FR2568307A1 - Etage perfectionne pour turbine a vapeur - Google Patents

Abstract

UN ETAGE DE TURBINE AXIALE COMPORTE UNE SERIE D'AUBES 32 ESPACEES ET UNE SERIE D'AUBES DE DISTRIBUTION 30 ESPACEES, CHAQUE SERIE ETANT RESPECTIVEMENT ALIGNEE AU TOUR D'UN ROTOR DE LA TURBINE ET ESPACEE AXIALEMENT LES UNES DES AUTRES LE LONG DU ROTOR. LES AUBES DE DISTRIBUTION 30 SONT CIRCULAIREMENT ESPACEES DE SORTE QU'UN ETRANGLEMENT MINIMUM S'ETEND SUIVANT UNE DISTANCE RADIALE PREDETERMINEE A PARTIR DU PIED, D'OU LA FORMATION D'UN CANAL CONVERGENT-DIVERGENT ENTRE LES AUBES DE DISTRIBUTION 30. LES BORDS DE FUITE 31 DES AUBES SONT DISPOSES DE MANIERE A ETRE INCLINES AXIALEMENT ET TANGENTIELLEMENT PAR RAPPORT AU ROTOR. LES AUBES 32 COMPRENNENT UNE SERIE DE COIFFES RELIANT RESPECTIVEMENT LES EXTREMITES ET AYANT UNE NERVURE D'ETANCHEITE S'ETENDANT RADIALEMENT VERS L'EXTERIEUR SUR LA SURFACE RADIALEMENT EXTERIEURE DE CHAQUE COIFFE, OU CHAQUE NERVURE EST TANGENTIELLEMENT ALIGNEE AVEC DES NERVURES CONTIGUES. LES AUBES 32 SONT SOUMISES A UNE SURTORSION DE MANIERE A COMPENSER TOUTE DETORSION A LA VITESSE DE FONCTIONNEMENT AFIN D'OBTENIR LE RENDEMENT OPTIMUM. LES AUBES 32 SONT ESPACEES CIRCULAIREMENT DE MANIERE A FORMER ENTRE ELLES UN CANAL CONVERGENT-DIVERGENT ET COMPRENNENT UN MOYEN DE LIAISON QUI ASSURE UN ACCOUPLEMENT MECANIQUE A LA VITESSE DE FONCTIONNEMENT.

Description

La présente invention concerne un étage perfec-

tionné de turbine à vapeur à écoulement axial et, plus par-

ticulièrement, des perfectionnements du 'dernier étage d'une turbine à vapeur à écoulement axial permettant d'augmenter son rendement, et par conséquent d'obtenir un meilleur ren-

dement global de la turbine.

Un étage de turbine à vapeur comprend typiquement un diaphragme comportant une série, ou ensemble d'aubes de distribution fixes, réparties circulairement et espacées les unes des autres, et une série, ou ensemble, d'ailettes ou aubes tournantes, alignées circonférentiellement et espacées les unes des autres, fixées à un rotor de turbine avec une position axiale prédéterminée le long du rotor et espacées fonctionnellement vers l'aval de la série correspondante

d'aubes de distribution de l'étage. Les aubes de distribu-

tion d'un étage sont orientées de manière à diriger la va-

peur provenant de l'étage amont précédent voisin vers la série correspondante d'aubes associées à cet étage. Les expressions "amont" et "aval" s'entendent ici par rapport à

l'écoulement axial général de vapeur qui traverse la turbine.

Fondamentalement, de l'énergie est conférée au rotor et aux aubes d'une turbine à vapeur par un fluide élastique de travail, généralement de la vapeur. La vapeur est déchargée par un ensemble d'aubes de distribution d'un diaphragme dans une chambre généralement cylindrique qui est -2-

définie par l'enveloppe intérieure de la bâche de la turbi-

ne. L'arbre ou rotor est monté dans la chambre de manière à tourner suivant l'axe de celle-ci. Les turbines à vapeur importantes comportent généralement plusieurs étages, chaque étage étant espacé axialement des étages contigus sur l'ar- bre du rotor et le diamètre des étages successifs augmentant

à partir du premier étage ou étage le plus en amont, à pro-

ximité du point d'admission de la vapeur dans la turbine,

jusqu'au dernier étage ou étage le plus en aval de la turbi-

ne, lequel est le plus proche de la conduite ou cadre d'échappement de la turbine. A partir de la conduite ou cadre d'échappement d'une turbine à basse pression, la va-<

peur consommée est finalement acheminée jusqu'à un conden-

seur. En général, le rapport entre la pression d'entrée et

la pression de sortie des aubes du dernier étage est supé-

rieur à celui de tous les autres étages, respectivement.

La vapeur est admise par l'intermédiaire de l'en-

semble d'aubes de distribution d'un étage dans la chambre en un certain emplacement axial et s'écoule au moins suivant une direction axiale dans un passage de travail. Dans une turbine à double flux, la vapeur est admise au centre et s'écoule dans des directions axiales généralement opposées vers les derniers étages respectifs. Le passage de travail est généralement défini par les étages décalés axialement de

la turbine ainsi que par l'aire circulaire de travail déli-

mitée, par la section aérodynamique (appelée généralement

profil d'ailette) des aubes de turbine de chaque étage.

Chaque ensemble d'aubes extrait une partie de l'énergie que contient la vapeur par transformation d'une partie de

l'énergie cinétique disponible du fluide en énergie mécani-

que, laquelle se traduit par la rotation de l'arbre et des

aubes de la turbine qui lui sont associées.

Lorsque la vapeur est confinée dans le passage de travail axial, la turbine fonctionne plus efficacement que s'il en était autrement. Les aubes de 66 cm du dernier étage de la turbine à vapeur basse pression fabriquée actuellement

par la Société dite General Electric Company sont intercon-

nectées par des fils de frittage et ne comporte aucune coif-

fe pour relier les parties d'extrémité extérieures des au-

S bes. On a utilisé une coiffe ou pièce de couverture pour relier les parties d'extrémité d'une paire d'aubes à partir d'un dernier étage comportant des aubes plus longues, par

exemple de 76 cm et 85 cm. Une série de coiffes, correspon-

dant à la série d'aubes du rotor dans l'étage de turbine,

forment une bande circulaire qui entoure les parties d'ex-

trémité ou bouts d'aubes s'étendant radialement des aubes.

Cette bande circulaire de coiffes empêche qu'une partie de la vapeur s'échappe du passage axial de travail en limitant l'écoulement radial de la vapeur au delà des bouts d'aubes extérieurs. L'ensemble formé par le rotor et les aubes doit pouvoir tourner librement à l'intérieur de l'enveloppe de la turbine et, par conséquent, un jeu radial existe entre les extrémités s'étendant radialement des aubes du rotor, ou surfaces extérieures des coiffes, et la surface intérieure

de l'enveloppe de la turbine.

Dans le dernier étage d'une turbine à vapeur basse

pression, la vapeur de travail se trouve normalement au-des-

sous de la ligne de saturation. Par conséquent, des gouttes d'eau peuvent se former en amont des aubes du dernier étage, par exemple dans la zone de distribution et du diaphragme du dernier étage. En général, les gouttes d'eau sont entraînées

radialement vers l'extérieur de l'arbre par la force centri-

fuge. Bien que les gouttes d'eau aient généralement une

vitess absolue faible, leur vitesse, relative, en particu-

lier par rapport aux parties radialement- extérieures des aubes du dernier étage, est très élevée, c'est-à-dire qu'elle est presque égale à la vitesse tangentielle en bout d'aube. Les gouttes d'eau percutant les bords d'attaque des aubes du dernier étage peuvent provoquer une érosion des

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bords due aux chocs. La majeure partie des dégâts par éro-

sion est due à la condensation de l'humidité des étages précédents, cette condensation formant une pellicule d'eau sur les aubes de distribution du dernier étage. La pellicule d'eau est continuellement soumise à un cisaillement, d'o la formation de particules d'eau aux bords de fuite des aubes de distribution du dernier étage par la vapeur à vapeur élevée qui balaie ces aubes. Les particules d'eau parcourent une distance si courte entre les bords de fuite des aubes de distribution et un point de contact éventuel avec le bord d'attaque d'une aube, qu'elles ne peuvent être accélérées jusqu'à une vitesse absolue très élevée et apparaissent donc comme des objets relativement fixes par rapport aux aubes tournantes. La vitesse relative des gouttes d'eau à proximité des aubes dans une turbine basse pression comportant un dernier étage avec une longueur active d'aube d'environ 66 cm, est d'environ 465 mètres par seconde. La force avec laquelle une goutte d'eau frappe une aube est liée à ses dimensions ou masse et à sa vitesse relative par rapport à

celle de l'aube. Comme la vitesse de la turbine est essen-

tiellement établie par d'autres paramètres, on peut diminuer les problèmes potentiels provoqués par les gouttes d'eau, tels que l'érosion, la faiblesse du couple, et la perte de

rendement, en réalisant un ensemble rotor et aubes de turbi-

ne d'une manière telle qu'il limite effectivement la quanti-

té d'eau et le nombre et les dimensions des gouttes d'eau

dans le passage axial de travail de la turbine.

