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" Perfectionnements apport:és aux eubages des turbines ou analogues ".
La présente invention est relative à des eubages pour des turbines et autres machines à aubes analogues dans lesquelles circule un courant fluide, telles que compresseurs exiaux, et elle a pour but, surtout, d'assurer le refroidissement des aubes des rotors, des machines de ce genre, quand elles sont sou- mises à des températures exoéssivement élevées. Plus spécialement quand il s'agit de turbines à gaz, la température à laquelle les aubes doivent fonctionner pratiquement constitue souvent un facteur @imitatif pour le rendement de la machine et il est possible d'agenoer une machine donnée de manière qu'elle puisse
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accomplir des performances plus élevées si leurs au- beges peuvent être maintenues à une température de travail. réduite.
Par contre, pour une machine, calculée pour une performance donnée, une durée d'usage plus prolongée peut être obtenue et il est possible d'utili- ser un métal de qualité moindre pour constituer les aubages.
L'invention a, par conséquent, pour objet une turbine ou machine à eubes analogue traversée per un courant fluide, plus spécialement une turbine à gaz, destinée à fonctionner à une température élevée et comprenant un aubage de mtor dont une partie de chaque aube proprement dite, qui se trouve dans le canal de la machine dans lequel passe le fluide actif, comporte un prolongement qui s'étend ou qui prolonge effectivement le structure de l'aube jusqu'au delà d'une limite dudit canal jusq# dans une zone plus froide, ledit aubage comportent une cavité interne fermée, commune à la fois à ladite partie de l'aube et à son prolongement, cette cavité contenant un fluide réfrigérant approprié et choisi de manière qu'il soit conveétif pour les conditions de fonctionnement, l' agencement étant tel que,
par suite des empiècements relatifs de ladite partie de l'eube et de son prolon- gement, considérés par rapport à l'ensemble de l'aube, leur température différentielle et le centrifugation du fluide réfrigérant, on obtienne des conditions pour lesquelles une circulation per convection soit obtenue pour ce fluide eu cours de l'usage . En disant ci- dessus que le réfrigérant doit être conveotif pour les conditions de fonctionnement on entend que ce réfri- gérant doit titre ou devenir fluide de manière à pouvoir circuler à l'étét liquide et/ou gazeux.
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Toutefois, pour un mode de réalisation pré- féré de l'invention, on,,choisit le réfrigérant de manière qu'il puisse bouillir dans la partie, dont question plus haut, de l'aube prbprement dite et qu'il puisse se condenser dans son prolongement de manière que la circulation convective du réfrigérant implique un cycle oontinu d'une évaporation dans ladite partie de l'aube et d'une condensation dans son prolongement, de sorte que l'aube fonctionne, en quelque sorte, comme un "tube de Perkins" et agit, comme tel, comme un dispositif de transfert thermique.
Le prolongement en question est, de préférenoe, agencé et établi dans la machine de manière à être refroidi en étant exposé à un courant d'air refroidisseur,
L'invention s'applique, principalement, à des machinesdu genre en question dans lesquelles on ve ut refroidir des aubetournantes orientées vers l' extérieur dans le sens radial depuis un rotor inté- rieur mais elle s'applique également au refroidissement d'aubes de rotor, orientées vers l'intérieur.
Au cours de l'usage, la force centrifuge devient prépondérante sur l'effet de la pesanteur pour déterminer l'emplecement du réfrigérant dans se cavité et elle constitue, en réalité, un facteur important pour produire le circulation voulue, par convection, d'une manière particulièrement efficace, comme expli- qué en détail ci-après. Par oonséquent, l'invention envisage que le prolongement en question se trouve radiale cent: à l'intérieur de le partie de l'aube pro- prement. dite et s'étend radialement jusque dans une zone de refroidissement qui se trouve en dehors du oanal dans lequel le fluide actif circule dans le machine.
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De préférence, on fait le vide dans la ca- vité car la pression d'un gez inerte pourrait gêner la circulation.
D'autres particularités et caractéristiques apparaîtront eu cours de le description, donnée ci- après, de quelques modes de réalisation montrés, à titre d'exemple, sur les figs. 1 à 7 des dessins ci- annexés.
