EP1329595A1 - Diffuseur pour moteur à turbine à gaz terrestre ou aèronautique - Google Patents

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EP1329595A1
EP1329595A1 EP03290045A EP03290045A EP1329595A1 EP 1329595 A1 EP1329595 A1 EP 1329595A1 EP 03290045 A EP03290045 A EP 03290045A EP 03290045 A EP03290045 A EP 03290045A EP 1329595 A1 EP1329595 A1 EP 1329595A1
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EP
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fluid
diffuser
orifices
annular
flow
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EP03290045A
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German (de)
English (en)
Inventor
Claude Nottin
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Safran Aircraft Engines SAS
Original Assignee
SNECMA Moteurs SA
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Publication date
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01D—NON-POSITIVE DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, e.g. STEAM TURBINES
    • F01D25/00—Component parts, details, or accessories, not provided for in, or of interest apart from, other groups
    • F01D25/30—Exhaust heads, chambers, or the like

Definitions

  • the present invention relates to the general field of diffusers for gas turbine engines of the terrestrial or aeronautical type. It relates more particularly to diffusers placed between the turbine and the exhaust casing of a gas turbine engine.
  • a gas turbine takes off and transforms part of the gas energy into mechanical energy hot tablets from an engine combustion chamber equipped with this turbine.
  • a turbine generally consists of several stages, each stage comprising a distributor and a wheel mobile placed behind the dispenser and intended to speed up the flow gases. The gases from the last stage of the turbine then supply an exhaust casing.
  • the exhaust casing placed immediately downstream of the turbine consists of a diffuser and casing arms which have essentially the function of straightening the gas flow in the case of a non-axial turbine outlet and providing an air passage of cooling for the internal parts of the engine.
  • the diffuser allows decrease the speed and increase the pressure of the gases from the last turbine stage.
  • the diffuser generally consists of walls forming a gas passage which is divergent in the direction gas flow as illustrated in US Patent 2,594,042.
  • an exhaust casing suffers losses of pressures which are typically proportional to the square of the velocity of gas at the leading edge of the crank arms.
  • the gases reach a speed close to 0.6 Mach at the exit of the moving wheel of the last stage of the turbine.
  • the diffuser allows this speed to be lowered to around 0.45 Mach at level of the leading edge of the crank arms, which leads to losses of pressure of the order of 5%.
  • a gas speed of the order of 0.45 Mach remains a high value. Indeed, the slope of the component walls the diffuser must not exceed a certain value because there is a risk thickening of boundary layers on its walls. These boundary layers thick correspond to areas of detachment or detachment which affect the performance of the diffuser.
  • the aerodynamic section downstream of it is much smaller than the geometric section which prevents the broadcaster to fulfill its broadcasting function.
  • the optimization of the turbine in terms of cost, mass and performance driven generally at high floor loads which result in increasing speed of gases at the exit of the last stage of the turbine.
  • the present invention therefore aims to overcome such drawbacks by proposing a diffuser for a gas turbine in which the losses of pressures are significantly reduced.
  • a diffuser for a turbine engine is provided. gas, the diffuser being arranged between a last stage of a turbine and a exhaust casing and comprising an outer annular wall and a internal annular wall forming an annular passage of divergent fluid in the direction of fluid flow, characterized in that at least one annular walls has a plurality of orifices opening into the annular passage and opening into at least one collection box towards means for discharging part of the fluid so as to reduce the flow speed of the fluid in the annular passage.
  • the orifices made in at least one of the walls diffuser annulars evacuate, via the collection, part of the fluid passing through the annular passage which reduces the flow speed of the fluid in the passage annular and therefore minimize pressure losses. Any risk thickening of boundary layers on the walls of the diffuser and detachment is also eliminated.
  • the collection box (es) are by elsewhere connected to at least one fluid discharge channel.
  • the diffuser further comprises suction means so as to command and control a determined flow rate of fluid to clear out.
  • the orifices made in at least one of the annular walls may be substantially circular holes or slots perpendicular to the wall or circular holes or slots substantially inclined in the direction of flow of the fluid with respect to Wall.