Comme on l'a dit antérieurement, le rapport des pressions entre l'aval et l'amont du dernier étage de la turbine est supérieur à celui des autres étages amont de la turbine. De plus, la pression différentielle dans les aubes du dernier étage est généralement plus -grande près de la partie radialement extérieure des aubes tournantes qu'à leur pied ou partie radialement intérieure. Par conséquent, plus S-- le jeu radial entre le composant rotatif situé radialement

le plus à l'extérieur du dernier étage et la surface inté-

rieure de l'enveloppe est grand, plus la perte de vapeur est élevée et par conséquent plus le rendement du dernier étage de la turbine est faible. Il est important d'assurer que la quantité maximum

de vapeur de travail soit entraînée dans les aubes du der-

nier étage pour extraire l'énergie qu'elle renferme, et que le volume de la vapeur de travail qui contourne les aubes du dernier étage soit minimisé. Pour minimiser la perte du débit de la vapeur circulant autour des parties extérieures des aubes, on a placé des bandes d'étanchéité sur la surface

intérieure de l'enveloppe de la turbine aux endroits radia-

lement opposés aux parties d'extrémité et aux coiffes des

aubes des machines de l'art antérieur. En général, les band-

es d'étanchéité forment un anneau autour des aubes et s'étendent radialement vers l'intérieur en direction des

bouts d'aubes pour réduire le jeu radial qui les en sépare.

Le nombre des bandes utilisées par étage et leur position axiale sur la surface intérieure de l'enveloppe sont basés sur une étude de la mécanique des fluides dans les turbines

à vapeur. Les bandes d'étanchéité doivent être placées axia-

lement de façon à être approximativement opposées à l'axe en

régime permanent des aubes rotatives.

L'axe en régime permanent est défini comme étant l'axe des aubes lorsque la turbine fonctionne normalement à la vitesse nominale. Cependant, comme l'arbre du rotor qui supporte les aubes se dilate sous l'effet de la réaction thermique due à la vapeur, le placement axial optimum de la

bande d'étanchéité, c'est-à-dire à l'axe en régime perma-

nent, n'est pas facilement assuré. De plus, la position axiale des aubes tournantes varie pendant le fonctionnement de la turbine, en particulier lorsque celle-ci subit des

variations transitoires de sa charge mécanique ou des chan-

gements dans l'état et le volume de la vapeur qui lui est

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- 6 - fournie. Des tentatives antérieures tendant à éviter que la vapeur ne s'échappe et contourne le passage de travail du dernier étage ont également consisté à incorporer des joints labyrinthe communs disposés dans le jeu radial entre le partie radialement la plus extérieure du coiffe d'aube et la surface intérieure de l'enveloppe. Les joints labyrinthe comportent typiquement des nervures s'étendant radialement à partir de la coiffe d'aubes qui coopèrent avec des rebords circulaires faisant saillie intérieurement à partir de la surface intérieure de l'enveloppe. Les saillies formées sur la surface intérieure de l'enveloppe empêchent l'eau de s'écouler régulièrement au droit des aubes du dernier étage

sur la surface intérieure de l'enveloppe et peuvent provo-

quer la chute dans le passage de travail du dernier étage des gouttes d'eau dues aux projections. Lorsqu'on utilise des joints labyrinthe, un passage d'évacuation de l'humidité

disposé dans la paroi intérieure de l'enveloppe immédiate-

ment en amont du joint permet a une partie de la vapeur de travail de s'échapper par le passage, entrainant de l'eau

avec elle. Il est nécessaire de prévoir un passage similai-

re d'évacuation de l'humidité si on utilise les bandes

d'étanchéité mentionnées ci-dessus.

Bien qu'on réduise le courant des fuites de vapeur autour des parties d'extrémité des aubes en incorporant des joints labyrinthe, une partie de la vapeur de travail se trouve perdue dans le passage d'évacuation de l'humidité sans avoir traversé les aubes du dernier étage. En outre, la

vapeur et l'eau sortant du passage d'évacuation de l'humidi-

té sont à une pression supérieure à la pression d'entrée au condenseur de la vapeur provenant du dernier étage et il peut s'avérer nécessaire de prévoir de conduits et orifices appropriés pour relier le passage d'évacuation d'humidité au condenseur pour régler la pression de la vapeur et de l'eau provenant du canal d'évacuation d'humidité et minimiser le 7-

courant des fuites de la vapeur se dirigeant vers le conden-

seur.

Pour obtenir un rendement de fonctionnement opti-

mal dans l'étude du dernier étage d'une turbine à vapeur, il est nécessaire de faire appel à de sciences interdiscipli- naires et à des techniques de construction, telles que l'aérodynamique, les sciences structurelles, mécaniques et de fabrication, tout en procédant à plusieurs itérations des variantes de conception. Il est particulièrement intéressant

de s'assurer que le fonctionnement du dernier étage s'effec-

tue avec un rendement optimum car ce dernier étage extrait de la vapeur notablement plus d'énergie, typiquement environ % de la puissance globale de la turbine, que tout autre étage de la turbine et donc a un impact important sur le

rendement global de la turbine D'autres facteurs qui ren-

dent la conception et le fonctionnement du dernier étage différents de ceux des autres étages d'une turbine sont les suivants: un débit volumique de la vapeur dans le dernier Itage plus élevé que dans n'importe quel autre étage et donc un'e plus grande longueur des aubes du dernier étage avec comme corollaire des contraintes plus élevées; l'aptitude à fonctionner efficacement avec une pression d'échappement

variable (la sortie des étages en amont se trouve à un rap-

port de pression relativemernt constant) se traduisant par un

rapport de pression de l'étage variable, une énergie déve-

loppée variable, et un aérodynamisme variable une teneur en humidité plus grande dans la vapeur de travail du dernier étage que dans n'importe quel autre étage; et les aubes du

dernier étage ayant la vitesse la plus élevée en bout d'au-

be, les vitesses d'écoulement plus grandes et les effets les

plus importants de l'écoulement à trois dimensions par rap-

port aux aubes de n'importe quel étage de la turbine.

Les aubes du dernier étage des turbines basse

pression, c'est-à-dire de turbines ayant une pression nomi-

pale de la vapeur de sortie du dernier étage inférieure - 8 - typiquement à environ 16,3 kPa, présentent généralement un profil long et mince, et sont par conséquent soumises à une détorsion due aux forces centrifuges qui agissent sur elles pendant le fonctionnement de la turbine. Il est souhaitable de tenir compte de la détorsion de façon à obtenir une relation aérodynamique optimum des aubes de la turbine pendant

le fonctionnement normal. A une vitesse nominale de fonc-

tionnement de 3600 tr/min, la vitesse de l'aube dans la partie extrême peut être d'environ 465 m/s. pour une aube du

dernier étage de 66 cm, ce qui crée un environnement super-

sonique pour la vapeur s'écoulant entre les aubes de la turbine. Il est important de maîtriser la distribution de la

zone de transition entre l'écoulement subsonique et l'écou-

lement supersonique à travers les aubes du dernier étage de manière à éviter les ondes de choc fâcheuses et la perte

correspondante de rendement. De plus, il est possible d'ob-

tenir un écoulement supersonique dans les aubes de distribu-

tion du dernier étage et, d'une manière similaire, il y a lieu de maîtriser la zone de transition entre écoulement subsonique et écoulement supersonique pour avoir l'assurance que les conditions d'écoulement désirées sont maintenues

dans les aubes juqu'à l'entrée aux aubes du dernier étage.

