BE527114A - - Google Patents

Description

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   TURBO-MACHINE A FLUIDE CHAUD. 



   La présente invention est relative à une turbo-machine à fluide chaud, plus spécialement aux turbines à gaz ou à vapeur. 



   0n sait que le processus général de fonctionnement d'une turbine à gaz est le suivant : un compresseur aspire et   comprime   de l'air froid qui est alors introduit dans une chambre de combustion où on pulvérise le com- bustible. L'air chaud et les gaz de combustion se détendent ensuite à travers la turbine proprement dite en faisant tourner cette dernière, pour s'échap- per ensuite à l'air libre.    



  La machins, fonctionnant donc entre la température T1 de la chambre de combustion et la température T2 de l'échappement et le rendement théorique maximum étant T1 - T2, il faut donc augmenter Tl pour accroî-   tre le rendement T1. 



   Les aubes d'une turbine supportent cependant très mal les tempé- ratures supérieures à 800 C. On doit donc ajouter de l'air en exqès pour ra- mener la température des gaz chauds de 1800 C, par exemple, à 800 C cet excès d'air diluant en pure perte le fluide moteur. 



   On a essayé de remédier à cette situation en..prévoyant des aubes plus résistantes à la chaleur, notamment en matières réfractaires, telles que de la céramique. Toutefois, si la résistance thermique de ces aubes réfrac- raires est excellente, leur résistance mécanique est médiocre, le problème étant donc ainsi simplement déplacé. 



   On a déjà .essayé de refroidir les aubes en y faisant circuler un fluide pénétrant par la base de ces aubes et s'échappant à leur sommet ouvert, dans le fluide moteur. On comprend immédiatement que ce dernier est à nouveau dilué de manière désavantageuse. 

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   La présente invention est relative à un système perfectionné de refroidissement des aubes des turbo-machines en général. 



   Dans une   turbo-machine   à fluide chaude notamment une turbine   à.   gaz ou à vapeur, suivant l'invention, est prévue la circulation d'un fluide de refroidissement,dans le sens axial de la machine et intérieurement à la ou aux couronnes de support des aubes rotoriques, celles-ci présentant,   à   cet effet, des prolongements intérieurs à cette ou ces couronnes de support en plongeant dans ladite circulation de fluide de refroidissement, de sorte que la partie des aubes, soumise à l'action des gaz ou de la vapeur, est refroidie par conduction et/ou par convection. 



   Dans une forme de réalisation des aubes, celles-ci sont creuses et fermées, et contiennent un liquide de refroidissement qui, dans la zone des aubes soumise au gaz, ou bien se vaporise éventuellement, pour être ensuite   recondens   dans la zone des aubes,soumise au fluide de refroidissement, ou bien y reste à l'état liquide, une circulation continuelle du liquide de refroidissement étant assurée grâce à la force centrifuge. 



   Dans une autre forme de réalisation des aubes, la partie de ces aubes,soumise à l'action des gaz ou de la vapeur, est constituée, extérieurement, en un   @   métal ou une matière, telle que de la céramique, résistant aux hautes températures, tandis que l'intérieur de cette portion des aubes, ainsi que la partie de celles-ci, soumise à l'action du fluide de refroidissement,sont constitués en un métal ayant de bonnes caractéristiques de conduction de la chaleur. 



   Dans la zone de refroidissement, intérieure à la ou aux couronnes rotoriques, peuvent être prévus des moyens tels que des chicanes, disposée normalement sur l'axe et destinés à améliorer   l'action   de refroidissement sur la partie des aubes plongeant dans cette zone de refroidissement. 



   Dans le ces d'une turbine à aubes redresseuses fixes, celles-ci peuvent être avantageusement prolongées extérieurement à leur couronne de support pour   y   être refroidies par un fluide de refroidissement, de sorte que la partie de ces aubes fixes, soumise aux gaz, est refroidie par conduction. 



   De telles aubes redresseusses peuvent à nouveau être creuses et contenir intérieurement un métal, bon conducteur thermique, qui se prolonge extérieurement à la couronne de support pour être soumis à l'action du fluide de refroidissement. Ou bien, à nouveau, ces aubes redresseuses seront creuses et fermées, et contiendront un liquide de refroidissement, ces aubes ainsi que leur couronne de support étant éventuellement animées d'un mouvement de rotation, un volant   thermique   constitué par une lame de métal bon conducteur pouvant être prévu dans ces aubes, lame qui en même temps, facilite l'égalisation des températures du fluide de refroidissement. 