Le principe, sur lequel est basée l'invention et la théorie du fonotionnameht du cycle refroidisse sont illustrés schématique ment sur la fig, 1 qui mon- tre, en coupe longitudinale, une seule aube d'un rotor de turbine comprenant le corps proprement dit 1 de pro- fil approprié, une embase à l'aide de laquelle cette aube est fixée sur le rotor 3 et un prolongement 4 logé dans une chambre ménagée dans le rotor.
L'aube est creuse de manière à former une cavité 5 oommune au corps 1, à l'embase 2 et au pro- longement 4, cette cavité étant fermée à ses deux ex- trémités, un obturateur 6, du type à bouchon, étant monté à l'extrémité interne de la ce vite.
Le oevité 5 est remplie en partie avec un réfrigérant 7 et on y fait, de préférence, un vide.
Le réfrigérant est choisi de manière à être convenétig aux conditions de fonotionnement, telles que décrites plus haut, en étant ou en devenant de préférence liqui- de tout en bouillant également dans ces conditions.
Le fonctionnement du cycle est donc le suivant.
Le corps 1 de l'aube fonctionne dans le canal de travail de la turbine et est donc à une température élevée alors que le prolongement 4 se trouve dans une zone plus froide. D'autre pert, au cours de l'usage, le réfrigérant 7, qui est ou devient liquide, est
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refoulé, per un effet centrifuge, vers l'extrémité externe et radiale de l'aube, comme montré sur la fig.
1 et entre en ébullition en étant soumis à la tempé- rature de travail de le turbine. Par suite de sa den- sité moindre, la vapeur obtenue est recueillie à l'ex- trémitéinterne et radiale de l'aube, comme indiqué en 7a, o'est-à-dire dans le prolongement plus froid dans lequel, pour des conditions appropriées données, elle se condense. Le liquide condensé test ensuite refoulé à nouveau vers l'extérieur de manière que l'on obtienne une sorte de circulation par conveotion.
Sous ce rapport, on note une différence sig- nificative entre le fonctionnement d'un oyole de re- froidissement pour un dispositif à aube tournante et pour un corps non-rotatif puisque dans le premier ces le condensât, qui s'écoule vers l'extérieur, est re-' foulé fortement contre le bord de fuite de la oavité 5 comme indiqué en 7b par l'effet de Coriolis. On obtient ainsi une circulation à sens unique du liquide et de la vapeur, comme indiqué par des flèches ce qui améliore le transfert de le chaleur, ainsi que cela se produit dans une chaudière à vapeur aveo une circulation bien oonçue.
Un autre effet important qui peut se produire est que pour des forces centrifuges élevées l'ébulli- tion dans la zone ohauffée peut être supprimée par le pression centrifuge élevée régnant dans l'extrémité extérieure de le cavité. Dans ce ces le chaleur est transmise vers l'intérieur par oonveotion liquide or- dinaire jusqu'à un rayon pour lequel la pression de- vient égale à la tension de vapeur correspondent à la température du liquide. A ce rayon le laquide se trans- forme brusquement en vapeur.
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Comme un facteur importent pour l'efficacité du cycle est le valeur de la différence de température qui pert être maintenue entre le corps 1 de l'aube et son prolongement 4, ce dernier doit être agencé de ma- nière que la perte de chaleur ait une valeur maximum.
Ceci peut être obtenu, par exemple, en munissant le prolongement d'ailettes de refroidissement 8 ou d'autres moyens qui augmentent se surface utile alors que 1' efficacité peut être améliorée davantage per un re- froidissement forcé de ce prolongement à l'aide d'un courant d'air que l'on peut feire passer incidemment le long de celui-ci ou qui peut être produit en don- nent à ce prolongement une forme appropriée, par ex- emple celle d'une eilette ou aube de ventilateur ou analogue.
Le nature du réfrigérant utilisé dépend des oonditions de fonctionnement, y oomprise la température permise pour la partie chaude de l'eube, la facilité avec laquelle son prolongement peut être refroidi et la vitesse de transfert de la chaleur ou de le conduc- tibilité exigée du réfrigérant. A pert le désir fonda- mental que l'on a de se servir, comme réfrigérant, d'une substance qui est liquide aux conditions de fonctionnement, qui bout dans le corps de l'aube et se condense dans son prolongement, il est nécessaire de tenir compte de le possibilité d'une verietion, avec le température, de la vitesse de transfert de la che- leur pour un réfrigérant donné.
