FR2969692A1

FR2969692A1 - Turbine comportant une bache d'echappement

Info

Publication number: FR2969692A1
Application number: FR1162228A
Authority: FR
Inventors: Chaitanya Venkata Rama Krishna Ongole; Subhrajit Dey; Dale William Ladoon; Maniselcaran Sunthanakrishnan; Hiteshkumar Rameshchandra Mistry
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 2010-12-23
Filing date: 2011-12-21
Publication date: 2012-06-29
Also published as: DE102011056638A1; US20120163969A1; RU2011152290A; JP2012132455A

Abstract

Turbine (100) comportant une enveloppe intérieure (106), un rotor (108) s'étendant dans une direction longitudinale (AA) de la turbine (100) et une pluralité de rangées d'ailettes (112) disposées transversalement sur le rotor (108). Un cône d'appui (120) couvre une partie du rotor (108) et un guide d'écoulement (118) s'étend depuis l'enveloppe intérieure (106). Le cône d'appui (120) et le guide d'écoulement (118) définissent un passage annulaire (116) pour l'écoulement de gaz d'échappement. Un élément de guidage d'écoulement est utilisé pour faciliter l'écoulement des gaz d'échappement. L'élément de guidage d'écoulement consiste en un élément tel qu'un capot de guidage (124) à surface profilée (130) situé vers l'aval du guide d'écoulement (118).

Description

B11-5719FR 1 Turbine comportant une bâche d'échappement La présente invention concerne les turbines à vapeur. Plus spécifiquement, la présente invention concerne des formes de réalisation destinées à permettre une amélioration des performances de la bâche d'échappement dans une turbine à vapeur. Les turbines à vapeur sont très couramment utilisées pour produire de l'électricité et comportent principalement une enveloppe, un rotor s'étendant suivant un axe longitudinal de la turbine à vapeur, et une pluralité de rangées d'ailettes disposées transversalement sur le rotor. Pendant le fonctionnement, des gaz d'échappement quittent une dernière rangée d'ailettes et empruntent un passage annulaire. Ordinairement, le passage annulaire est défini par un guide de vapeur qui s'étend depuis l'enveloppe et par un cône d'appui qui entoure une partie du rotor. En fonction des diverses configurations de la turbine à vapeur, le passage annulaire sert de bâche d'échappement pour diffuser les gaz d'échappement et diriger les gaz d'échappement vers un condenseur. Dans une configuration à hotte d'échappement vers le bas, les gaz d'échappement doivent tourner de 180 degrés après avoir quitté le passage annulaire et avant d'atteindre le condenseur. En raison de la simultanéité de la diffusion et du virage dans le passage annulaire, les gaz d'échappement à grande vitesse subissent des turbulences et/ou un décollement d'écoulement sur les parois du passage annulaire. Cela conduit à la formation de tourbillons, réduit la récupération de pression dans le passage annulaire et affecte les performances globales de la turbine à vapeur.

Diverses solutions selon la technique antérieure ont été proposées pour améliorer la récupération de pression dans une bâche d'échappement vers le bas. Par exemple, une série d'aubes directrices réglables peuvent être installées sur le cône d'appui afin de guider les gaz d'échappement. Les aubes directrices réglables modifient la section transversale du passage annulaire et améliorent la récupération de pression dans le passage annulaire. Cependant, les modifications de géométrie aboutissent à une construction complexe et irrégulière des bâches d'échappement.

A la lumière des considérations ci-dessus, il existe un besoin pour une bâche d'échappement perfectionnée. Selon une première forme de réalisation de la présente invention, une turbine comporte une enveloppe extérieure entourant une enveloppe intérieure, un rotor contenu dans l'enveloppe intérieure qui s'étend suivant un axe longitudinal de la turbine, et de multiples rangées d'ailettes disposées transversalement sur le rotor. La turbine comporte en outre un cône d'appui qui entoure une partie du rotor et un guide d'écoulement qui s'étend depuis l'enveloppe intérieure de façon qu'un passage annulaire pour l'écoulement des gaz d'échappement soit défini par le guide d'écoulement et le cône d'appui. Le cône d'appui et le guide d'écoulement forment respectivement une paroi intérieure et une paroi extérieure du passage annulaire. Un capot de guidage à surface profilée est disposé vers l'aval du guide d'écoulement.

