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La présente invention est relative à une turbine à gaz avec rotor à plusieurs étages, dans lequel les pieds des aubes de rotor sont enfilés dans des rainures profilées axiales dudit rotor, avec un dispositif servant à refroidir à la fois la surface du rotor et les pieds des aubes.
L'invention se propose de résoudre le problème connu de protection des parties d'une turbine à gaz soumises à de grands efforts mécaniques contre,un chauffage nuisible sup- plémentaire provoqué par le courant chaud de fluide moteur car une superposition d'efforts thermiques et mécaniques élevés conduirait à dépasser la limite de résistance ad- missible de la matière et à provoquer sa destruction.
En ce cas, c'est le rotor de la turbine à gaz - car c'est autour de lui que passe le fluide moteur - qui est mis en premier lieu en danger et qui doit donc être refroidi.
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Le refroidissement du rotor, que l'on cherche à obte- nir pour les raisons ci-dessus, est d'autant plus.. important,. qu'il permet d'utiliser de la. matière ferritique pour sa. fabrication.
Ainsi qu'on le sait, cette matière est bien. meilleure marché que la matière austénitique, elle est plus facile à travailler et, d'autre part, la limite)- de son aptitude à sup- porter une charge thermique est tellement plus basse que dans le cas de la matière austénitique, que lorsqu'on l'utilise comme matériau pour un rotor de. turbine. à gaz, il est absolu- ment nécessaire de prévoir un dispositif de refroidissement.
On connait déjà plusieurs modes de réalisation de turbines à gaz refroidies. Les conditions sont parti.culière- ment simples dans le cas de turbines à un étage dans lesquel- les on introduit en géhéral des deux c8tés du rotor en forme de plateau ou par desouvertures et des canaux radiaux ména- gés dans celui-ci un gaz de refroidissement et le rotor est ainsi protégé suffisamment contre le fluide moteur chaud.
Dans le cas de turbines à plusieurs étages, les con- ditions sont plus difficiles parce qu'alors la répartition et le guidage exacts du gaz de refroidissement - suivant la construction de la turbine - présentent dans beaucoup de cas de grandes difficultés.
On a déjà proposé de faire arriver le gaz de refroi- dissement aux pieds des aubes du rotor ou aux sommets des aubes directrices de manière à faire agir la nappe de gaz de refroidissement entre la surface du rotor' et le fluide mo- teur chaud.
Une nappe de gaz de refroidissement de ce genre se mélange cependant très rapidement au courant du fluide mo- teur chaud et donne - en outre d'un effet de refroidissement et de protection très insuffisant - une réduction sensible du rendement de la turbine.
Dans une autre disposition connue, il est prévu un
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support des aubes du rotor constitué par un cylindre creux' qui est relié de son côté, par un plateau porteur, avec le moyeu monté sur l'arbre. Un courant de gaz de refroidissement passant dans l'intérieur du cylindre creux et par des trous du plateau porteur, parallèlement au fluide moteur, refroidit le support des aubes du rotor et les pieds de celles-ci.
Cette disposition présente cependant l'inconvénient que la surface du rotor soumise directement à l'action du courant du fluide moteur chaud, malgré le refroidissement in- térieur, prend des températures très élevées, d'autant plus que les aubes transmettent à leurs supports la plus grande partie de la chaleur qu'elles reçoivent. Pour ces raisons, lorsque le refroidissement doit être efficace, il doit être très intense, c'est-à-dire qu'il faut un très grand courant de gaz de refroidissement pour maintenir suffisamment froid le support des aubes du rotor.
A cela vient s'ajouter que le support des aubes du rotor ayant plus ou moins la forme d'un cylindre.creux, per- met bien de guider relativement simplement le gaz de refroi- dissement mais que, dans l'état actuel de la technique, il impose une limite trop faible à la vitesse superficielle ou à la vitesse de rotation du rotor que l'on s'efforce d'aug- menter, du fait des efforts dûs à la force centrifuge.
En conséquence, on en est arrivé à des rotors com- pacts ou à des rotors faits de plusieurs plateaux qui ont de leur côté le profil d'un corps de même résistance..