   Dans le cas des aubes creuses,celles-ci peuvent être renforcées intérieurement par au moins une armature ou paroi intérieure. 



   Accessoirement, les prolongements des aubes des rotors, intérieurs à la ou aux couronnes de support, peuvent être orientés de manière convenable pour agir comme compresseur axial, dans le cas d'une turbine contra-rotative. 



   Dans une forme de réalisation particulière, le prolongement d'un certain nombre au moins des aubes du rotor peut servir également de bras de raccordement dudit rotor à son axe de rotation. 



   D'autres détails et particularités de l'invention ressortiront de la description donnée ci-après, à titre d'exemple non limitatif et avec référence aux dessins annexés, les turbines à gaz étant plus spécialement considérées. 

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   La figure 1 est une vue d'extrémité d'une turbine schématisée et comprenant certains perfectionnements suivant l'invention. 



   La figure 2 est une vue en élévation et en coupe d'une turbine du même type. 



   La figure   3   montre un type d'aube suivant l'invention, cette aube étant détordue pour la simplicité des explications. 



   La figure 4 est une vue en plan d'une aube suivant la figure
3. 



   La figure 5 montre'un mode de fixation d'une aube dans sa cou- ronne. 



   La turbine schématisée en figure 2 comprend essentiellement une couronne extérieure 1 supportant des aubes statoriques 2, une couronne mobile 3 supportant les aubes rotoriques 4, et un axe de rotation 5. 



   Ces divers éléments créent entre eux un certain nombre de zones, notamment la zone 6 (figure 1) dans laquelle passe le flux des gaz chauds, pour faire tourner la turbine, et la zone 7 du flux froid suivant l'invention, ces deux zones étant normalement séparées par la couronne 3 de support des aubes rotoriques 4. 



   Le flux froid traversant la zone 7 suivant le flèche 8 de la figure 2 est constitué par de l'air frais, ou éventuellement un liquide, se déplaçant dans le même sens 8 que le flux chaud 9, ou dans le sens inverse. 



   Ce flux froid, à sa sortie de la turbine, peut aller à l'échappement ou alimenter le compresseur en tout ou en partie, lorsqu'il s'agit d'air. 



   L'avantage obtenu pour une telle circulation est de permettre l'évacuation de la chaleur des aubes par le chemin le plus court et au prix de la réalisation la plus simple possible. 



   Les aubes rotoriques   4   sont donc prolongées intérieurement à leur commune de support 3 de manière que leur base 10 plonge dans le flux froid. Far conduction, la tête ou partie active 11 des aubes sera refroidie. 



  Ces aubes peuvent également être réalisées en deux matières (figure   5),   une matière métallique ou céramique extérieure 18 et un métal intérieur 19, bon conducteur thermique et prolongé, par une base 10, dans le flux froid. 



   Si la chaleur évacuée par conduction dans la masse du métal ne suffit pas au refroidissement des aubes, on peut introduire une circulation de fluide à l'intérieur des aubes mobiles 4, qui sont alors creuses et fermées, par exemple une circulation d'eau,qui accélérera l'évacuation de chaleur, par convection. Si on se reporte à la figure 3, le liquide 12 se trouvant dans la partie 10 de l'aube, soumise à la circulation du flux froid, est projeté sous l'action de la force centrifuge (agissant suivant la flèche 14) dans la partie active 11 de l'aube, où il est vaporisé.

   Pendant la rotation des aubes, les bulles 13 de vapeur remonteront en fait dans la partie   10   de l'aube pour s'y recondenser, le champ de la force centrifuge agissant en effet comme le champ de la pesanteur pour assurer un refroidissement énergique de l'aube par circulation spontanée du liquide. Les bulles de vapeur 13, naissant. sur les parois de la partie   Il,   remontent le champ de la force centrifuge. 



   A la figure 2, l'axe de rotation 5 porte des chicanes 15 qui améliorent l'effet du flux froid sur la base 10 des aubes. 



