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Publication
_________________________________________________________________
Number FR2519068A1
Family ID 29343086
Probable Assignee United Technologies Corp
Publication Year 1983
Title
_________________________________________________________________
FR Title ELEMENT PORTEUR REFROIDISSABLE POUR MACHINE ROTATIVE
Abstract
_________________________________________________________________
L'INVENTION CONCERNE UN ELEMENT PORTEUR 10 REFROIDISSABLE POUR MACHINE
ROTATIVE.
L'ELEMENT PORTEUR COMPREND UN PASSAGE 54 S'ETENDANT DANS LE SENS DE
L'ENVERGURE AU TRAVERS DE LA REGION DU BORD D'ATTAQUE 26 DE L'AILETTE.
LE PASSAGE COMPREND UNE PLURALITE DE BANDE D'ENTRAVEMENT 68 DISPOSEES
DE BIAIS PAR RAPPORT A LA DIRECTION D'ECOULEMENT. CHAQUE BANDE
D'ENTRAVEMENT COMPREND UN GENERATEUR DE TOURBILLONS FAISANT PARTIE
INTEGRANTE AVEC ELLE ET QUI EST ECARTE DE LA PAROI 58 DE L'ELEMENT
PORTEUR. DANS UN MODE DE REALISATION, UNE PLURALITE DE BANDES
D'ENTRAVEMENT COMPRENANT CHACUNE UN GENERATEUR DE TOURBILLONS FAISANT
PARTIE INTEGRANTE AVEC ELLES SONT DISPOSEES DANS LE PASSAGE ET AU
MOINS L'UN DE CES GENERATEURS DE TOURBILLONS EST D'UNE HAUTEUR
SUPERIEURE AUX AUTRES GENERATEURS DE TOURBILLONS.
Description
_________________________________________________________________
La presente invention concerne des elements
porteurs refroidissables utilises dans des machines rotati-
ves fonctionnant a haute temperature et plus specifiquement
l'invention concerne une structure pour refroidir de tels elements
porteurs Les principes de la presente invention
ont une application aux aubes et ailettes de turbines.
Une machine rotative brule du carburant dans des chambres de
combustion pour creer de l'energie pour la
machine sous forme de gaz chauds du milieu de travail.
Les gaz chauds du milieu de travail passent dans la section de turbine
de la machine Dans la section de turbine, les elements porteurs
forment des rangees stationnaires d'aubes
de stator et de rangees en rotation d'ailettes de rotor.
Ces elements porteurs sont utilises pour diriger les cou-
rants de gaz et pour extraire l'energie des gaz En conse-
quence,les elements porteurs baignent dans les gaz chauds du milieu de
travail pendant le fonctionnement du moteur ce qui cree des
contraintes thermiques dans ces elements porteurs qui affectent
l'integrite de la structure et la limite d'endurance de l'element
porteur Ces contraintes thermiques ont ete une source constante de
soucis depuis l'avenement des machines rotatives fonctionnant a haute
temperature telles que les moteurs a turbine a gaz, a cause de la
necessite de faire fonctionner le moteur aux hautes
temperatures pour porter au maximum le rendement du moteur.
Par exemple, les elements porteurs dans les turbines de tels moteurs
peuvent faire face a des temperatures dans les gaz de travail aussi
elevees que 13700 C Les ailettes et
aubes de ces moteurs sont typiquement refroidies pour pre-
server l'integrite de structure etla limite d'endurance de l'element
porteur en reduisant le niveau des contraintes
thermiques dans l'element porteur.
Une tentative connue pour refroidir l'element porteur est decrite dans
le brevet US No 3 171 631 On fait passer l'air de refroidissement dans
la cavite entre
le cote aspiration et le cote pression de l'element por-
teur et on le detourne vers differents endroits dans la cavite en
utilisant des socles ou aubes tournants Les socles servent egalement
comme support pour renforcer la -2-
structure de l'ailette.
Avec le temps, des approches plus sophistiquees employant des passages
tortueux ont ete developpees comme par exemple, dans la structure
representee dans le brevet US NO 3 533 712 o on decrit l'utilisation
des passages en serpentins s'etendant au travers de la cavite dans
l'ailette pour creer un refroidissement sur mesure pour les
differentes parties de l'element porteur La matiere de l'element
porteur definissant les passages constitue
le support structurel necessaire a l'element porteur.