Dans une de ces formes de réalisation, il est prév un corps de rotor compact avec des séries d'aubes disposées dans des fentes radiales pour des raisons de fabrication ra- tionnelle ainsi que de résistance. Dans un corps de rotor de ce genre, le refroidissement, aussi bien du rotor lui-même que des pieds des aubes représente un problème extrêmement difficile.
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@ La présente invention permet de remédier à cette difficulté. Elle est caractérisée par un nombre, correspon- dant aux aubes d'une couronne, de canaux de refroidissement disposés en direction de l'axe, chacun des canaux comportant des parties de canal placées les unes derrière les autres (ces parties de canal étant constituées chacune par une por- tion de la paroi de la surface du rotor à refroidir et une portion de paroi du pied d'une aube à refroidir) et, en ou- tre, les différentes parties de canal présentant des espaces intercalaires communiquant avec ce canal, les espaces inte= calaires étant constitués par la surface du rotor et par des anneaux disposés entre les aubes, à distance de la sur- face du rotor, et empêchant le passage du gaz de refroidisse- ment dans le courant de fluide moteur.
De préférence, suivant une forme de réalisation de-' l'invention, le gaz de refroidissement arrive aux canaux de gaz de refroidissement en provenance d'un espace compris entre la face'avant du rotor et un disque de recouvrement,, cet espace étant relié d'autre pàrt, à une source de gaz de refroidissement.
Lors du refroidissement, dans le système de l'ins- tallation de turbo-machine, il est important de maintenir aussi faible que possible les pertes produites par le courant de gaz de refroidissement. Ce résultat est obtenu selon l'in- vention grâce à ce que la quantité de gaz de refroidissement est réduite à un minimum et produit un résultat maximum grâce à une vitesse élevée dàns des canaux très étroits. Du fait de la grandeur de la chute de pression dont on dispose, ce procédé est applicable sans difficulté dans le cas ci-dessus.
Pour cette raison, il est avantageux de remplir la section des canaux de gaz de refroidissement au moyen de corps de déplacement dans une mesure telle que le coefficient de résistance pour le gaz de refroidissement est supérieur ou au moins égal au coefficient de résistance du canal de passa-
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ge du gaz de refroidissement en provenance de la source de. ce gaz aux canaux de gaz de refroidissement.
La présente invention ne présuppose pas en soi une construction spéciale du rotor et de la fixation des aubes.
Toutefois, on a constaté, en combinaison avec l'invention, qu'une forme de réalisation était particulièrement avantageu- se et simple, Cette forme consiste en ce que le rotor compor- te, en direction axiale, des rainures longitudinales usinées avec un profil de retenue dans lequel sont disposés les pieds des aubes, des bagues de recouvrement se trouvant, en regar- dant dans le sens de l'axe, entre les couronnes d'aubes, ces bagues s'appuyant lors de la dilatation due à la force cen- trifuge contre les pieds des aubes.
Dans cette forme de réalisation du rotor et des aubes, un espace collecteur pour le gaz de refroidissement sortant est avantageusement prévu entre la face avant du rotor et une plaque de recouvrement se raccordant à elle.
On a représenté schématiquement un exemple de réalisa- tion de l'invention sur le dessin annexé..
La figure 1 représente le rotor 1, selon l'invention, comportant en coupe longitudinale, par exemple, trois cou- ronnes d'aubes, 2,3 et 4. Le carter 5, entourant le rotor, porte les séries fixes d'aubes directrices 6,7 et 8. Les pieds 9,10 et 11 des aubes du rotor 2,3 et 4 sont intro- duites dans une rainure axiale 12 du rotor 1. A l'entrée 13 du fluide moteur dans le canal 16 des aubes, se trouve, sur la face avant 14 du rotor 1, un disque de recouvrement 15 constituant avec la face 14 une chambre 18 dans laquelle dé- bouche le canal 17 de gaz de refroidissement disposé en direc tion de l'axe. Entre le carter 5 de la turbine et le rotor 1, se trouve une garniture d'étanchéité 19 à labyrinthe.