Selon une autre forme de réalisation de la présente invention, la turbine comporte un ou plusieurs canaux d'injection de flux de fuite d'extrémité qui injectent les gaz d'échappement sur la surface intérieure du guide d'écoulement. Les canaux d'injection permettent d'activer l'écoulement des gaz d'échappement dans le passage annulaire et d'empêcher une séparation de la couche limite sur la surface intérieure du guide d'écoulement. Selon une autre forme de réalisation de la présente invention, l'enveloppe de la turbine entourant les ailettes du dernier étage est inclinée par rapport à l'axe longitudinal de la turbine. L'angle d'inclinaison peut être d'environ 5 degrés à 15 degrés par rapport à l'axe longitudinal. Dans encore une autre forme de réalisation de la présente invention, une première partie du passage annulaire comprend une section sensiblement constante et une seconde partie du passage annulaire comprend une section progressivement croissante. L'invention sera mieux comprise à l'étude de la description détaillée de quelques modes de réalisation pris à titre d'exemples non limitatifs et illustrés par les dessins annexés sur lesquels : - la figure 1 est une vue en coupe longitudinale d'une partie d'une turbine à bâche d'échappement à écoulement vers le bas selon une forme de réalisation de la présente invention ; - la figure 2 est une vue en coupe longitudinale d'une partie d'une turbine à bâche d'échappement à écoulement vers le bas selon une autre forme de réalisation de la présente invention ; - la figure 3 est une vue en coupe longitudinale d'une partie d'une turbine à bâche d'échappement à écoulement vers le bas selon encore une autre forme de réalisation de la présente invention ; - la figure 4 est une vue en coupe longitudinale d'une partie d'une turbine à bâche d'échappement à écoulement vers le bas selon encore une autre forme de réalisation de la présente invention ; et - la figure 5 est une vue en coupe longitudinale d'une partie d'une turbine à bâche d'échappement à écoulement vers le bas selon encore une autre forme de réalisation de la présente invention.

Des exemples de formes de réalisation de l'invention vont maintenant être décrits plus en détail en référence aux dessins annexés. L'invention peut être mise en oeuvre sous de nombreuses formes différentes et ne doit pas être interprétée comme se limitant aux formes de réalisation présentées ici. Les mêmes repères désignent des éléments identiques sur toutes les figures. Les formes de réalisation présentées ici permettent le guidage de gaz d'échappement dans une configuration de turbine à bâche d'échappement vers le bas.

Passant maintenant aux dessins, et considérant pour commencer la figure 1, il y est représenté un exemple de forme de réalisation selon certains aspects de la présente invention. La figure 1 est une vue longitudinale en coupe d'une partie d'une turbine 100 à bâche d'échappement 102 à écoulement vers le bas. Dans une forme de réalisation de la présente invention, la turbine 100 peut être une turbine à vapeur et les gaz d'échappement de celle-ci sont constitués par de la vapeur. Globalement, la turbine 100 comporte une enveloppe extérieure 104 et une enveloppe intérieure 106 de telle sorte que l'enveloppe extérieure 104 contienne l'enveloppe intérieure 106. Un rotor 108 est contenu dans l'enveloppe intérieure 106 et s'étend suivant l'axe longitudinal AA' de la turbine 100. L'enveloppe intérieure 106 et le rotor 108 définissent un trajet d'écoulement 110 pour un fluide de travail de façon que le fluide de travail passe d'une zone à haute pression à une zone à basse pression dans la turbine 100. Par ailleurs, de multiples ailettes 112 sont disposées transversalement par rapport à l'axe longitudinal AA' et sont montées mécaniquement sur le rotor 108. Plus spécifiquement, les ailettes 112 sont disposées en multiples rangées réparties sur le pourtour du rotor 108. De plus, une pluralité de distributeurs 114 peuvent s'étendre depuis l'enveloppe intérieure 106 afin d'entourer dans la direction circonférentielle le rotor 108 et sont disposés axialement entre les rangées adjacentes d'ailettes 112. Les ailettes 112 et les distributeurs 114 coopèrent les uns avec les autres et forment de multiples étages de turbine, en définissant ainsi une partie du trajet d'écoulement 110 menant à la bâche d'échappement 102. La bâche d'échappement 102 peut comprendre un passage annulaire 116, afin que les gaz d'échappement quittant la dernière rangée d'ailettes 112 soient amenés à diffuser dans le passage annulaire 116. Dans une forme de réalisation de la présente invention, le passage annulaire 116 est défini par un guide d'écoulement 118 et un cône d'appui 120, le guide d'écoulement 118 et le cône d'appui 120 pouvant former respectivement la paroi extérieure et la paroi intérieure du passage annulaire 116. Comme illustré sur la figure 1, le guide d'écoulement 118 peut s'étendre depuis l'enveloppe intérieure 106. Par ailleurs, le cône d'appui 120 peut entourer une partie du rotor 108. Le guide d'écoulement 118 et le cône d'appui 120 s'étendent l'un et l'autre sur 360 degrés autour de l'axe longitudinal AA'. Selon une autre possibilité, le guide d'écoulement 118 et le cône d'appui 120 peuvent comprendre deux moitiés, une moitié supérieure et une moitié inférieure, réunies au niveau de brides situées longitudinalement dans un plan s'étendant depuis l'axe longitudinal AA'.