Des brevets plus recents tels que le brevet US No 4 073 599 decrivent
l'utilisation de passages de refroidissement compliques associes a
d'autres techniques de refroidissement de l'element porteur Par
exemple, la region du bord d'attaque dans ce brevet US No 4 073599 est
refroidie par impacts suivi par le dechargement de
l'air de refroidissement au travers d'un passage s'eten-
dant dans le sens de l'envergure dans la region du bord d'attaque de
l'ailette Le courant d'air dans le passage refroidit egaement par
convection la region du bord d'attaque, comme dans le cas du passage
dans le brevet
US No 3 171 631.
Le refroidissement des elements porteurs
d'une turbine en utilisant des passages de refroidisse-
Po r
ment complexes et des orificesle refroidissement pelli-
culaire seuls ou simultanement avec des bandes d'entrave-
*ment pour favoriser le refroidissement de la region du bord
d'attaque, est le sujet de nombreux brevets parmi les
plus'recents,tels que les brevets US No 4 177 010,
4 180 373, 4 224 011 et 4 278 400 Les ailettes se carac-
terisent par de grands passages pour l'air de refroidis-
sement en relation avec l'epaisseur des parois dans la
region du bord d'attaque de l'ailette.
Des etudes aerodynamiques recentes suggerent qu'un bord d'attaque,
elliptique possede des avantages de performances pendant le
fonctionnement du moteur a turbine a gaz Le bord d'attaque elliptique
est utilise simultanement avec un element porteur qui possede une
forme en section transversale plus mince (epaisseur a -3 longueur de
la corde) par comparaison avec les elements porteurs connus Malgre la
minceur du profil, une epaisseur minimum des parois est requise pour
creer un support structurel pour l'element porteur et pour permettre a
l'element porteur de resister a une certaine quantite de dommages
causes par des corps etrangers, statistiquement prevus Le resultat a
ete l'avenement d'un nouvel element porteur comprenant un bord
d'attaque elliptique pour des raison aerodynamiques et ayant des
parois plus epaisses par rapport a la dimension des passages de l'air
de refroidissement par comparaison avec le rapport existant entre les
parois et la dimension des passages dans les elements porteurs connus
En outre, dans l'interet du rendement en carburant, il n'est pas
souhaitable dans certains etages de la turbine d'utiliser le
refroidissement superficiel pour la region du bord
d'attaque de l'element porteur.
En consequence, les scientifiques et les ingenieurs cherchent a
developper des elements porteurs
refroidissables, utilisables dans des turbines fonction-
nant a haute temperature qui utilisent efficacement l'air de
refroidissement, qui refroidissent de maniere adequate la region du
bord d'attaque des elements porteurs avec des passages etroits par
comparaison avec l'epaisseur des parois des elements porteurs et qui
cependant evitent
le dechargement de l'air par le refroidissement pelli-
culaire de la region du bord d'attaque de l'element por-
teur. Selon la presente invention, l'element porteur refroidEsable
comprenant un passage pour le fluide de refroidissement adjacent a une
paroi dans la region
du bord d'attaque, comprend au moins une bande d'entra-
vement s'etendant au travers du passage qui est disposee de biais par
rapport au courant s'approchant et a la pari, et qui comprend un
generateur de tourbillons s'etendant
depuis une partie de la bande d'entravement.
Un but principal de la presente invention est
un element porteur comprenant un passage de refroidisse-
ment dans la region du bord d'attaque de l'element porteur.
-4- Une paroi dans la region du bord d'attaque limite le passage Une
pluralite de bandes d'entravement s'etendent
au travers du passage et dans la region du bord d'attaque.
Les bandes d'entravement forment un certain angle par rapport a la
paroi et sont disposees de biais par rapport au gaz approchant Au
moins une bande d'entravement possede un generateur de tourbillons
s'etendant depuis une partie e la bande d' entravement Le generateur
de tourbillons est ecarte dans le sens de la corde de la paroi dans la
region du bord d'attaque Dans un mode de realisation, les bandes
d'entravement s'etendent depuis le cote pression vers le cote
aspiration au travers
de la region du bord d'attaque de la partie aerodynamique.