Une zone de transition incorrecte ou inattendue dans les aubes peut se traduire par une perte de rendement due à des répartitions des chocs non souhaitées. Une transition entre

écoulement subsonique et écoulement supersonique peut s'ac-

compagner d'une onde de choc qui provoque une perte irréver-

sible de pression, c'est-à-dire que la pression est perdue

et ne peut être récupérée pour produire de l'énergie mécani-

que. En contraste avec le dernier étage des turbines à

vapeur basse pression, les turbine à gaz utilisent générale-

ment des coiffes d'une seule pièce au-dessus des bouts d'au-

bes qui en empêchent la détorsion; les profils des aubes d'une turbine à gaz sont généralement de courte longueur et tronqués et typiquement fabriqués en superalliage avec un revêtement qui leur permet de résister à l'environnement hostile des turbines à gaz; la pression de décharge du

dernier étage d'une turbine à gaz est relativement constan-

te, c'est-à-dire à la pression atmosphérique; et le débit gazeux dans une turbine à gaz constitue un système ouvert, alors que le débit de vapeur dans une turbine à vapeur, et ensuite la condensation de la vapeur et le réchauffement de

l'eau de manière à former de la vapeur, est un système fer-

mé. Bien que des turbines à vapeur puissent souffrir des

problèmes provoqués par l'eau emprisonnée ou la vapeur con-

densée comme on l'a décrit précédemment, l'environnement hostile d'une turbine à gaz n'existe généralement pas à l'intérieur d'une turbine à vapeur et par conséquent, compte tenu de ce qui précède, on ne peut généralement pas attendre du technicien concevant et fabriquant une turbine à vapeur

qu'il considère la technique des turbines à gaz pour ensei-

gner ou suggérer des solutions pouvant s'appliquer spécifi-

quement aux turbines à vapeur.

Par conséquent, la présente invention a pour objet

un agencement d'étanchéité pour retenir la vapeur à l'inté-

rieur du passage axial de travail d'un étage d'une turbine à vapeur axiale, tout en protégeant les composants de l'étage

contre les dégâts mécaniques dus à l'humidité sans que l'hu-

midité soit prématurément évacuée de l'étage.

Un autre objet de la présente invention est une commande sûre de la position de la zone de transition du courant de fluide élastique entre l'état subsonique et l'état supersonique (c'est-à-dire la zone de dilatation transonique) dans le dernier étage d'une turbine à vapeur basse pression afin d'éviter la formation pendant la marche

de chocs soniques indésirables.

La présente invention a pour autre objet la com-

mande de la détorsion des aubes du dernier étage d'une tur-

bine à vapeur afin d'obtenir une orientation aérodynamique

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optimum pendant les conditions normales de fonctionnement.

La présente invention a encore pour objet une coopération optimum entre diaphragme et aube de manière à

fournir le débit désiré de vapeur et empêcher que ne s'amor-

ce une remise en circulation du flux comme le montre la

séparation de l'écoulement au pied des aubes pour une vites-

se annulaire de faible valeur moyenne du débit du fluide

élastique traversant le dernier étage d'une turbine à vapeur.

Selon la présente invention, un étage d'une turbi-

ne axiale transformant au moins une partie de l'énergie renfermée par un fluide élastique en énergie mécanique, comprend une série d'aubes fixées à un rotor de la turbine

et réparties autour de ce rotor, une série de coiffes d'au-

bes reliant respectivement la partie d'extrémité d'aubes contiguës, une nervure s'étendant respectivement radialement vers l'extérieur de la surface extérieure radiale de chacune des coiffes, chaque nervure étant alignée tangentiellement par rapport aux nervures de coiffes contiguës, les nervures

étant situées en étroite proximité mais tout en étant écar-

tées de l'enveloppe de la turbine, et un diaphragme espacé axialement de la série d'aubes et disposé autour du rotor, le diaphragme comportant une série d'aubes de distribution et un anneau intérieur pour fixer de manière sûre la série

d'aubes à leur pied. Chacune des aubes est disposée de ma-

nière à présenter une inclinaison axiale et une inclinaison tangentielle par rapport à une référence radiale de l'axe de rotation du rotor. L'anneau intérieur présente une étendue radiale en direction de l'extérieur en un endroit contigu au bord d'attaque des aubes de distribution plus grande que l'étendue radiale en direction de l'extérieur en un endroit

contigu au bord de fuite des aubes de distribution. En ou-

tre, chaque aube de la série d'aubes de distribution est espacée d'une aube contiguë de façon que le passage formé

entre elles présente un étranglement minimum et un étrangle-

ment de bord de fuite, o l'étranglement minimum est situé - 11 entre le bord d'attaque de l'aube de distribution et l'étranglement du bord de fuite au droit "u pied de l'aube

de distribution et l'étranglement minimum est disposée inva-

riablement plus près de l'étranglement au bord de fuite à une distance radiale croissante à partir du pied de l'aube de distribution, les bordsdu passage définissant un passage convergent-divergent au moins sur une partie de l'étendue

radiale de l'aube de distribution.

La description qui va suivre se réfeère aux figuries

annexées qui représentent respectivement Figure 1, une partie en coupe d'une vue de côté tangentielle d'un étage d'une turbine à vapeur construite conformément aux enseignements de l'art antérieur figure 2, une partie en coupe d'une vue de coté tangentielle d'un étage d'une turbine a vapeur construite selon les enseignements de la présente invention; figure 3, une vue axiale partielle d'un étage d'une turbine à vapeur prise dans le sens de la' ligne 3-3 de la f!gure 8 selon la présente invention figure 4 une- vue de dessus, dans le sens radial nerieur d'aubes de turbine selon la preésentce invention

figu.res Sa, 5b, et Sc, des vues en coupe de diffé-

rents modes de realisation d'une nervure d'étanchéité selon

la présente invention 252 figure 6, une vue de dessus, dans la sens radial intérieur, d'un autre mode de réalisation d'aubes de turbine selon la présente invention; figure 7, un graphique représentant la quantité de deétorsion d'une aube classique et de surtorsion d'une aube selon la présente invention figure E; une vue tangentielle d'un étage selon la Dresente inventiorn

figure 9, une vue dirigée radialement vers l'inté-

rieur dans le sens de la ligne 9-9 de la figure 8 figure 1Oa et lob, des diagrammes simplifiés

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representant le courant de fluide dans un étage d'une turbi-

ne à vapeur; figure 11, un graphique de la caractéristique de pression dans une aube de distribution, à titre d'exemple, S selon la présente invention; figure 12, une vue dans le sens de la ligne 12-12

de la figure 8.

La figure 1 représente dans ses grandes lignes une turbine à vapeur comportant un dispositif d'évacuation d'humidité de l'art antérieur. Le sens du courant de la vapeur est représenté par une flèche en figures 1 et 2. Le brevet des Etats-Unis d'Amérique n 4 335 600 comporte une vue en coupe d'une turbine à vapeur dans sa figure 1, et on incorporera ce brevet à titre de référence dans la présente

description. Seule une vue radiale de côté, partiellement en

coupe, est représentée en figures 1 et 2, mais on admettra que la turbine comporte un rotor, un ensemble constitué d'un diaphragme et d'aubes, dont seule la partie radialement

extérieure est représentée ici. On aura une meilleure com-

préhension de l'étage de la turbine en examinant la figure 3, qui représente un rotor 11 avec des aubes 32 fixées à son arbre 15 par des moyens d'assujettissement 33, par exemple par des queues d'aronde. La figure 3 est une vue axiale partielle d'un segment de l'étage de la turbine qui s'étend sur un angle de 360 autour de l'arbre 15 du rotor. Les

mêmes numéros de référence représentent des composants simi-

laires dans toute la description suivante.

En figure 1, l'étage, qui comporte une aube 12, est entouré par une enveloppe coaxiale 14 de la turbine. Une

aube de distribution 10 est en amont de l'aube 12 et consti-

tue une partie de l'étage de la turbine. L'aube 10 dirige le courant de vapeur sur la pale de l'aube 12. L'enveloppe 14 comporte une surface radialement intérieure 16 qui comprend une fente radiale 18 d'évacuation d'humidité. Une partie de la vapeur qui n'a pas encore traversé les aubes de l'étage

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s'échappe par la fente 18. La fente 18 évacue une pellicule d'eau qui s'écoule axialement le long de la surface 16 avant d'être déviée par une bande d'étanchéité 20 vers l'aube rotative 12. Comme on l'a indiqué précédemment, la bande d'étanchéité 20 a pour fonction de limiter l'écoulement de la vapeur dans le sens radial autour des parties d'extrémité s'étendant radialement de l'aube 12 à travers le jeu radial 22, mais dévierait l'eau circulant le long de la surface 16

de l'enveloppe en la faisant tomber sur les parties d'extré-

mité tournant à vitesse élevée de l'aube 12 si la fente 18

n'était pas située immédiatement en amont de la bande 20.