  • the diffuser 10 is arranged immediately downstream of a movable wheel 12 of a last stage of a gas turbine in the flow direction (indicated by arrow F) of a gaseous fluid from this turbine.
  • a housing arm 14 having in particular function of straightening the gas flow is mounted downstream of the diffuser 10.
  • the diffuser 10 has an external annular wall 16a and an internal annular wall 16b so as to form an annular passage 18 for gases from the turbine.
  • the walls 16a, 16b are arranged with so that the annular passage 18 is divergent in the direction of gas flow F so as to decrease the speed of flow and increase the pressure of the gases passing through it.
  • the outer wall 16a is divergent while the internal wall 16b is substantially parallel to a axis (not shown) of the engine fitted with this diffuser. Can also consider that the inner wall 16b is divergent and the outer wall 16a parallel to this axis of the engine.
  • the diffuser 10 has, at its wall external annular 16a and / or its internal wall 16b, a plurality orifices 20 opening in the annular passage 18 and opening into at least one collection box 22 for evacuation means from a part of the gases passing through this annular passage.
  • FIG. 1 only the external wall 16a is equipped with orifices 20.
  • the orifices 20 represented are holes substantially inclined in the direction of flow F of the gases relative to the external wall 16a.
  • the orifices 20 are substantially holes perpendicular to the outer wall 16a and / or its inner wall 16b (figure 2).
  • the orifices 20 can be formed of several circular slots extending in a angular sector of the external wall 16a. These slots can also be substantially perpendicular or substantially inclined in the direction gas flow F relative to the outer wall 16a.
  • the orifices 20 can be made up of one or more “scoop” type slots whose upstream and downstream walls are radially offset. This type of slots with chamfer allows better guidance of the gases directed towards the means of evacuation.
  • a single annular collection box 22 can be provided gases to be evacuated for all the orifices 20 or else a box, for example of cylindrical shape, per orifice 20 (or for several orifices) of so as to ensure better homogeneity of the flow rate of the gases to be evacuated.
  • the gas collection box or boxes 22 are preferably connected to at least one gas discharge channel 24.
  • One or more discharge channels 24 can be provided by box 22.
  • the or the channels 24 can for example pass through the casing arm 14 to exhaust the gases to the outside of the diffuser.
  • the diffuser further comprises suction means 26 of the part of the gas to be evacuated.
  • suction means 26 can be composed of a pilot valve, pump, compressor or any other system for sucking in a desired flow of gas. So it is possible to command and control a determined flow of gas to be evacuated.
  • the gases passing through the orifices 20 formed in the outer wall 16a and / or the inner wall 16b can open out directly outside the diffuser without passing through boxes and drainage channels. Indeed, in this case, the only difference in pressure gases between the annular passage 18 and the outside of the diffuser allows all the same to suck the gases through orifices 20.
  • FIG. 2 represents a diffuser according to the invention applied to an aeronautical gas turbine engine with double flow.
  • the diffuser 10 is disposed immediately downstream of a movable wheel 12 of a last stage of a gas turbine.
  • the external walls 16a and internal 16b of this diffuser define a first diverging annular passage 18 for gases from of the turbine. This first passage 18 is commonly called “flow hot ".
  • An additional wall 16c arranged coaxially to the walls 16a, 16b of the diffuser makes it possible to define a second annular passage 28 for the air sucked in by the fan (not shown) of the engine. This second passage 28 is designated as the "cold flow".
  • the internal wall 16b has a plurality orifices 20 opening in the first annular passage 18 and opening into at least one collection box 22 connected to at least one exhaust gas channel 24.
  • the outlet channel (s) 24 pass the housing arm 14 mounted in the first annular passage 18 and by a casing arm 30 mounted in the second annular passage 28.
  • the diffuser may also include suction means 26 for the part of the gases to clear out.

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Abstract

Diffuseur (10) pour moteur à turbine à gaz, le diffuseur étant disposé entre un dernier étage d'une turbine et un carter d'échappement et comprenant une paroi annulaire externe (16a) et une paroi annulaire interne (16b) formant un passage annulaire (18) de fluide divergent dans le sens d'écoulement (F) du fluide, au moins l'une des parois annulaires (16a, 16b) comportant une pluralité d'orifices (20) s'ouvrant dans le passage annulaire et débouchant dans au moins un caisson (22) de collecte vers des moyens d'évacuation d'une partie du fluide de façon à diminuer la vitesse d'écoulement du fluide dans le passage annulaire. <IMAGE>