Dans une forme de réalisation de la présente invention, un capot de guidage 124 est installé vers l'aval du guide d'écoulement 118 (c'est-à-dire à un endroit tel que les gaz d'échappement passent sur le capot de guidage124 après avoir emprunté le passage annulaire 116 sur le trajet de gaz d'échappement vers une sortie 122 de la turbine 100). Dans une forme de réalisation de la présente invention, le capot de guidage 124 peut faire corps avec le guide d'écoulement 118. Dans une autre forme de réalisation de la présente invention, le capot de guidage 124 peut être une pièce séparée fixée au guide d'écoulement 118, par exemple par soudage, rivetage ou autre fixation. Dans une forme de réalisation de la présente invention, le capot de guidage 124 peut avoir la forme d'une pale profilée. Pendant le fonctionnement de la turbine 100, les gaz d'échappement tournent de plus de 180 degrés après avoir quitté le passage annulaire 116 et sont dirigés vers un condenseur (non représenté) via une sortie 122. En particulier dans une partie supérieure de la turbine 100, les gaz d'échappement sortent des ailettes 112 du dernier étage de la turbine dans une direction axiale sensiblement parallèle à l'axe longitudinal AA' de la turbine 100.

Ensuite, les gaz d'échappement tournent de près de 90 degrés dans une direction radiale dans le passage annulaire 116, comme illustré par une flèche 126. Dans le passage annulaire 116, les gaz d'échappement peuvent diffuser et provoquer une récupération de pression. Ensuite, les gaz d'échappement tournent à nouveau de 90 degrés sur le capot de guidage 124, comme illustré par une flèche 128. Enfin, le capot de guidage 124 amène les gaz d'échappement à tourner, vers le bas, en direction du condenseur. Le capot de guidage 124 peut avoir une surface sensiblement profilée 130. Au sens de la présente description, une "surface profilée" est une surface qui possède un profil permettant un écoulement régulier des gaz d'échappement après leur sortie du guide d'écoulement 118. Ainsi, la formation de tourbillons et de zones de recirculation dans la bâche d'échappement 102 pendant la négociation du virage illustrée par la flèche 128 est sensiblement réduite.

La figure 2 est une vue en coupe longitudinale d'une partie d'une turbine 100 à bâche d'échappement 102 à écoulement vers le bas, selon une autre forme de réalisation de la présente invention. Comme illustré sur la figure 2, le passage annulaire 116 peut avoir une première partie 202 de section sensiblement constante, suivie d'une seconde partie 204 de section progressivement croissante. Dans une forme de réalisation de la présente invention, le rayon de courbure du guide d'écoulement 118 dans la première partie 202 est sensiblement égal au rayon de courbure du cône d'appui 120, alors que, dans la seconde partie 204 du passage annulaire 116, le rayon de courbure du guide d'écoulement 118 est plus petit que le rayon de courbure du cône d'appui 120. Par conséquent, les gaz d'échappement tournent sans à-coup pour passer de la direction axiale à la direction radiale dans la première partie 202, puis diffusent dans la seconde partie 204 du passage annulaire 116. En permettant aux gaz d'échappement de tourner avec une diffusion minime ou nulle dans la première partie 202, suivie de la diffusion dans la seconde partie 204, le décollement d'écoulement dans le passage annulaire 16 est sensiblement réduit.