Si, ainsi que cela se produit quelques fois, cette vitesse monte jusqu'à un maximum à la température critique de le substance utilisée pour tomber ensuite rapidement comme indiqué par le courbe de la fig. 8 pour l'ammoniac, il est
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nécessaire de s'assurer que le température critique ne puisse pas être dépassée puisqu'un léger excès don- nerait lieu à un accroissement inacceptable de la tem- pérature de l'aube. Un autre facteur, qui doit être considéré dans le ces d'une aube tournante est que l'on doit éviter une répartition irrégulière des poids par suite de l'empiècement variable du réfrigérant dans les cavités des aubes, ainsi que cela peut se produire aveo des substances qui sont solides à la température ambiante.
Cette difficulté peut être écartée en ayant recours à une substance qui est liquide à le tempéra- ture ambiante à envisager ou qui devient liquide à une température atteinte par le rotor quand celui-ci tourne encore à une vitesse réduite, ou qui se soli- difie en refroidissent à une température qui est at- teinte quand le rotor se meut encore à une vitesse assez élevée pour que le réfrigérant vienne occuper un emplacement déterminé par l'effet oentrifuge.
Alors que la circulation la plus efficace est obtenue en se servant d'un réfrigérant qui bout et se condense aux conditions de fonctionnement, il est possible d'obtenir un cycle refroidisseur par oon- veotion sans qu'il se produise une ébullition et une condensation et le refroidissement ainsi obtenu, tout en étant moins efficace, peut être suffisant dans oer- teins ces,.
Parmi les substances qui peuvent oonvenir dans le oas d'une turbine à gaz on peut citer, à titre d'exemple, le chlorure d'aluminium, le bromure d'alu- minium, le sodium et le césium mais l'objet de l'inven- tion réside dans l'idée générale de se.servir d'un cycle refroidisseur par convection dans une eevité
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fermée que l'on ménage dans une aube tournante, plu- t8t que dans le choix d'une matière particulière comme réfrigérant puisque, ainsiqu'il résulte de ce qui précède, le nature du réfrigérant est déterminée par les conditions de température, etc., qui sont à remplir.
Dans certains cas il est même possible de se servir de l'eau comme substance adéquate .
La forme oohstruotive d'une aube, établie selon l'invention et plus spécialement en ce qui con- cerne son embase 2 et son prolongement 4, peut subir des modifications considérables pour tenir compte des exigences qui se présentent dans chaque ces particu- lier, Les figs. 2 et 3 montrent, respectivement en coupe longitudinale et en coupe transversale, l'appli- cation de l'invention, indiquée à titre d'exemple, à un rotor 3 du type à tambour et qui porte plus d'un étage d'eubages. Un dispositif de ce genre convient tout particulièrement dans le ces où les prolongements 4 des aubes sont refroidis par un courent d'air réfri- gérant qui traverse le rotor.
Les fige. 4 et 5 montrent, semblablement aux figs. 2 et 3, une autre application possible de l'invention à un rotor 3 avec étage unique et constitué de manière que se périphérie comporte deux parties. Dans ce cas on envisage qu'un courent d' air, provenant de l'extérieur, circule dans l'espace compris entre les deux parties du rotor, l'air entrent par une partie interne radiale et étant déchargé à ou à proximité de le périphérie et, par exemple, par des passages 9 ménagés dans une ou dans les deux faces du rotor.
Le courent d'air peut, dans ce ces, être pro- duit par des aubes ou eilettes montées sur le rotor ou cet air peut être introduit sous pression par le
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moyeu dudit rotor et dans ce cas également le prolon- gement 4 peut être constitué de manière qu'il puisse intervenir dans l'écoulement de cet air sous pression.
Il n'est nullement essent iel que la partie de l'aube, désignée ci-dessus comme étant le prolonge- ment 4 de celle-ci, soit écartée radialement du corps 1 proprement dit de cette aube par une partie interné- diaire 2 formant l'embase de oelle-oi du moment que le principe subsiste que ce prolongement soit maintenu plus froid, à un degré suffisant, que le corps propre- ment dit 1 de l'aube.