Dans un mode de realisation, une seconde bande d'entra-
vement a un generateur de tourbillons La hauteur combinee de la
seconde bande d'entravement et du generateur de tourbillons est
superieure a la hauteur combinee de la premiere bande d'entravement et
du generateur
de tourbillons.
Un avantage principal de la presente invention est la duree de vie de
l'element porteur resultant de l'epaisseur de la paroi dans la region
du bord d'attaque qui protege l'element porteur contre les degats
causes par les corps d'etrangers et du refroidissement des parois
epaissies qui empech Mdes contraintes thermiques inaccep-
tables dans les parois Un autre avantage est l'augmenta-
tion du rendement de la machine rotative qui resulte de la
canalisation d'une partie du courant de refroidissement et la creation
d'une turbulence dans le courant de
refroidissement pour augmenter le rendement du refroidis-
sement de ce courant.
D'autres caracteristiques et avantages
seront evidents a la lecture de la description et des
revendications lues a la lumiere des dessins suivants
qui illustrent un mode de realisation de l'invention La figure 1 est
une vue d'une pale de rotor partiellement en coupe et partiellement
eclatee pour montrer le cote paroliaspiration de l'ailette du rotor;
la figure 2 est une vue en coupe prise le -5- long des lignes 2-2 de
la figure l;et
la figure 3 est une vue partielle en per-
spective, partiellement en coupe et partiellement eclatee, de la
region du bord d'attaque representee dans la figure 2 pour montrer
schematiquement une partie du courant dans la region du bord d'attaque
de l'ailette du rotor.
La figure 1 montre une ailette 10 de rotor pour une machine rotative
L'ailette de rotor a une section d'emplanture 12, une section de
plateforme
14 et une section aerodynamique 16 La section d'em-
planture est adaptee pour s'engager dans le rotor de la
machine rotative La section de plate-forme est adap-
tee pour former une partie d'une paroi interne du passage des gaz du
milieu de travail dans une machine rotative La section aerodynamique
est adaptee pour s'etendre vers l'exterieur au travers du passage des
gaz du milieu de travail et comprend un profil d'ex-
tremite 18 a son extremite la plus externe L'ailette de rotor comporte
des directions de reference telles que la directiondel'envergure S et
la direction de la corde C. La section d'emplanture 12 comprend une
paroi d'emplanture 20 s'etendant dans le sens de la corde Un premier
conduit 22 est en communication au travers de la paroi d'emplanture
avec une source d'air de refroidissement tel Le qu'un compresseur (non
represente) Un second conduit 24 s'etend au travers de la paroi de
l'emplanture Une plaque 25 s'etend en travers du second conduit et
bloque la communication avec une source d'air de refroidissement (non
representee) Selon un autre mode de realisation le second conduit est
en communication avec la source
d'air de refroidissement.
La section aerodynamique 16 comprend un bord d'attaque 26 et un bord
de fuite 28 Une paroi laterale 30 d'aspiration et une paroi laterale
32 de pression (partiellement eclatee dans la figure 1 pour la clarte
du dessin et representee dans la figure 2) -6-
sont reliees au bord d'attaque et au bord de fuite.
La paroi de pression est ecartee de la paroi d'aspiration pour former
une cavite 34 entr'elles Une paroi 36 de profil d'extremite et la
paroi 20 limite la cavite dans la direction de l'envergure Une
premiere chicane 38 s'etend dans la direction de l'envergure depuis la
paroi du profil d'extremite pour diviser la cavite en une partie
arriere 40 et une partie avant 42 La premiere chicane est ecartee de
la paroi de l'emplanture en laissant un premier virage 44 entr'eux qui
met la partie arriere de l'ailette de rotor en communication avec la
partie frontale et avec le second conduit 24 s'etendant au travers de
la section d'emplanture de l'ailette La partie arriere de l'ailette
comprend une region de bord
de fuite 46 La region de bord de fuite est en communica-
tion avec le passage du gaz du milieu de travail par l'intermediaire
d'une pluralite de socles 48 ecartes l'un de l'autre Chaque socle
s'etend entre la paroi
d'aspiration et la paroi de pression pour bloquer locale-
ment le courant, et, avec la premiere chicane, definis-
sent un passage 50 s'etendant dans la direction de l'en-
vergure pour l'air de refroidissement Une pluralite de bandes 52
d'entravement sont perpendiculaires au courant et interferent avec la
formation d'une couche limite laminaire en creant un courant turbulent
dans la couche limite lorsque le courant passe par-dessus les
bandes d'entravement.