Description

Arrière-plan de l'invention
La présente invention se rapporte au domaine général des diffuseurs pour moteurs à turbine à gaz du type terrestre ou aéronautique. Elle vise plus particulièrement des diffuseurs placés entre la turbine et le carter d'échappement d'un moteur à turbine à gaz.
Les turbines à gaz terrestres ou aéronautiques ont pour fonction de délivrer une puissance suffisamment élevée pour entraíner soit un alternateur (dans le cas de turbines terrestres) soit un compresseur (dans le cas de turbines aéronautiques). Pour ce faire, une turbine à gaz prélève et transforme en énergie mécanique une partie de l'énergie des gaz comprimés et chauds issus d'une chambre de combustion du moteur équipée de cette turbine. Une turbine se compose généralement de plusieurs étages, chaque étage comportant un distributeur et une roue mobile placée derrière le distributeur et destinée à accélérer l'écoulement des gaz. Les gaz issus du dernier étage de la turbine alimentent ensuite un carter d'échappement.
Le carter d'échappement placé immédiatement en aval de la turbine est constitué d'un diffuseur et de bras de carter qui ont essentiellement pour fonction de redresser l'écoulement gazeux dans le cas d'une sortie de turbine non axiale et de réaliser un passage d'air de refroidissement pour les parties internes du moteur. Le diffuseur permet de diminuer la vitesse et d'augmenter la pression des gaz issus du dernier étage de la turbine. A cet effet, le diffuseur se compose généralement de parois formant un passage pour les gaz qui est divergent dans le sens d'écoulement des gaz comme l'illustre le brevet US 2,594,042.
Il est connu qu'un carter d'échappement subit des pertes de pression qui sont typiquement proportionnelles au carré de la vitesse des gaz au niveau du bord d'attaque des bras de carter. A titre d'exemple, pour une turbine terrestre, les gaz atteignent une vitesse voisine de 0,6 Mach à la sortie de la roue mobile du dernier étage de la turbine. Le diffuseur permet d'abaisser cette vitesse à environ 0,45 Mach au niveau du bord d'attaque des bras de carter, ce qui conduit à des pertes de pression de l'ordre de 5%. Une vitesse des gaz de l'ordre de 0,45 Mach reste toutefois une valeur élevée. En effet, la pente des parois composant le diffuseur ne doit pas dépasser une certaine valeur car il existe un risque d'épaississement de couches limites sur ses parois. Ces couches limites épaisses correspondent à des zones de décollement ou décrochement qui affectent le rendement du diffuseur. Ainsi, dans le cas de décollement sur les parois du diffuseur, la section aérodynamique à l'aval de celui-ci est beaucoup plus faible que la section géométrique ce qui empêche le diffuseur d'assurer sa fonction de diffusion. Par ailleurs, l'optimisation de la turbine en termes de coût, de masse et de performances conduit généralement à des charges par étage élevées qui se traduisent par une vitesse de plus en plus importante des gaz à la sortie du dernier étage de la turbine.
Objet et résumé de l'invention
La présente invention vise donc à pallier de tels inconvénients en proposant un diffuseur pour turbine à gaz dans lequel les pertes de pression sont sensiblement réduites.
A cet effet, il est prévu un diffuseur pour moteur à turbine à gaz, le diffuseur étant disposé entre un dernier étage d'une turbine et un carter d'échappement et comprenant une paroi annulaire externe et une paroi annulaire interne formant un passage annulaire de fluide divergent dans le sens d'écoulement du fluide, caractérisé en ce qu'au moins l'une des parois annulaires comporte une pluralité d'orifices s'ouvrant dans le passage annulaire et débouchant dans au moins un caisson de collecte vers des moyens d'évacuation d'une partie du fluide de façon à diminuer la vitesse d'écoulement du fluide dans le passage annulaire.
De la sorte, les orifices pratiqués dans au moins une des parois annulaires du diffuseur évacuent, par l'intermédiaire du caisson de collecte, une partie du fluide traversant le passage annulaire ce qui permet de diminuer la vitesse d'écoulement du fluide dans le passage annulaire et donc de minimiser les pertes de pression. Tout risque d'épaississement de couches limites sur les parois du diffuseur et de décollement est par ailleurs éliminé. Le ou les caissons de collecte sont par ailleurs reliés à au moins un canal d'évacuation du fluide. Avantageusement, le diffuseur comporte en outre des moyens d'aspiration de façon à commander et contrôler un débit déterminé de fluide à évacuer.
Les orifices pratiqués dans au moins une des parois annulaires peuvent être des trous ou des fentes circulaires sensiblement perpendiculaires à la paroi ou des trous ou des fentes circulaires sensiblement inclinées dans le sens d'écoulement du fluide par rapport à la paroi.
Brève description des dessins
D'autres caractéristiques et avantages de la présente invention ressortiront de la description faite ci-dessous, en référence aux dessins annexés qui en illustrent un exemple de réalisation dépourvu de tout caractère limitatif. Sur les figures :
  • la figure 1 est une vue en coupe longitudinale d'un diffuseur selon la présente invention ; et
  • la figure 1a est une vue partielle d'un second mode de réalisation d'un diffuseur selon l'invention ; et