En figure 2 on a représenté le dernier éage d'une turbine à vapeur construite selon la présente invention. Une aube de distribution 30, ayant un bord de fuite 31 en amont d'une aube 32 dirige la vapeur sur les aubes du dernier étage, l'aube 32 représentant l'une d'elles. L'enveloppe 34 de la turbine, ayant une surface intérieure 35, entoure coaxialement l'ensemble formé par le rotor et les aubes. La

surface intérieure 35 constitue un trajet dépourvu d'obsta-

cles pour la circulation de l'eau au droit de la partie extérieure de l'aube 32 dans la direction d'un cadre d'échappement (non représenté). Pour limiter le débit de la vapeur autour des parties d'extrémité, s'étendant dans le sens radial, de l'aube 32, une nervure unique 36 s'étend

radialement vers l'extérieur de la surface radialement exté-

rieure d'une coiffe et de l'extrémité de l'aube 32, (la

coiffe n'est pas visible en figure 2). La partie en prolon-

gement dans le sens radial d'une nervure 36 est représentée en figure 3, dans laquelle la nervure 36 s'étend au-delà de la partie s'étendant radialement ou partie d'extrémité 19 de l'aube 32. De nouveau en liaison avec la figure 2, le bord de la nervure 36 s'étendant radialement est très proche de

la surface 35. Un jeu radial 38 a pratiquement la même va-

leur que le jeu 22 représenté figure 1. A titre d'exemple, la valeur du jeu radial est de l'ordre de 3,8 mm pour le

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dernier étage d'une turbine basse pression dont la longueur

active des aubes est d'environ 66 cm. Le jeu 38 est suffi-

samment grand pour permettre l'écoulement sans obstacle du courant d'eau prévu le long de la surface 35 pendant le fonctionnement normal de la turbine. En liaison avec la figure 3, l'aube 32 comporte un moyen de fixation 33, par exemple une queue d'aronde, pour le maintenir de manière sûre à l'arbre 15, un pied 37 à l'extrémité radialement intérieure de l'aube, et un bout d'aube ou partie d'extrémité 19 à l'extrémité radialement

extérieure de l'aube. L'aube 32 est fixée à une aube conti-

guë par un dispositif à protubérance et manchon décrit en

détail dans le brevet des Etats-Unis d'Amérique n 3 719 432.

La figure 4 représente une vue radiale de dessus de deux d'aubes 40 et 42 (semblables à l'aube 32) reliées ensemble à leurs extrémités radiales extérieures respectives

par une coiffe 44. Une description détaillée de la coiffe

44, de sa relation avec les extrémités des aubes et de ses caractéristiques de fonctionnement vis-à-vis de la turbine dans son ensemble fait l'objet du brevet des Etats-Unis

d'Amérique 3 303 925, qui est incorporé ici à titre de réfé- rence. La coiffe 44 comporte une nervure 46 qui s'étend à partir de sa

surface radialement extérieure 45. La nervure 46 est semblable à la nervure 36 représentée en figures 2 et

3, respectivement. La nervure 46 s'étend radialement à l'ex-

térieur de la surface circulaire définie par la série de coiffes qui relient la série correspondante des extrémités

des aubes de l'étage. La nervure 46 est alignée tangentiel-

lement avec une nervure 48 d'une coiffe contiguë 50 et une nervure 61 de l'aube 42. D'une façon similaire, la nervure 46 est alignée tangentiellement avec la nervure 52 d'une

coiffe contiguë 54 et avec une nervure 63 de l'aube 40.

Dans un mode de réalisation recommandée, le bord d'attaque 60 de la nervure 46 est très proche du bord de

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fuite de la nervure 61 et le bord d'attaque de la nervure 61 est très proche du bord de fuite 62 de la nervure 48. Les expressions "attaque" et "fuite" sont définis par rapport au sens de rotation tel qu'il est représenté par la flèche en figure 4. D'une manière similaire, le bord de fuite de la nervure 46 est très proche du bord d'attaque de la nervure 63 de l'aube 40 et le bord de fuite de l'aube 63 très proche du bord d'attaque de la nervure 52o La nervure 46, en combinaison avec les nervures 52, 63, 61 et 48 et d'autres nervures correspondant à la série d'aubes et de coifEes de l'étage, forme un anneau 21 (figure 3) s'étendant radialement, pratiquement continu, fournissant un joint entre la partie radialement extérieure

des auries et l'enveloppe de la turbine, comme on l'a expli-

-iS que precédemment. Lorsqu'on utilise une colffe nervurée 44 avez le deriâier eétage d'une turbine à vapeur basse pression, il nLest pas nécessaire c' vacuer la pellicule de condensat qui s'accumule et s&ou!e axialement le long de la surface intéfieure 35 de l'enveloppe de turbine 34, car l'anneau 21 2t (figfure 3) est le seul obstacle a l'écoulement de la vapeur dans le jeu radial 38 (figue 2). Par conséquent, la fente 18 dé'vacuation de l'humidité (_igure 1) est inutile et peut donc être suppriémSeo Co.mie les dimensions d7u jeu radial 38 (figure 2) sont semblables a celles du jeu radial 22 (figure 1), on obtient une amelioration du rendement de l'étage de

ia turbine de la présente invention en économisant une va-

leur estimée à 0,6% du débit total de la vapeur qui traverse l'-tage. L'éconromie estimée de 0,6% correspond à la perte est.i me du débIt de la vapeur qui traverse la fente 18

d'évacuation de l'humidité (figure l)o Le maintien du pour-

centage de 0,6% du débit de la vapeur augmente le rendement

de l'étage et par conséquent le rendement global de la tur-

bine,

Dans un. mode de réalisation actuellement recomman-

3: d,' ila nervure 46 constitue une partie de la coiffe 44.

256830?

- 16 -

Comme les aubes peuvent se dilater radialement par suite de stimulations thermiques ou se déplacer radialement par suite des réactions mécaniques produites pendant le fonctionnement

de la turbine, la nervure 46 peut être constituée- d'un maté-

S riau pouvant être relativement usable par abrasion (abrada-

ble) par rapport à celui de la surface intérieure 35 de l'enveloppe 34 (figure 2). Une partie de la nervure 46 sera "enlevée par frottement" si l'ensemble constitué par -le

rotor et les aubes est soumis à une déviation anormale pen-

dant sa rotation par rapport à l'axe normal et se trouve en

contact avec la surface -intérieure 35 de l'enveloppe 34.

L'axe de l'étage de la turbine peut être amené à se décaler pendant le fonctionnement, par exemple, par suite de la

dilatation thermique du rotor ou par modification de I'ali-

gnement des paliers. La capacité d'étanchéité du dispositif

* de couverture à nervure unique, décrit ici, n'est pas in-

fluencée par le déplacement axial de l'axe de l'étage. De

plus, ce dispositif comprenant une série de nervures ali-

gnées tangentiellement permet d'obtenir un joint pour un étage de turbine quelconque dans lequel l'eau s'écoule sur la surface intérieure de l'enveloppe entourant cet étage, ce qui élimine la nécessité d'avoir la fente 18 d'évacuation de

l'humidité (figure 1).

Les figures Sa, 5b et 5c représentent plusieurs vues en coupe possibles d'une nervure selon la présente invention.