Une seconde chicane 53 s'etend dans la direc-
tion de l'envergure depuis la paroi d'emplanture 20 pour diviser la
partie frontale 42 de l'ailette en un premier passage 54 et un second
passage 56 Le premier passage est adjacent a une troisieme paroi 58
dans la region du bord d'attaque de l'ailette Le premier passage a une
extremite 60 en amont en communication avec le
premier conduit 22 et une extremite 62 en aval en commu-
nication par un virage 64 avec le second passage.
Une pluralite de premieres bandes 66 d'en-
travement s'etend depuis la paroi laterale 30 d'aspira-
tion le long de la troisieme paroi dans la region du 7- bord d'attaque
vers la paroi de pression 32 Ces bandes d' entravement ont une hauteur
constante h Les bandes d'entravement sont disposees de biais par
rapport au courant et forment un angle aigu avec la troisieme paroi
Une pluralite de secondes bandes 68 d'entravement est disposee de
biais par rapport au courant et forme un angle aigu d'environ 300 avec
la troisieme paroi Il est admis que des angles aigus se situant dans
un intervalle entre 250 et 500 s'avereront satisfaisants pour orienter
les bandes d'entravement, un intervalle de 300 a 45 C
etant admis comme etant 'l'intervalle le plus satisfaisant.
Chacune de la pluralite de seconde bandes d'entravement a une
extremite qui est courbee vers le courant qui
s'approche.
La figure 2 est une vue en coupe d'une partie d'une ailette de rotor
representee dans la figure 1, prise le long de la ligne 2-2 de la
figure 1 La bande d'entravement 66 a une hauteur h et s'etend le long
de la paroi d'aspiration 30, le long de la paroi de pression 32 et le
long de la troisieme paroi 58 dans la region 26 du bord d'attaque Un
generateur de tourbillons 70 a fait partie integrante avec la premiere
bande d'entravement 68 a Le generateur de tourbillons augmente la
hauteur de la bande d'entravement La hauteur combinee de la bande
d'entravement 68 a et du generateur de tourbillons 70 a est une
hauteur ha qui est superieure a la hauteur h La bande d'entravement 68
b comprend un generateur de tourbillons b faisant integralement partie
de la seconde bande
d'entravement et augmente la hauteur de la bande d'en-
travement jusqu'a une hauteur hb qui est superieure a la hauteur ha
Chacun des generateurs de tourbillons 70 a, b s'ecarte dans le sens de
la corde de la troisieme paroi 58 dans la region du bord d'attaque Le
generateur de tourbillons 70 b a une longueur dans le sens de la corde
qui est superieure a la longueur dans le sens de la corde du
generateur destourbillons 70 a En augmentant la hauteur et la longueur
du generateur de tourbillons, on augmente la capacite du generateur de
tourbillons d'enlever la chaleur En consequence, les generateurs de
-8- tourbillons plus longs et plus eleves sont utilises dans les
regions de l'element porteur qui subissent le flux
de chaleur le plus grand.
Pendant le fonctionnement de la machine rotative, les gaz du milieu de
travail passent par-dessus l'exterieur de l'element porteur De
l'energie sous forme de chaleur est transferee depuis le gaz chaud du
milieu de travail dans la region 26 du bord d'attaque, la paroi
laterale 30 d'aspiration et la paroi laterale 32 de pression L'air de
refroidissement provenant du conduit 22
passe le long de la region du bord d'attaque via le passa-
ge 54 vers le virage 64 Lorsque le courant quitte le pre-
mier passage et se deplace au travers des aubes tournantes,
le passage vers des parties de l'element porteur est par-
tiellement obstrue par les aubes tournantes Du fait de la minceur de
la region du profil d'extremite, l'obstruction du courant n'est pas
accompagnee de penalites severes de contraintes thermiques ainsi que
ce serait le cas avec le blocage d'un tel courant dans la region a
mienvergure
de l'element porteur de l'ailette L'air de refroidissement.
passe le virage et s'ecoule via le second passage 56 au travers du
premier virage 44 vers le passage 50 dans la partie de fuite de
l'ailette Le courant est decharge au travers des espaces entre les
socles 48 dans la
region du bord de fuite.