   Dans le cas des turbines contra-rotatives, comme il existe un jeu entre deux couronnes d'aubes consécutives, tournant en sens inverses, il faut alors, si on applique la circulation de flux froid suivant l'invention, que la pression au sein du flux chaud dans la zone 6 soit égale ou, de préférence, légèrement supérieure à la pression du flux froid circulant dans la 

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 zone 7, pour que ce flux froid ne vienne pas diluer le flux chaud. 



   Dans une turbine à aubages redresseurs fixes du type de la figure 2, les aubes mobiles 4 sont logées sur un tambour séparant totalement le flux froid du flux chaud. Pour refroidir les aubes fixes 2, on peut utiliser des aubes creuses dans lesquelles sera coulé un métal bon conducteur thermique, tel que de l'aluminium, et laisser dépasser une lame ou une ailette 17 sur laquelle on fera circuler un fluide de refroidissement. 



  Ces aubes du stator 2 peuvent encore être réalisées creuses et fermées, et être remplies de liquide. On peut faire alors tourner lentement le stator, de manière qu'une circulation du liquide prenne naissance dans les aubes, la partie extérieure prolongée 7 de celles-ci étant à nouveau soumise à l'action d'un fluide de refroidissement. On choisira judicieusement la vitesse du stator ; il doit tourner assez vite pour que les aubes de la partie inférieure ne soient pas brûlées mais assez lentement pour que le force centrifuge soit négligeable, car elle a dans le cas présent un effet inverse à celui qu'elle a dans les aubes rotoriques. On peut évidemment introduire dans ces aubes un tronçon de métal bon conducteur servant de volant thermique, auquel cas on peut éventuellement se dispenser de faire tourner le stator. 



   En ce qui concerne la fixation des ailettes, bon nombre de systèmes peuvent être prévus 'selon le type et le mode de réalisation des aubes choisies. On peut, par exemple, utiliser une bague 16 soudée à mi-corps,comme aux figures 3 et 5. Cette région de fixation peut être constituée par un tambour centré sur   l'axe. Ce   tambour continu résistant par lui-même à la force centrifuge, il reste à transmettre le couple moteur à l'arbre au moyen de bras 21 (figure 2)
Les aubes peuvent être réalisées de manière quelconque, par découpage,   matriçage.,   pliage, soudure, etc... 



   On peut renforçcer la résistance à la force centrifuge et   à   la flexion en introduisant dans l'aube une armature intérieure 20,baignée par le liquide de refroidissement? et placée, par conséquent, dans la condition thermique la plus favorable/
Pour autant qu'on donne aux bases 10 des aubes rotoriques 4 une orientation convenable, l'ensemble de ces aubes peut éventuellement servir de compresseur axial dans le cas d'une turbine contra-rotative. 



   Pour la surveillance, on peut mélanger au liquide de refroidissement des aubes, un produit indicateur volatil et placer, en aval de la turbine, des détecteurs de ce produit dans le flux froid. On est ainsi averti de toute fuite du liquide des aubes. 



   Le refroidissement peut encore être amélioré en pourvoyant les prolongements des aubes, d'ailettes de refroidissement. On peut aussi, dans le cas où on place des bras reliant le rotor à son arbre, et lorsqu'on utilise des aubes pleines, soit mixtes, soit d'un seul métal, supprimer les prolongements des aubes en les remplaçant par les bras eux-mêmes, en pourvoyant éventuellement ceux-ci d'ailettes ; cette solution est particulièrement indiquée si on constitue les bras d'un métal bon conducteur. 



   Il doit être entendu que l'invention n'est pas limitée aux modes de réalisation ci-avant mais que bien des modifications ou variantes peuvent être prévues sans sortir du cadre de la présente demande de brevet. 

**ATTENTION** fin du champ DESC peut contenir debut de CLMS **.

Claims (1)

1. REVENDICATIONS 1. Turbo-machine à fluide chaud, plus spécialement turbine à gaz ou à vapeur, ou autre machine similaire, destinée à permettre l'utilisation de hautes températures de gaz ou de vapeur, dans laquelle est prévue la circulation d'un fluide de refroidissement, dans le sens axial de la machine et intérieurement à la ou aux couronnes de support des aubes rotoriques, <Desc/Clms Page number 5> celles-ci présentant., à cet effet, des prolongements intérieurs à cette ou ces couronnes de support et plongeant dans ladite circulation de fluide de refroidissement, de sorte que la partie des aubessoumise à l'action des gaz ou de la vapeur, est refroidie par conduction et/ou par convection.