  • la figure 2 est une vue en coupe longitudinale d'un diffuseur selon l'invention appliqué à un moteur à turbine à gaz aéronautique à double flux.
Description détaillée d'un mode de réalisation
Sur la figure 1, on voit que le diffuseur 10 est disposé immédiatement en aval d'une roue mobile 12 d'un dernier étage d'une turbine à gaz dans le sens d'écoulement (indiqué par la flèche F) d'un fluide gazeux issu de cette turbine. Un bras de carter 14 ayant notamment pour fonction de redresser l'écoulement gazeux est monté en aval du diffuseur 10.
Le diffuseur 10 comporte une paroi annulaire externe 16a et une paroi annulaire interne 16b de façon à former un passage annulaire 18 pour les gaz issus de la turbine. Les parois 16a, 16b sont arrangées de sorte que le passage annulaire 18 soit divergent dans le sens d'écoulement gazeux F de façon à diminuer la vitesse d'écoulement et d'augmenter la pression des gaz le traversant. La paroi externe 16a est divergente tandis que la paroi interne 16b est sensiblement parallèle à un axe (non représenté) du moteur équipé de ce diffuseur. On peut aussi envisager que la paroi interne 16b soit divergente et la paroi externe 16a parallèle à cet axe du moteur.
Selon l'invention, le diffuseur 10 présente, au niveau de sa paroi annulaire externe 16a et/ou de sa paroi interne 16b, une pluralité d'orifices 20 s'ouvrant dans le passage annulaire 18 et débouchant dans au moins un caisson 22 de collecte vers des moyens d'évacuation d'une partie des gaz traversant ce passage annulaire.
Sur la figure 1, seule la paroi externe 16a est équipée d'orifices 20. Les orifices 20 représentés sont des trous sensiblement inclinés dans le sens d'écoulement F des gaz par rapport à la paroi externe 16a. On peut aussi envisager que les orifices 20 soient des trous sensiblement perpendiculaires à la paroi externe 16a et/ou de sa paroi interne 16b (figure 2).
Selon une seconde variante illustrée par la figure 1a, les orifices 20 peuvent être formés de plusieurs fentes circulaires s'étendant selon un secteur angulaire de la paroi externe 16a. Ces fentes peuvent également être sensiblement perpendiculaires ou sensiblement inclinées dans le sens d'écoulement F des gaz par rapport à la paroi externe 16a.
Selon encore une autre variante non représentée, les orifices 20 peuvent être composés d'une ou de plusieurs fentes de type « écope » dont les parois amont et aval sont décalées radialement. Ce type de fentes à chanfrein permet de réaliser un meilleur guidage des gaz dirigés vers les moyens d'évacuation.
Il peut être prévu un unique caisson annulaire 22 de collecte des gaz à évacuer pour tous les orifices 20 ou bien un caisson, par exemple de forme cylindrique, par orifice 20 (ou pour plusieurs orifices) de façon à assurer une meilleure homogénéité du débit des gaz à évacuer.
Le ou les caissons 22 de collecte de gaz sont de préférence reliés à au moins un canal d'évacuation 24 des gaz. Un seul ou plusieurs canaux d'évacuation 24 peuvent être prévus par caisson 22. Dans le cas où c'est la paroi interne 16b du diffuseur qui est munie d'orifices 20, le ou les canaux 24 peuvent par exemple passer par le bras de carter 14 pour évacuer les gaz vers l'extérieur du diffuseur.
Selon une autre caractéristique avantageuse de l'invention, le diffuseur comporte en outre des moyens d'aspiration 26 de la partie des gaz à évacuer. Ces moyens d'aspiration 26 peuvent être composés d'une vanne de pilotage, d'une pompe, d'un compresseur ou de tout autre système permettant d'aspirer un débit voulu de gaz. Ainsi, il est possible de commander et de contrôler un débit déterminé de gaz à évacuer.
Toutefois, si un tel contrôle du débit des gaz à évacuer ne s'avère pas nécessaire, les gaz traversant les orifices 20 pratiqués dans la paroi externe 16a et/ou la paroi interne 16b peuvent déboucher directement à l'extérieur du diffuseur sans passer par des caissons et des canaux d'évacuation. En effet, dans ce cas, la seule différence de pression des gaz entre le passage annulaire 18 et l'extérieur du diffuseur permet tout de même d'aspirer les gaz au travers des orifices 20.
La figure 2 représente un diffuseur selon l'invention appliqué à un moteur à turbine à gaz aéronautique à double flux. Le diffuseur 10 est disposé immédiatement en aval d'une roue mobile 12 d'un dernier étage d'une turbine à gaz. Les parois externe 16a et interne 16b de ce diffuseur définissent un premier passage annulaire divergent 18 pour les gaz issus de la turbine. Ce premier passage 18 est communément appelé « flux chaud ». Une paroi supplémentaire 16c disposée coaxialement aux parois 16a, 16b du diffuseur permet de définir un second passage annulaire 28 pour l'air aspiré par la soufflante (non représentée) du moteur. Ce second passage 28 est désigné comme étant le « flux froid ».
Selon l'invention, la paroi interne 16b présente une pluralité d'orifices 20 s'ouvrant dans le premier passage annulaire 18 et débouchant dans au moins un caisson 22 de collecte relié à au moins un canal d'évacuation 24 des gaz. Le ou les canaux d'évacuation 24 passent le bras de carter 14 monté dans le premier passage annulaire 18 et par un bras de carter 30 monté dans le second passage annulaire 28. Le diffuseur peut comporter en outre des moyens d'aspiration 26 de la partie des gaz à évacuer.