La configuration géométrique de la nervure consti-

tue un paramètre important car la circulation de la vapeur dans le jeu radial 38 (figure 2) est liée au profil de cette nervure. Le bord de la nervure s'étendant radialement est de préférence relativement étroit par rapport à la base de la nervure proche de la coiffe. Les autres caractéristiques ayant un rôle important sont les suivantes: rapport entre la hauteur de la nervure et la largeur de sa base, lequel peut être compris entre environ 1,7 et 2,0; rapport entre la

- 17 -

hauteur de la nervure et le jeu radial en régime permanent, lequel peut être supérieur ou égal à 1,7, de préférence égal

à environ 2,0; rapport entre -la largeur du bord de la ner-

vure s'étendant radialement et le jeu radial en régime per-

manent, lequel peut être inférieur ou égal à environ 0,10. Des rapports de 2,0; 1,7 et 0,10 respectivement, ont été proposés théoriquement pour obtenir des performances optimum d'une nervure agissant comme moyen d'étanchéité dans le dernier étage d'une turbine ayant une longueur des aubes

actives d'environ 66 cm. En fonctionnement, les caractéris-

tiques géométriques d'une nervure, répondant à la descrip-

tion précédente, se traduisent par un confinement de la vapeur traversant le jeu radial 38 (figure 2) dans un espace radial inférieur à celui qui est matériellement réellement

présent entre la nervure 36 (figure 2) et la surface inté-

rieure 35 de l'enveloppe 34 (figure 2). Ce phénomène peut s'expliquer par la théorie "vena-contracta", laquelle est relativement bien connue dans l'art de la mécanique des

fluides. Ainsi, la nervure unique 36 a pour effet de dimi-

nuer le débit du fluide élastique ou vapeur dans le jeu radial 38 (figure 2) par rapport au débit total qui pourrait traverser ce jeu radial 38 (figure 2) si on n'utilisait

aucune nervure 36 (figure 2). La forme en coupe d'une nervu-

re qui se comporte d'une manière optimum sera basée sur une

étude du débit d'un fluide dans un orifice et autres dispo-

sitifs d'étanchéité selon les principes de la mécanique des fluides. Une nervure unique s'étendant au-dessus de chaque coiffe joue un rôle important car un nombre plus grand de nervures espacées axialement sur la même coiffe peut ne pas permettre le maintien d'un même débit de vapeur dans le jeu radial 38 (figure 2) comme le ferait une seule nervure par coiffe et donc peut ne pas augmenter les caractéristiques

d'étanchéité obtenues avec une nervure unique selon la pré-

sente invention. D'autre part, les caractéristiques d'étan-

chéité de deux nervures axiales espacées dépendent de leur

- 18 -

écartement axial, lequel est fonction des dimensions du jeu 38 (figure 2). Pour qu'une seconde nervure augmente les caractéristiques d'étanchéité de la nervure 36 (figure 3), l'écartement axial entre la nervure 36 et cette seconde S nervure serait généralement si important qu'il ne poerrait

être prévu sur une coiffe 44 (figure 4) de la présente in-

vention. De même, une nervure unique qui ne s'étend pas

radialement au-delà des parties d'extrémité radiales exte-

rieures des aubes ne permet pas de' maintenir le débit de

vapeur selon la présente description.

Trois vues en coupe radiale de nerrures, telles qu'elles sont prises selon la ligne 5-S de la figure 4, pouvant être utilisées selon la présente invention, font l'objet des figures Sa, Sb et 5c. Les nervures represent6es ne sont pas les seules nervures pouvant être construites

selon les principes venant d'être exposés, mais sont repre-

sentatives du type de nervure qui fonctionne efficacement dans l'environnement décrit par les présentes. Les nrvures a, 65b et 65c s'étendent au-dessus des surfaces radiales extérieures 64a, 64b et 64c, respectivement, des coiffes. Le

sens du flux de vapeur est indiqué par une flèche et reprc-

sente la direction d'écoulement dans Ies figures Sa, Sb et c. En figure Sa, la nervure 65a a une section droite trape- zoidale, avec une face en aval inclinée de manière à forner

un angle d'inclinaison supérieur à environ 40 , de prúferen-

ce compris entre 40 et 60 , et mieux encore d'environ 4S' par rapport à un plan horizontal de référence. La figure Sb

représente une nervure 65b qui comporte une base relative-

ment large à proximité de la surface 64b, qui se rxtricit progressivement au fur et à mesure qu'on se rapproche du

bord s'étendant radialement. Les bords s'étendant radiale-

ment ou bords supérieurs des nervures 65a, 65b et S65c sont tronqués. La nervure 65c, représentée en figure Sc, a une surface latérale amont s'étendant radialement relatieme*t

droite, un bord s'étendant radialement tronque, et une sur-

- 19 -

face 64 relativement large à proximité de la base. Par con-

séquent, sa vue en coupe se rétrécit relativement de façon

progressive entre sa base et son bord s'étendant radiale-

ment. L'homme de l'art pourra envisager de nombreux profils, formes et configurations différents pour une nervure qui s'étend à partir de la surface extérieure d'un coiffe et

fonctionne selon la présente invention.

La figure 6 illustre un autre mode de réalisation de la présente invention. Une coiffe 70 relie l'extrémité

d'une aube 72 du rotor à l'extrémité d'une aube contiguë 74.

Une coiffe 76 et une coiffe 77, respectivement, relient des aubes contiguës aux aubes 74 et 72, respectivement. Une nervure 78 s'étendant radialement fait saillie au-dessus de

la surface extérieure de la coiffe 70 et alignée tangentiel-

lement avec une nervure 80 qui est d'un seul tenant avec la coiffe 76 et avec une nervure 81 d'un seul tenant avec la coiffe 77. Le bord de fuite de la nervure 80 est espacé du bord d'attaque de la nervure 78. Un intervalle 82 sépare le bord de fuite de la nervure 80 et le bord d'attaque de la

nervure 78. Par conséquent, la nervure 78 n'est pas en sail-

lie sur la partie d'extrémité de l'aube 74 et se termine à proximité de celle-ci et la nervure 80 se termine également

à proximité de l!extrémité de l'aube 74. Un intervalle simi-

laire peut être présent entre des nervures correspondantes

sur des coiffes contiguës 70 et 77, comme cela est représen-

té. Le courant de vapeur passant autour de l'extrémité s'étendant radialement des aubes de rotor et traversant

l'intervalle est relativement petit dans ce mode de réalisa-

tion car l'intervalle 82 et les intervalles similaires si-

tues sur la circonférence extérieure de l'étage constituent une partie relativement petite de l'anneau pratiquement

continu, s?étendant radialement, forme par la série de ner-

vures associées à la série de coiffes de l'étage de la tur-

bine. Le débit de vapeur traversant l'espace 82 est sensi-

blement limité pendant le fonctionnement de la turbine.

- 20 -

On peut utiliser la présente invention avec des coiffes qui sont reliés aux aubes par des tenons latéraux qui s'emboîtent dans des ouvertures latérales ménagées dans les extrémités extérieures des aubes, c'est-àdire, les coiffes spécifiques représentées. Les coiffes représentées s'appellent communément coiffes à entrées latérales et sont clairement décrites dans le brevet des Etats-Unis d'Amérique 3 302 925, incorporé ici à titre de référence comme on l'a précédemment indiqué. D'autres types de coiffes peuvent également utiliser une nervure correspondant à la présente

description. La présente invention peut également être mise

en pratique en reliant ensemble un nombre prédéterminé d'au-

bes d'un étage en un même groupe tout en reliant pas ensem-

ble les groupes d'aubes respectifs, grâce à quoi un étage comprend une série d'aubes groupées. Bien qu'il puisse y avoir des ruptures ou interstices entre groupes respectifs d'aubes dans l'anneau s'étendant radialement, relativement continu qui est formé par les nervures, en fonctionnement les aubes tournent à une vitesse telle que l'écoulement

axial passant par les interstices est relativement minimal.

La présente invention peut être mise en pratique de telle manière que les coiffes et les nervures constituent une

partie intégrale des aubes.