   2. Turbo-machine suivant la revendication précédente, caractéri- s ée en ce que les aubes sont creuses et fermées, et contiennent un liquide de refroidissement qui, dans la zone des aubes soumise au gaz où à la vapeur, ou bien se vaporise éventuellement, pour être ensuite recondensé dans la zone des aubes, soumise au fluide de refroidissement, ou bien y reste à l'état liquide, une circulation continuelle du liquide de refroidissement étant assu- rée grâce à la force centrifuge, 3.

   Turbo-machine suivant la revendication 1, caractérisée en ce que la partie des aubes, soumise à l'action des gaz ou de la vapeur., est con- stituée, extérieurement en un métal ou une matière, telle que de la céramique résistant aux hautes températures, tandis que l'intérieur de cette portion des aubes, ainsi que la partie de celles-ci, soumise à l'action du fluide de refroidissement, sont constitués en un métal ayant de bonnes caractéristiques de conduction de la chaleur.

   4. Turbo-machine suivant l'une queldpnque des revendications précédentes,caractérisée en ce que, dans la zone de refroidissement intérieure à la ou aux couronnes rotoriques, sont prévus des moyens, tels que des chicanes, disposés normalement sur l'axe, et destinés à améliorer l'action de refroidissement sur la partie des aubes plongeant dans cette zone de refroidissement.

   5.- Turbo-machine suivant l'une quelconque des revendications précédâtes, caractérisée en ce que, dans le cas d'une turbine contra-rotative, où les couronnes d'aubes consécutives, tournant en sens inverse, présentent un jeu entre elles, la pression du flux chaud est égale, ou de préférence supérieure à la pression du fluide de refroidissement., afin que ce dernier ne soit pas amené à diluer le flux chaud.

   6. Turbo-machine suivant l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisée en ce que, dans le cas d'une turbine à aubes redresseuses fixes, celles-ci sont prolongées extérieurement à leur couronne de support pour y être refroidies par un fluide de refroidissement, de sorte que la partie de ces aubes fixes, soumise au flux chaud, est refroidie par conduction.

   7. Turbo-machine suivant la revendication précédente, caractérisée en ce que ces aubes fixes sont creuses et contiennent intérieurement un métal, bon conducteur thermique, qui se prolonge extérieurement à la equronne de support pour être soumise à l'action du fluide de refroidissement.

   8. Turbo-machine suivant la revendication 6, caractérisée en ce que lesdites aubes sont creuses et fermées,, et contiennent un liquide de refroidissement, ces aubes ainsi que leur couronne de support étant éventuellement animées d'un mouvement de rotation, un volant thermique constitué par une lame de métal bon conducteur pouvant être prévu dans ces aubes, lame qui facilite en même temps l'égalisation des températures du fluide de refroi- dissement.

   9. Turbo-machine suivant l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce que, dans le cas d'aubes creuses, celles-ci peuvent être renforcées intérieurement par au moins une armature ou paroi intérieure.

   10.Turbo-machine suivant l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce que les prolongements des aubes du rotor, intérieurs à la ou aux couronnes de support, sont orientées de manière convenable pour agir comme compresseur axial, lorsqu'il s'agit d'une tu@bine contra-rotative. <Desc/Clms Page number 6>

   11. Turbo-machine suivant l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce que le liquide de refroidissement, intérieur aux aubescontient un produit indicateur pour l'indication de toute fuite éventuelle de ce liquide de refroidissement.

   12. Turbo-machine suivant l'une quelconque des revendications précéd entes, caractérisée en ce que les prolongements des aubes plongeant dans le flux de fluide froid sont pourvus d'ailettes ou moyens similaires de refroidissement.

   13. Turbo-machine suivant l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce que le prolongement d'un certain nombre au moins des aubes du rotor peut servir également de bras de raccordement dudit rotor à son axe de rotation.

   14. Turbo-machine,, notamment turbine à gaz ou à vapeur, centrifugeuse travaillant dans un fluide chaud, etc, telle que décrite ci-avant avec référence aux dessins annexés. en annexe 1 dessin