comprenant un élément circonférentiel (312, 402) comportant' un premier rebord latéral (404) et un second rebord latéral (408), les premier et second rebords latéraux (404,_ 408) comportant chacun une languette (406, 410, 506, 510) conçues pour s'ajuster dans le plan (516) d'une_ première surface' et les premier et second rebords latéraux (404, 408) étant conçus pour s'ajuster dans un plan (518) d'une seconde surface, les plans (516, 518) des première et seconde surfaces étant sensiblement parallèles ; et un premier rebord (412) s'étendant sensiblement perpendiculairement par rapport à l'élément circonférentiel (312, 402).
2. Cale (224, 226, 302, 400) selon la 'revendication 1,, comprenant une partie centrale (413), le premier rebord latéral (404), le second rebord latéral (4'08) et le premier rebord vertical (412) s'étendant depuis la partie centrale (413), en créant de la sorte une forme en T, et les premier et second rebords latéraux (404, 408) étant conçus pour recevoir des parties respectives adjacentes formant angles (304, 308) d'un ensemble d'étanchéité d'une première pièce de transition et d'un ensemble d'étanchéité d'une seconde pièce de transition, et le premier rebord (322, 412) étant 25 conçu pour recevoir un joint d'étanchéité latéral (324).
3. Cale (224, 226, 302, 400) selon la revendication 2, dans laquelle la partie centrale (413), les premier et second rebords latéraux (404, 408) comportent des crêtes (328, 330) destinées â épouser la forme des ensembles d'étanchéité de la première et de la 30 seconde pièce de transition.
4. Cale (224, 226, 302, 400) selon la revendication 2, comprenant un second rebord (418) s'étendant depuis un bord de la partie centrale (413) à l'opposé du premier rebord (322, 412). 20` . Cale (224, 226, 302, 400) selon la revendication 1 ou 2, dans_ laquelle le premier rebord (322,412) comporte au moins une languette (414) conçue pour recevoir le joint d'étanchéité latéral. 6. Cale (224, 226, 302, 400) selon la revendication 1, la cape (224, 226, 302, 400) étant conçue pour réduire de 15% à 35% des fuites de gaz entre les ensembles d'étanchéité (208, 210, 212) d'une première et d'une seconde pièces de transition, en comparaison de fuites entre les ensembles d'étanchéité (208, 210, 212) des première et seconde pièces de transition sans la cale (224, 226, 302, 400). 10 7. Turbine à gaz comprenant une série annulaire de pièces de transition (202, 204, 206) s'étendant chacune entre une chambre de combustion et une tuyère de premier étage, un ensemble d'étanchéité (208, 210, 212) de pièce de transition étant situé entre chaque pièce de transition et la tuyère 15 du premier étage ;;let une cale (224, 226, 302, 400) située à une interface (232) entre des ensembles d'étanchéité adjacents de pièces de transition, la cale (224, 226, 302, 400) comportant un premier rebord latéral (404) conçu pour recevoir un angle d'un ensemble d'étanchéité (304) 20 d'une première pièce de transition et un second rebord latéral (408) étant conçu pour recevoir un angle d'un ensemble d'étanchéité (308) d'une seconde pièce de transition, et comportant un premier rebord (412) qui s'étend sensiblement perpendiculairement depuis les premier et second rebords latéraux (404, 408), en créant de la sorte 25 une forme en T 8. Turbine à gaz selon la revendication 7, dans laquelle le premier rebord latéral (404) comporte une première languette (406) et le second rebord latéral (408) comporte une seconde languette (410), les première et seconde languettes (406, 410) immobilisant 30 des angles respectifs des ensembles d'étanchéité (304, 308) des première et seconde pièces de transition. 9. Turbine à gaz selon la revendication 8, dans laquelle le premier rebord (404) comporte au moins une languette (414) conçue pour recevoir un joint latéral de la pièce de transition.