En figure 7, on a représenté un autre aspect de la -présente invention. La courbe en trait plein de la figure 7 représente la valeur en degrés de la détorsion que l'on peut attendre d'une aube 42 (figure 4) accessible de tous les côtés pour une vitesse nominale de fonctionnement de, par exemple, 3600 tr/min. Comme représenté en figure 4, lorsque le rotor commence à tourner et que sa vitesse augmente pour atteindre la vitesse de fonctionnement, par exemple 3600

tr/min, l'aube 42 aura tendance à être soumise à une détor-

sion dans le sens de la flèche 51 à partir de son bord d'attaque 43 et dans le sens de la flèche 53 à partir de son bord de fuite 47. Lorsque l'aube 42 se trouve à sa vitesse

- 21 -

de fonctionnement, il est souhaitable que son aérodynamisme et sa relation avec les aubes contiguës de l'étage soient aussi proches que possible des valeurs optimales de ses

caractéristiques pour obtenir le rendement optimum de l'éta-

ge. Par exemple, il peut être souhaitable que les conditions

d'écoulement supersonique soient maîtrisées par une configu-

ration transonique de l'aube telle que celle décrite dans le brevet des Etats-Unis d'Amérique 3 565 548, incorporé ici à

titre de référence. Il est également important que les con-

traintes agissant sur les tenons de la coiffe 44 à partir des aubes 40 et 42 ne dépassent pas une limite prédéterminée de manière à conserver la fiabilité de la configuration et éviter l'endommagement des tenons de la coiffe 44 ou des

mortaises correspondantes des aubes 40 et 42. Par consé-

quent, les aubes 40 et 42 sont soumises à une surtorsion correspondant à la quantité supplémentaire représentée par

la courbe en trait discontinu en figure 7 de manière à mini-

miser la charge ou contrainte à laquelle les tenons de la coiffe 44 sont soumis, afin que, lors de la détorsion à la vitesse de fonctionnement, les aubes 40 et 42 atteignent la

configuration aérodynamique souhaitée. Une surtorsion effec-

tive est fournie de façon que, même avec la surtorsion, la coiffe 44 limite une partie de la détorsion au sommet de l'aube 42, maintenant ainsi une contrainte prédéterminée sur les tenons de la coiffe 44 à la vitesse de fonctionnement de manière à fournir un accouplement mécanique qui facilite la suppression des vibrations indésirables de l'aube. Pour une orientation aérodynamique optimum de l'aube 42 à la vitesse de fonctionnement, il est souhaitable d'avoir une valeur prédéterminée de la contrainte agissant sur les tenons des

coiffes 44 et 50 de manière à maintenir l'accouplement méca-

nique entre les aubes 42 et 40 et assurer l'amortissement

des vibrations mécaniques indésirables pouvant se produire.

De plus, il est souhaitable que le dispositif de liaison par protubérances et manchon décrit dans le brevet des Etats -22 - Unis d'Amérique 3 719 432 cité ci-dessus soit en alignement à la vitesse de fonctionnement de façon que seule la poussée

due à la force centrifuge et dirigée radialement vers l'ex-

térieur fournisse un accouplement mécanique entre les protu-

bérances et le manchon respectif. En figure 8, on a représenté une vue tangentielle d'un dernier étage correspondant à la présente invention. On a également illustré une aube représentative 100 entre l'avant dernier étage (ou étage L-l) et le dernier étage de

la turbine.

Un diaphragme 105 comprend une aube de distribu-

tion 30, comportant un bord d'attaque 104, et un anneau intérieur 102 pour fixer le pied de l'aube 30. La partie extérieure ou extrémité de l'aube 30 est fixée à l'enveloppe 34. Le bord de fuite 31 de l'aube 30 est incliné axialement de sorte que la partie la plus radialement extérieure du bord de fuite 31 se trouve axialement davantage en aval que sa partie la plus radialement intérieure. Plus précisément, le bord de fuite 31 de l'aube est incliné suivant un angle 117 par rapport à l'axe radial 115 de l'arbre 15. L'angle

117 est de préférence inférieur à environ 5 .

En figure 9, on a représenté une vue prise le long de la ligne 9-9 de la figure 8 dans la direction radiale de l'intérieur. Dans cette figure on a représenté une aube de distribution 30 et une aube de distribution adjacente 120. A titre de commodité et pour faciliter la compréhension, on n'a représenté que deux aubes de distribution. On notera qu'une série d'aubes de distribution ayant respectivement la

même disposition relative que les aubes 30 et 120 sont dis-

posées dans le diaphragme 105 (figure 8) et entourent l'ar-

bre 15 (figure 8).

Le bord de fuite 31 de l'aube de distribution 30

et un bord de fuite correspondant 121 de l'aube de distribu-

tion 120 apparaissent sous forme de points en figure 9. La distance entre le bord de fuite 31 et le bord de fuite 121

- 23 -

représente le pas des aubes de distribution et est désignée par la lettre t. La distance entre le bord de fuite 31 de l'aube de distribution 30 et le point le plus proche 108 de

la surface d'aspiration 122 de l'aube 120 est appelée étran-

glement de bord de sortie ou étranglement de bord de fuite

et est représentée par la réféerence s.

De manière à régler l'écoulement supersonique traversant un passage 130 entre les aubes de distribution 30 et 120, il est nécessaire que l'aire du passage 130 offerte au courant diminue depuis l'entrée amont (entre les bords d'attaque 104 et 124 des aubes 30 et 120, respectivement) pour atteindre une valeur minimum entre l'entrée amont et la sortie aval (entre les bords de fuite 31 et 121 des aubes 30 et 120, respectivement), puis augmente entre l'emplacement oU sa valeur est minimum et la sortie aval, formant ainsi un trajet convergent-divergent à travers le passage l30o L'aire minimum découlement dans le passage 13Q se trouve à i'ét- rangleme' n minimum ou) par exemple, la distance entre un point 110 de la surface d'aspiration 122 de l'aube 120 et un point 11l2 de la surface sous pression 125 de l'aube 30 est

minimum et est repréosentée par le symbole s:B. Il est égale-

ment de pratique courante d'indiquer les aires découlement plutôt que les distances et dans ce cas, les symboles s et

s* sont remplacés par les lettres A et A, respectivement.

Le rapport s/t en fonction de la distance radiale à partir du pied de l'aube est également communément utilisé pour définir la relation spatiale entre aubes de distribution contiguës.

De nouveau en liaison avec la figure 8, on a re-

présenté le lieu des points 108 de!'aube de distribution qui définissent l'étranglement de sortie sur la surface d'aspiration 122 de l'aube 120 entre les aubes 30 et 120 (figure 9). On a également représenté le lieu des points 110 de l'aube 120 qui définissent l'étranglement minimum entre les -aubes 30 et 120 (figure 9). Un lieu correspondant de

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points 112 (figure 9) de la surface sous pression 125 de l'aube 30 n'est pas représenté en figure 8 dans un but de

clarté. On notera que le li.eu 110 des points de l'étrangle-

ment minimum commence en aval du bord d'attaque 104 de l'au-

be 30 et en amont du lieu des points 108 au pied de l'aube 30. Le lieu 110 des points d'étranglement minimuim entre les aubes 30 et 120 (figure 9) est situé invariablement un peu plus en aval ou plus près du lieu 108 pour augmenter la distance radiale à partir du pied de l'aube 30 jusqu'à ce que le lieu 110 coïncide avec le lieu 108, c'est-à-dire jusqu'à ce qu'un étranglement minimum s* coïncide avec et

soit égal à l'étranglement de sortie s, en un point prédé-

terminé 111 situé entre le pied et l'extrémité de l'aube 30.

L'étendue radiale extérieure du point de coïncidence 111

entre le lieu 108 et le lieu 110 est déterminée par la va-

leur du réglage souhaitée pour l'écoulement supersonique.

Typiquement, le profil de vitesse dans le passage 130 (figu-

re 9) est tel que la vitesse la plus grande de l'écoulement de vapeur se produit au pied, avec cette vitesse diminuant dans l'écoulement de vapeur évacué radialement du pied vers l'extrémité de l'aube de distribution 30. Il est nécessaire de régler le sens et l'occurence des chocs supersoniques de manière à maintenir un rendement optimum. Des chocs non

souhaités ou inattendus peuvent accompagner un courant dé-

formé de la vapeur traversant le passage 130 (figure 9) et donc ne pas présenter les conditions optimum pour la vapeur à l'entrée de l'aube 32, d'o une diminution du rendement de l'étage. La surface radialement extérieure, ou périphérique 103, de l'anneau intérieur 102 du diaphragme 105 a un profil qui permet de régler et diriger le courant de vapeur vers le pied 132 de l'aube 32. Entre le bord d'attaque 104 de l'aube de distribution 131 et un point 106 de la périphérie 103 de l'anneau intérieur 102, le profil de la surface 103 est de

préférence un arc de cercle ayant un rayon prédéterminé.

- 25 -

Ainsi, le contour de la surface 103 de l'anneau intérieur 102 entre le bord d'attaque 104 de l'aube 30 et un point 106

définit une surface partielle d'un tore entourant la péri-

phérie 103. Le lieu des points 106 autour de l'anneau inté-

rieur 102 est un cercle disposé entre le bord intermédiaire de l'étranglement minimum et le bord de l'étranglement de sortie 108. Entre le point 106 et le bord de fuite 31 de l'aube de distribution 30, le profil de la surface 103 est de préférence une ligne droite qui, si on la prolongeait, passerait par le point de jonction 134 du bord d'attaque 136 et du pied 132 de l'aube 32. Ainsi, le contour de la surface 103 de l'anneau intérieur 102 entre le point 106 et le bord de fuite 31 de l'aube de distribution 30 définit la surface d'un tronc de cône entourant circulairement la périphérie 103. Naturellement, on peut utiliser d'autres formes et contours pour la périphérie 103 pour régler et diriger le flux de vapeur radialement vers l'intérieur vers le pied

d'une aube associée.