Par exemple et cornée montré sur les figs. 6 et 7, on peut avoir recours au montage usuel d'un étage unique d'aubes sur un rotor plein à l'aide d'un mode de f ix at ion dénommé "en forme de sa- pin" et dans ce ces le prolongement en question peut être constitué par l'embase elle-même et l'agencement étant tel que l'on puisse, au besoin, refidir cette embase par de l'air qui est débité radielement et vers l'extérieur par un passage délimité par un diaphrag- me 10 établi en amont du rotor 3. Une partie de oet air passe alors le long de la face amont de l'embase et traverse ensuite le oanal de travail prinoipal tan- dis qu'une autre partie s'écoule vers la faoe aval du- dit rotor par un passage 11 qui subsiste en dessous de l'embase en question.
Dans chacun des ces indiqués ci-dessus on peut ménager une chambre 5 dans chaque aube, comme montré pour l'aube de gauche de la fig. 2 ou, si des considérations constructives le rendent désirable, on peut faire intervenir plus d'une chambre par aube comme indiqué pour l'aube de droite de le fig. 2 et sur les figs. 4 et 5. Des cas peuvent également se présenter pour lesquels au moins deux chambres dans @
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la mène aube peuvent être reliées entre-elles à leurs extrémités et, si on le désire, en des points inter- médiaires. En outre, on peut faire intervenir des ai- lettes ou des moyens techniques équivalents pour cha- cune des dispositions montrées sur les figs. 2 à 7, ces ailettes étant enelogues à celles désignées par 8 sur la fig. 1.
Bien que l'invention ait été décrite c omme se rapportant, event tout, à des eubages de rotor qui sont orientés vers l'extérieur per rapport à un rotor intérieur, elle peut également être utilisée pour des eubages de rotor prientés vers l'intérieur et montés sur un support extérieur. Dans ce dernier cas le pro- longement doit se trouver à une partie interne et être orienté radialement sur l'aube par rapport au corps proprement dit de celle-ci, o'est-à-dire eu sommet de cette aube laquelle, par conséquent, doit être encagée pour que l'on obtienne la production d'une zone plus qu' froide à l'intérieur du canal principal de la machine.
L'invention peut également être appliquée à des aubeges de rotor pour des machines radiales, le prolongement plus froid étant prévu, par exemple, dans un rotor oreux et la circulation par oonveotion ayant lieu, suivant une direction générale inclinée, sur l'axe de rotation eu lieu de se faire suivant une direction gé- nérele radiale. Dans ce ces les chambres contenant le fluide réfrigérant sont inclinées en conséquence.
L'invention n'est également pes limitée à son application eux ces où les aubes sont constituées per des éléments séparés que l'on monte sur leur sup- port. Quand les aubes et leur support sont constitués de manière à former des parties intégrantes entre- elle s, le prolongement peut être réalisé à l'aide du support lui-même (par exemple du corps d'un rotor) et
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l'express ion "prolongement", utilisée dans lespré- sentes, doit être interprétée comme comprenant égale- ment un tel cas quand le oontexte le permet,
De l'eau, ou tout autre liquide ou tout flui- de gazeux ;
@ ..autre que l'air petit être utilisé à la place de l'air comme réfrigérant extérieur, étant en- tendu que l'usage d'un liquide donnerait lieu % oer- teines complication.9 onstruotives, notamment en ce qui concerne les moyens pour éviter les fuites, De plus, et dans ce ces il serait probablement néoessaire que les aubes soient soudées au rotor ou fessent partie intégrante de celui-CI,,
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1.
Une turbine ou machine à aubes analogue traversée par un courent fluide, plus spécialement une turbine à gaz, destinée à fonctionner à une tempéra- @ tare élevée et comprenant un eubage de rotor dont une partie de chaque aube proprement dite, qui se trouve dans le canal de la machine dans lequel passe le flui- de actif, oomporte un prolongement qui s'étend ou qui prolonge effectivement la struoture de l'aube jusqu'au delà d'une limite dudit canal jusque dans une zone plus froide, ledit aubage comportent une cavité interne fer-
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/ //' ( ±./ 7"1? 1 mée, commune à la fois à ladite partie de l'aube et @ à son prolongement, cette cavité contenant un fluide réfrigérant approprié et choisi de manière qu'il soit i oonveotif pour les conditions de fonctionnement,
l' @ agencement étant tel que, par suite des emplacements relatifs de ladite partie de l'aube et de son prolon-
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