Le gaz de refroidissement arrive en 20, il passe par la fente 21 dans la chambre 18 et, de là, dans le canal 17 avec une grande vitesse, en balayant et refroidissant aussi bien la
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surface du rotor 1 que les pieds et les tiges des couronnes d'aubes 2,3 et 4. Entre ces couronnes, des bagues de recou- vrement 22,23, 24'et 25 ferment les canaux de gaz de refroi dissement par rapport au canal 16 des aubes. Au bout des ca- naux de gaz de refroidissement, il peut y avoir une plaque de recouvrement 26 constituant, avec la face 27 d'aval du rotor 1, une chambre collectrice 28 pour le gaz de refroi- dissement sortant.
La figure 2 représente un secteur de la section de la turbine à gaz en regardant une couronne d'aubes, par exemple 2, avec les différentes aubes, 30,31 et 32 et-leurs plaques' de pied 33, 34 et 35. On voit nettement les rainures profi- lées 36, 37 et 38 du rotor 1 dans lesquelles sont introduite les pieds 39,40 et 41 des aubes.
Entre les plaques de pied et les pieds des aubes se trouvent des tiges 42,43 et 44 qui transmettent la force centrifuge des aubes aux pieds. Les corps de déplacement 45, 46 et 47 restant entre les rainures axiales du rotor 1 pénè- trent en même temps sous forme de "nervures de refroidisse- ment" dans les canaux de gaz de refroidissement 48,49 et 50, qui sont délimités par les plaques de pied 33, 34 et 35 et la surface du rotor.
On voit sans plus, d'après la forme de réalisation représentée, les avantages particuliers donnés par le disposi- tif de refroidissement.
Ce dernier fait d'abord que le gaz de refroidissement n'arrive par le guidage positif qu'en des points déterminés, mais cependant avec l'effet intense nécessaire, à savoir, en particulier, sur les tiges 42, 43 et 44 soumises à un effort élevé du fait des forces centrifugea, sur'les plaques de' pied 33, 34 et 35 et sur la surface du rotor 1. Le refroidissement des plaques de pied et des tiges soulage ces pièces, d'une part, directement des efforts thermiques de valeur inadmissi- bles et il empêche aussi, contrairement à ce qui a lieu dans
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presque tous les rotors de construction connue, une transmis- sion directe de la chaleur des aubes à la matière du rotor.
Le rotor n'est plus - comme dans les turbo-machines connues décrites au début - soumis directement à l'action du' courant de fluide moteur ; aucontraire, il est isolé de ce courant tout autour dans une certaine mesure par les canaux de gaz de refroidissement.
Cet effet nouveau donné par l'invention est obtena d'autre part à l'aide d'une construction simple et pratique- ment sans dépense plus grande en éléments de construction nouveaux ou en frais d'usinage; il s'obtient grâce à la dis- position spéciale des aubes du rotor situées à distancé de celui-ci. Etant donné que les pieds de ces aubes sont intro- duits dans des rainures axiales du rotor, on obtient, indé- pendamment des très bonnes conditions de montage pour les aubes du rotor, dans une certaine mesure automatiquement, les canaux de gaz de refroidissement. Il suffit de prévoir, comme éléments de construction spéciaux, les bagues de re- couvrement et les plaques de fermeture pour le dispositif de refroidissement.
Comme le gaz de refroidissement ne peut se mélanger avec le courant de fluide moteur, le dispositif de refroidissement selon l'invention n'influe pas non plus de façon désavantageuse - comme cela est le cas.dans beaucoup de turbo-machines connues - sur le rendement de la machine et il ne consomme d'autre part, que le minimum de gaz de re- froidissement qui est effectivement nécessaire pour des rai- sons purement thermiques.
Le dispositif de refroidissement peut s'adapter dans une grande mesure à l'aide de moyens simples sur tous les types de turbo-machines. Il suffit de remplacer les canaux de gaz de refroidissement disposés sous les plaqués de picds des aubes du rotor par de simples évidements dans les pieds de ces aubes, ce qui permet éventuellement de pouvoir se pas-
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ser des bagues de recouvrement et des tiges. Avec des rotors plus grands, par exemple, la tige peut être si courte que les corps de déplacement ne sont pas nécessaires;..