En figures lOa et lO0b on a représenté le flux de

vapeur dans un étage simplifié.En figure 10a, on a représen-

té le flux de vapeur, illustré par les lignes d'écoulement

se terminant par des flèches, qui permet d'obtenir un rende-

ment optimum. La vapeur, qui se détend généralement à partir de l'étage adjacent situé en amont (non représenté) est

dirigée, selon la présente invention, par une aube de dis-

tribution 200 pour pénétrer dans une aube 210 et sortir de cette aube suivant une direction pratiquement axiale. En

figure lob, on a représenté un écoulement de vapeur souhaité.

Le dernier étage d'une turbine à vapeur, en parti-

culier d'une turbine basse pression, doit être capable de

fonctionner avec un débit d'échappement variable, s'expri-

mant typiquement en fonction de la vitesse annulaire axiale

moyenne Vax, tout en minimisant les effets sur le rende-

ment de ces variations. Les variations du débit volumique d'échappement de la vapeur sont dues à des fluctuations de

- 26 -

la puissance développée par la turbine, car le débit massi-

que de la vapeur dans le dernier étage est une fonction à peu près linéaire de la puissance de sortie de la turbine, et à des variations de la pression d'échappement, car la pression d'échappement d'un environnement classique de mar-

che d'une turbine n'est pas constante. La pression d'échap-

pement d'une turbine est fonction de la conception du con-

denseur et des conditions de fonctionnement et est principa-

lement influencée par la température de l'eau de refroidis-

sement entrant dans le condenseur. En général, il faut une quantité d'eau importante pour assurer le refroidissement et classiquement l'eau peut être fournie par une source exposée aux conditions atmosphériques, lesquelles se traduisent par

des changements de température dûs aux variations saisonniè-

res. Lors du fonctionnement normal du condenseur et de

la turbine à une charge comprise entre environ 40% et envi-

ron 100% de la charge nominale de la turbine, le flux de vapeur traversant le dernier étage doit être semblable à celui qui est représenté en figure 0la. Lorsque ce flux est réduit et/ou lorsque la pression d'échappement de l'étage augmente, une composante de la vitesse dirigée radialement vers l'extérieur est imprimée à l'écoulement, en particulier au droit de l'aube, ce qui peut provoquer la séparation du flux, ou son insuffisance (c'est-à-dire un flux inadéquat pour obtenir un rendement optimum) commençant au pied de l'aube, et se traduire finalement par une configuration de l'écoulement avec remise en circulation, comme le représente la figure lob. Le flux remis en circulation est indésirable et doit être évité car il provoque une diminution importante du rendement. Selon un aspect de la présente invention, les caractéristiques du diaphragme, entre autres des aubes de

distribution et des aubes, agissent conjointement pour arrê-

ter l'amorce d'une telle remise en circulation, ce qui per-

met d'obtenir un fonctionnement avec un rendement maximum

- 27 -

pour une gamme importante de débits de vapeur et de pres-

sions d'échappement par rapport aux étages de conception classique. En figure 11, on a représenté des caractéristiques S classiques de la pression de fonctionnement dans le dernier

étage selon la présente invention. L'axe des ordonnées re-

présente la pression P2 à la sortie de l'aube de distribu-

tion par rapport à la pression d'entrée dans cette aube. La pression d'entrée de l'aube de distribution est nominalement la pression de sortie de l'étage L-1 de la turbine et est représentée généralement par PAUBE' L'axe des abscisses représente l'envergure radiale en pourcent entre le pied (le plus proche de l'arbre) et X'extrémité (la plus proche de l'enveloppe) d'une aube de distribution. Lorsque le rapport entre la pression d'entrée et la pression de sortie de part et d'autre d'une aube de distribution en un emplacement radial prédéterminé de cette aube est supérieur à environ 1,83, il se produit alors une zone à écoulement transonique

(c'est-àdire un écoulement passant de subsonique à super-

sonique) à l'interieur du passage défini par l'aube de dis-

tribution à cet emplacement. La limite de l'écoulement tran-

sonique est représenté en figure 1l et coupe l'axe des or-

données à une valeiur correspondant à environ 54,6% (c'est-à dire que PAUBE/P2 1,83 ou P2 = 0,546 PAUBE)o les

légendes figurant sur les courbes de la figure 11 représen-

tent des valeurs classiques de la vitesse annulaire axiale moyenne Vax enpourcentage de la vitesse annulaire axiale

moyenne nominale ou maximum Vax(max) pouvant être rencon-

trée pendant le fonctionnement de la turbine.-

Corrimereprésenté en figure 11, pour Vax=Vax(max),

il y a une différence relativement grande (c'est-à-dire en-

iron 37? PAUBE) de la pression P2 entre l'extrémité (environ 68 % PAUBE) et le pied (environ 31 % PAUBE) d'une aube de distribution. Cette différence de pression est contrebalancée par la force d'inertie de l'écoulement avec

- 28 -

une vitesse tangentielle é,levée entre l'aube de distribution et l'aube. Lorsque Vax diminue, soit par exemple Vax = 0,40 Vax (max), la différence (environ 8% PAUBE)de la

pression P2 entre le pied (environ 64 % PAUBE) et l'ex-

trémité (environ 72% PAUBE) diminue sensiblement. Les for- ces d'inertie de l'écoulement les aubes de distribution et l'aube diminuent également lorsque Vax décroît, mais pas aussi rapidement que la différence de pression entre le pied et l'extrémité de l'aube de distribution pour une diminution

équivalente de Vax. Finalement, Vax peut diminuer jus-

qu'à une valeur égale ou inférieure à celle pour laquelle le flux de vapeur ne peut remplir totalement son trajet; et donc, il peut se produire une remise en circulation du flux,

comme on l'a décrit précédemment.

L'action conjointe de l'aube de distribution 30

(figure 8) et de l'aube 32 (figure 8) selon la présente in-

vention permet d'augmenter la gamme de fonctionnement accep-

table de la pression d'échappement et du flux de la vapeur

dans la turbine pour retarder l'amorce de la remise en cir-

culation du courant. On augmente les gammes acceptables en conférant à la vapeur circulant entre une zone d'aubes de distribution, zone s'étendant entre le pied et une distance

radiale déterminée à partir du pied, une composante de vi-

tesse prédéterminée dirigée radialement vers l'intérieur, ou

quantité de mouvement.

La composante radiale intérieure de la quantité de mouvement ainsi conférée s'oppose aux forces d'inerte du flux de vapeur produit par la vitesse tangentielle de ce flux, opposition qui provoque une réduction effective de l'amplitude des forces d'inertie, retardant ainsi l'amorce de la séparation du flux au pied et la remise en circulation

du flux au droit de l'aube.

En figure 12, on a représenté une vue radiale par-

tielle (non à l'échelle) prise le long de la ligne 12-12 de la figure 8. On comprendra qle le diaphragme 105 s'étend sur

- 29 -

la totalité de la circonférence de l'arbre 15. Le bord de fuite 31 de l'aube de distribution 30 et le bord de fuite 121 (figure 9) de l'aube de distribution 120 (figure 9) sont

identifiés et représentatifs de la série d'aubes de distri-

bution entourant la circonférence de l'arbre 15. Une ligne

de référence 150 s'étend radialement suivant l'axe de rota-

tion de l'arbre 15. Le bord de fuite 31 est incliné tangen-

tiellement par rapport à la ligne de référence 150. L'angle

formé entre la ligne de référence 150 et le bord de fui-

te 31 de l'aube de distribution 30 est de préférence infé-

rieur à environ 12 . Ainsi, dans l'un des aspects de la pré-

sente invention, l'inclinaison axiale et tangentielle des

aubes de distribution 30 et 120, le profil de la paroi inté-

rieure de l'anneau intérieur 102 du diaphragme 105, la posi-

tion d'un étranglement minimum s* (figure 9) entre les aubes

de distribution 30 et 120 et la position d'un passage con-

vergent-divergent entre aubes au pied agissent conjointement pour retarder l'amorce de la remise en circulation dans l'étage, permettant l'obtention d'un rendement maximum dans

une gamme de conditions d'écoulement de la vapeur et de va-

riations de la pression d'échappement plus vaste que ne le

permettent les étages de conception classique.