La figure 3 represente schematiquement l'interaction entre deux
courants Sl et 52 de l'air de refroidissement lorsque l'air de
refroidissement passe au
travers du passage 54 et par-dessus la bande d'entrave-
ment 68 b du generateur de tourbillons 7 Ob dans la region a
mi-hauteur de l'envergure de la pale Les courants 51 et 52 sont
adjacents a la surface d'aspiration de l'element porteur et leur
mouvement n'est pas bloque
le longdu passage Lorsque le courant Sl passe par-
dessus la bande d'entravement 68 b une petite partie du courant est
deviee vers la region du bord d'attaque comme il est montre par la
ligne S'l En outre de petits tourbillons sont crees dans le cote en
amont de la bande d'entravement lorsque le courant 51 passe par-dessus
la
251-9068
_ 9- bande d'entravement Les tourbillons se deplacent avec une
composante de vitesse s'etendant dans la direction de la corde du fait
de l'orientation angulaire des bandes d' entravement par rapport au
courant et a la paroi 58. La composante de vitesse dans le sens de la
corde a pour effet que de petits tourbillons se deplacent vers et dans
la region du bord d'attaque comme il est montre par les
tourbillons V'l Ces tourbillons provoquent une turbulen-
ce dans la couche limite adjacente a la surface d'aspira-
tion de l'element porteur.
Le courant 52 est egalement adjacent a la surface d'aspiration de
l'element porteur Lorsque le courant 52 passe par-dessus le generateur
de tourbillons une plus grande partie du courant le long du courant
est deviee vers la region du bord d'attaque, comme il est montre par
la ligne S'2 En outre, lorsque le courant 52 passe par-dessus le
generateur de tourbillons, des tourbillons d'une dimension plus grande
que les petits tourbillons formes par la bande d'entravement sont
formes sur le cote en amont du generateur de tourbillons Du fait de
laposittn angulaire du generateur de tourbillons, ces grands
tourbillons se deplacent avec une composante de vitesse s'etendant
dans la direction de la corde et dans la direction de l'envergure La
composante de vitesse dans la direction de la corde a pour effet que
de grands tourbillons se deplacent dans la region du bord d'attaque et
le long de la region du bord d'attaque en frottant
la surface 72 de la paroi 58 dans la region du bord d'atta-
que de l'element porteur Les grands tourbillons forcent l'air plus
froid de la partie principale du courant vers la couche limite dans la
region du bord d'attaque Donc l'action des petits tourbillons est
grandement intensifiee par l'action des grands tourbillons qui sont de
duree plus longue que les petits tourbillons et qui interreagissent
avec les petites tourbillons, refroidissant l'air dans la couche
limite, augmentant les vitesses de la turbulence dans la couche
limite, et augmentant le transfert de chaleur entre les parois de
l'element porteur et l'air de
refroidissement dans la region du bord d'attaque.
- Bien entendu diverses modifications peuvent etre apportees par
l'homme de l'art aux dispositifs qui viennent d'etre decrits
uniquement a titre d'exemples non limitatifs sans sortir du cadre de
l'invention. 11 -
Claims
_________________________________________________________________
Revendications:
1 Element porteur refroidissable adapte pour etre utilise dans une
machine rotative du type comprenant un passage pour l'air de
refroidissement et une paroi dans la region du bord d'attaque limitant
le passage pour l'air de refroidissement caracterise en ce qu'il
comprend au moins une bande d'entravement 68 a qui s'etend au travers
du passage 54 et depuis la paroi 58
dans la region du bord d'attaque, laquelle bande d'entra-
vement est disposee de biais par rapport au courant et forme un angle
aigu par rapport a la paroi 58, la bande d'entravement 68 a comprenant
un generateur 70 a de tourbillons faisant partie integrante avec cette
bande
d'entravement ce qui augmente la hauteur de la bande d'en-
travement 68 a lequel generateur de tourbillon est ecarte dans le sens
de la corde,de la paroi 58 dans la region
du bord d'attaque.