Claims (10)

  1. Diffuseur (10) pour moteur à turbine à gaz, ledit diffuseur étant disposé entre un dernier étage d'une turbine et un carter d'échappement et comprenant une paroi annulaire externe (16a) et une paroi annulaire interne (16b) formant un passage annulaire (18) de fluide divergent dans le sens d'écoulement (F) dudit fluide, caractérisé en ce qu'au moins l'une des parois annulaires (16a, 16b) comporte une pluralité d'orifices (20) s'ouvrant dans ledit passage annulaire et débouchant dans au moins un caisson (22) de collecte vers des moyens d'évacuation d'une partie dudit fluide de façon à diminuer la vitesse d'écoulement dudit fluide dans ledit passage annulaire.
  2. Diffuseur selon la revendication 1, caractérisé en ce que ladite pluralité d'orifices (20) débouche dans un unique caisson annulaire (22) de collecte de la partie de fluide à évacuer.
  3. Diffuseur selon l'une des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce qu'au moins un caisson (22) est relié à au moins un canal d'évacuation (24) de fluide.
  4. Diffuseur selon la revendication 3, caractérisé en ce que ledit au moins un canal d'évacuation (24) de fluide passe par des bras de carter (14, 30) montés dans ledit passage annulaire (18) définissant un flux chaud du moteur à turbine à gaz et par un second passage annulaire (28) définissant un flux froid coaxial audit passage annulaire (18).
  5. Diffuseur selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce qu'il comporte en outre des moyens d'aspiration (26) de la partie de fluide à évacuer.
  6. Diffuseur selon l'une quelconque des revendications 1 à 5 caractérisé en ce que lesdits orifices (20) sont des trous sensiblement perpendiculaires à ladite paroi annulaire.
  7. Diffuseur selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que lesdits orifices (20) sont des trous sensiblement inclinés dans le sens d'écoulement (F) dudit fluide par rapport à ladite paroi annulaire.
  8. Diffuseur selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que lesdits orifices (20) sont des fentes circulaires sensiblement perpendiculaires à ladite paroi annulaire.
  9. Diffuseur selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que lesdits orifices (20) sont fentes circulaires sensiblement inclinées dans le sens d'écoulement (F) dudit fluide par rapport à ladite paroi annulaire.
  10. Diffuseur selon l'une des revendications 8 ou 9, caractérisé en ce que lesdits orifices (20) sont des fentes chanfreinées afin d'améliorer le guidage de la partie de fluide à évacuer vers lesdits moyens d'évacuation.
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