On vient d'illustrer et de décrire un agencement d'étanchéité permettant de retenir la vapeur à l'intérieur d'un passage axial de travail d'une turbine à vapeur axiale,

tout en protégeant les composants de l'étage contre les dé-

gâts mécaniques provoqués par l'humidité sans avoir à ex-

traire prématurément l'humidité de cet étage. En outre, on a représenté et décrit la position de la zone d'écoulement transonique de la vapeur pour éviter la formation des chocs soniques indésirables pendant le fonctionnement. De plus, on a illustré et décrit le contrôle de la détorsion des aubes du dernier étage. On a également représenté et décrit une coopération optimum entre diaphragme et aube pour fournir le flux de vapeur souhaité et retarder l'amorce de la remise en

circulation du flux, en particulier à une vitesse annulaire moyemnne faible.

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Claims (12)

REVEND I CATIONS

1. Etage de turbine axiale pour la transformation d'au moins une partie de l'énergie renfermée par un fluide

élastique en énergie mécanique, caractérisé en ce qu'il com-

prend: - une série d'aubes (32) fixées au rotor (11) de la turbine en étant réparties circulairement autour de ce rotor, chaque aube comportant une région aérodynamique entre une partie extrême extérieure (19) et une partie intérieure ou pied, dans laquelle la turbine comporte une enveloppe (34) présentant une surface intérieure (35), entourant la série d'aubes (32); - une série de coiffes (44) d'aubes, chaque coiffe reliant respectivement la partie extrême d'aubes contiguës et chaque coiffe comportant une surface extérieure (45); - une nervure (36) s'étendant radialement vers l'extérieur à partir de la surface extérieure (45) de chaque

coiffe (44), respectivement, chaque nervure (36) étant tan-

gentiellement alignée par rapport aux nervures de coiffes contiguës, le bord s'étendant radialement de la nervure (36)

étant en étroite proximité, tout en étant espacé de la sur-

face intérieure (35) de l'enveloppe (34) pour former un jeu radial (38) entre la surface intérieure (35) de l'enveloppe et la nervure (36), cette nervure (36) constituant le seul

obstacle à l'écoulement du fluide élastique entre les extré-

mités de la série d'aubes (32) et la surface intérieure de l'enveloppe (35); et - un diaphragme (105) espacé axialement de la série d'aubes (32) et disposé autour du rotor pour envoyer

le fluide élastique dans la série d'aubes (32), le diaphra-

gme comprenant une série d'aubes de distribution (30) espa-

cées ayant un pied proche du rotor, les aubes de distribu-

tion formant une série de passages entre elles et un anneau intérieur (102) pour fixer au pied de manière sdre la série d'aubes de distribution (30), chaque aube de distribution

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comportant un bord d'attaque (104) et un bord de fuite (31)

et étant disposée de manière à présenter tant une inclinai-

son axiale (117) qu'une inclinaison tangentielle (155), chaque inclinaison axiale et tangentielle étant rapportée à une référence radiale par rapport à l'axe de rotation (15) du rotor (11), l'anneau intérieur (102) ayant une étendue radiale vers l'extérieur adjacente au bord d'attaque des aubes de distribution (30) supérieure à son étendue distance radiale vers l'extérieure adjacente au bord de fuite des aubes de distribution, chaque aube de distribution (30) étant espacée d'une aube de distribution contiguë (120) de sorte que le passage (130) formé entre elles présente un étranglement minimum (110) et un étranglement au bord de fuite (108), o l'étranglement minimum est situé entre le bord d'attaque (104) de l'aube de distribution (30) et

létranglement de bord de fuite au pied de l'aube de distri-

bution (30) et l'étranglement minimum est placé invariable-

ment plus près de l'étranglement du bord de fuite à une distance radiale croissante à partir du pied de l'aube de distribution, d'o il résulte que les bords du passage (130) definisssent un passage convergent- divergent au moins sur une partie de l'étendue radiale de l'aube de distribution (30).

2. Etage selon la revendication 15 caractérisé en ce que l'inclinaison axiale (117) est inférieure à environ 5 degrés.

3. Etage selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'inclinaison tangentielle (155) est inférieure à

environ 12 degrés.

4. Etage selon la revendication 1, caractérisé en

ce que l'étranglement minimumn (10) se fond avec l'étrangle-

ment du bord de fuite (108) à une distance radiale prédéter-

minée (111) entre l'extrémité et le pied de l'aube de dis-

t ri but ion.

5. Etage selon la revendication 1, caractérisé en

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ce que l'étendue radiale extérieure de l'anneau intérieur

(102) contigu au bord d'attaque (ou) des aubes de distribu-

tion (30) jusqu'à un emplacement axial prédéterminé (106) situé entre l'étranglement minimum et l'étranglement du bord de fuite droit du pied des aubes de distribution (30) défi- nit un arc de tore dans lequel l'étendue radiale extérieure

de l'anneau intérieur (102) est plus grande au bord d'atta-

que des aubes de distribution qu'à l'emplacement axial pré-

déterminé, et dans lequel l'étendue radiale extérieure de

l'anneau intérieur (102) entre l'emplacement axial prédéter-

miné (106) et la partie de l'anneau, intérieur contiguë au bord de fuite des aubes de distribution définit une section conique telle qu'un prolongement de cette section coupe la série d'aubes (32) à l'intersection du bord d'attaque et du

pied de la série d'aubes (32).

6. Etage selon la revendication 1, caractérisé en

ce que la nervure (36) comprend un matériau usable par abra-

sion avec la surface de l'enveloppe (35).

7. Etage selon la revendication 1, caractérisé en ce que la nervure (65) comprend une partie de base ayant une

large section droite, à proximité de la coiffe et une sec-

tion droite se rétrécissant progressivement radialement vers

l'extérieur vers le bord s'étendant radialement de la ner-

vure.

8. Etage selon la revendication 1, caractérisé en

ce qu'il comprend en outre une première nervure (46) s'éten-

dant radialement vers l'extérieur de l'extrémité de chaque

aube (42) et alignée tangentiellement par rapport aux nervu-

res (48, 61, 52, 63) des coiffes (44) contiguës, la première

nervure étant très proche des nervures des coiffes conti-

guës, d'o il résulte la formation d'un anneau (21) s'éten-

dant radialement, pratiquement continu, entre la surface intérieure (35) de l'enveloppe (34) et les extrémités de la

série d'aubes (32).

9. Etage selon la revendication 1, caractérisé en

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ce que: - l'extrémité radiale extérieure de chaque aube comporte un trou latéral la traversant; - chaque coiffe (44) comportant au moins une paire de tenons latéraux s'étendant dans des directions opposées: et

- chaque coiffe (44) permettant de relier l'extré-

mité radiale extérieure d'une paire d'aubes contiguës par accouplement du tenon s'étendant latéralement et d'un trou latéral correspondant ménagé dans l'aube;

- chaque tenon étant fixé au trou latéral respec-

tif avec une force permettant d'établir une configuration aérodynamique optimum de la série d'aubes lorsque le fluide

élastique passe par un état transonique au droit des extré-

mités radiales extérieure de la série d'aubes.

10.Etage selon la revendication 9, caractérisé en ce que chaque aube (42) est soumis à une surtorsion pour compenser la détorsion due aux forces de rotation agissant sur une aube équivalente ne comportant pas lesdites coiffes (44) de manière à obtenir la forme générale aérodynamique optimum.

11. Etage selon la revendication 1, caractérisé en

ce que les bords d'aubes (32) contiguës définissent un pas-

sage entre les aubes pour le passage d'un fluide élastique, ce passage ayant une aire d'écoulement qui est minimum entre son entrée et sa sortie, cette aire minimum s'étendant entre

l'extrémité et un emplacement prédéterminé situé entre l'ex-

trémité et le pied de l'aube.

12. Etage selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comprend un dispositif de liaison d'aubes, o des aubes contiguës de la série d'aubes fournissent des faces aérodynamiques contiguës opposées, chaque face présentant un

bossage ayant une patte s'étendant à partir de lui, le dis-

positif de liaison comportant un manchon interposé entre chaque paire de faces et monté sur chaque paire de pattes

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opposées o le bord extérieur du manchon définit une surface aérodynamique permettant de réduire les forces imposées au

manchon par le fluide élastique.