2 Element porteur refroidissable selon la reven-
dication 1, caracterise en ce que la premiere bande d'en-
travement 68 a et le generateur 70 a de tourbillons a une hauteur ha
et en ce que l'element porteur, en outre, comprend une seconde bande
d'entravement 68 b qui s'etend au travers du passage et depuis la
paroi 58 dans la
region du bord d'attaque, o cette seconde bande d'entra-
vement 68 b est disposee de biais vers le courant et forme un angle
aig U par rapport a la paroi 58, cette seconde bande d'entravement
comprenant un generateur de tourbil Lons b faisant partie integrante
avec la bande d'entravement ce qui augmente la hauteur de la bande
d'entravement et ce generateur de tourbillons s'ecarte dans le sens de
la corde, de la paroi 58 dans la region du bord d'attaque, o la
hauteur de cette seconde bande d'entravement 68 b et du generateur de
tourbillons 70 b et hb est superieure a la hauteur de la premiere
bande d'entravement 60 a et du generateur de tourbillons ha (hb
&#x003E;ha) 3 Element porteur refroidissable selon la revendication 2,
caracterise en ce que la hauteur de la bande d'entravement 68 a est h
et la hauteur ha de la premiere bande d'entravement 68 a et du
generateur de 12 - turbulence 70 a est superieure ou egale au double
de la
hauteur de la bande d'entravement (ha ?_ 2 h).
4 Element porteur refroidissable selon l'une
quelconque des revendications 1 ou 2, caracterise en ce
que le generateur de tourbillons 70 a de la premiere bande
d'entravement 68 a a une premiere longueur dans le sens de la corde et
le generateur de tourbillon 70 a de
la seconde bande d'entravement 68 b a une seconde lon-
gueur dans le sens de la corde qui est superieure a la
premiere longueur dans le sens de la corde.
Element porteur refroidissable selon l'une
quelconque des revendications 1 a 4 caracterise en ce que
l'une de ces bandes d'entravement et generateur de tour-
billons faisant partie integrante avec elle a une extre-
mite qui est courbee vers le courant.
6 Element porteur refroidissable selon la re-
vendication 1 caracterise en ce que l'angle aigu entre la bande
d'entravement et la paroi dans la region du bord
d'attaque est de 300.
7 L'element porteur selon la revendication 1
caracterise en ce que l'angle aigu entre la bande d'en-
travement et la paroi dans la region du bord d'attaque
se situe dans un intervalle entre 25 et 50.
8 Element porteur selon la revendication 5, caracterise en ce qu'une
de ces bandes d'entravement 68 b s'etend depuis la paroi laterale 30
d'aspiration et la paroi laterale 32 de pression du passage et en ce
que ce generateur de tourbillons s'etend depuis la partie de la bande
d'entravement sur la paroi d'aspiration
du passage.
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within it that fit into these categories.
The specific items found are listed within the category headings.
Click the section header to open that section and view all the
identitfied items in that section.
If you click the checkbox all items in that section will be
highlighted in the publication (to the right).
The best thing to do is to experiment by opening the sections and
selecting and unselecting checkboxes.
10. The main output window contains the publication full text (or part
thereof if selected).
11. The Tools section contains tools to help you navigate the
"discovered" (highlighted) items of interest.
The arrows and counter let you move through the highlighted items
in order.
12. Other tools include a "Preview" option [ [preview.png] ] and the
ability to mark the relative locations of highlighted items by
using the "Marker" option [ [marker.png] ].
Try these out to best understand how they work, and to discover if
they are of use to you.
13. Items selected from the menu on the left will be highlighted in
the main publication section (here in the middle of the screen).
Click them for further information and insights (including
chemical structure diagrams where available).
14. Please experiment with TextMine - you cannot make any permanent
changes or break anything and once your session is closed (you've
log out) all your activity is destroyed.
Please contact Minesoft Customer Support if you have any questions
or queries at: support@minesoft.com
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