La figure 3 est une vue en coupe longitudinale d'une partie d'une turbine 100 à bâche d'échappement 102 à écoulement vers le bas selon encore une autre forme de réalisation de la présente invention. Un décollement d'écoulement peut encore survenir lorsque les gaz d'échappement subissent un ralentissement du fait des forces de frottement agissant sur la surface intérieure 302 du guide d'écoulement 118. De plus, les gaz d'échappement peuvent également rencontrer, dans le passage annulaire 116, un gradient de pression adverse plus fort que l'énergie cinétique des gaz d'échappement. Ces conditions ont pour effet une séparation de la couche limite sur la surface intérieure 302 du guide d'écoulement 118 et la formation de remous et de tourbillons. Par conséquent, la récupération de pression dans la bâche d'échappement 102 est amoindrie, ce qui réduit le rendement global de la turbine 100. La séparation de la couche limite des gaz d'échappement peut être sensiblement empêchée en injectant des gaz d'échappement à grande quantité de mouvement près de la surface intérieure 302. Cela active l'écoulement de couche limite et empêche le décollement de l'écoulement. Comme illustré sur la figure 3, un ou plusieurs canaux d'injection de flux de fuite d'extrémité, par exemple des tuyaux 304, sont conçus pour injecter un flux de gaz d'échappement à grande quantité de mouvement sur la surface intérieure 302 du guide d'écoulement 118. Selon une autre possibilité, les canaux d'injection de flux de fuite d'extrémité peuvent comprendre une ou plusieurs fentes ménagées dans le guide d'écoulement 118. Dans une forme de réalisation de la présente invention, les gaz d'échappement à grande quantité de mouvement sont injectés au niveau d'une partie formant épaulement 306 du guide d'écoulement 118. Dans une forme de réalisation, les gaz d'échappement à grande quantité de mouvement proviennent d'une dérivation d'écoulement des gaz d'échappement depuis divers étages de la turbine, ce qui ne détériore pas directement le rendement de la turbine. Comme décrit plus haut, la turbine 100 comporte des ailettes 112 qui peuvent être montées mécaniquement sur le rotor 108 et sont disposées dans la direction circonférentielle autour d'un axe longitudinal AA' de la turbine 100 afin de former de multiples étages de turbine ainsi qu'une série de distributeurs fixes 114. Les multiples étages de turbine sont disposés axialement sur le rotor 108 avec un intervalle axial prédéterminé entre n'importe lesquels des étages de turbine successifs. Par ailleurs, comme illustré sur la figure 4, un intervalle radial optimal Cl est ordinairement ménagé entre le bout 402 de l'ailette 112 et l'enveloppe intérieure 106. Dans des formes de réalisation selon la technique antérieure, l'intervalle radial optimal Cl est sensiblement égal à un intervalle de base, lequel est de 0,3% à 0,6% de la longueur de l'ailette pour un étage de turbine donné. D'après des résultats expérimentaux et une analyse pour l'intervalle radial optimal Cl, on observe qu'un point de décollement d'écoulement peut apparaître au niveau de la partie formant épaulement 404 du guide d'écoulement 118. Dans une forme de réalisation de la présente invention, un intervalle radial optimal C2 est ménagé entre le bout 402' de l'ailette 112 et l'enveloppe intérieure 106. L'intervalle radial optimal C2 est augmenté, pour exciter l'écoulement de couche limite au niveau de la partie formant épaulement 404 du guide d'écoulement 118. Selon la présente invention, cela facilite l'écoulement des gaz d'échappement dans le passage annulaire 116 et améliore la récupération de pression à partir des gaz d'échappement, ce qui accroît le rendement global de la turbine 100. Dans une forme de réalisation de la présente invention, dans laquelle l'intervalle radial optimal C2 est augmenté d'environ 8% à 15% par rapport à l'intervalle radial optimal Cl et le canal d'injection de flux de fuite d'extrémité de la figure 3 est utilisé, on obtient une augmentation d'environ 18% du rendement global de la turbine 100. La figure 5 est une vue en coupe longitudinale d'une partie d'une turbine 100 à bâche d'échappement 102 à écoulement vers le bas selon encore une autre forme de réalisation de la présente invention. La figure 5 montre les ailettes 112 de dernier étage de turbine. Dans cette forme de réalisation de la présente invention, une partie de l'enveloppe intérieure 106 pour les ailettes 112 du dernier étage de turbine est inclinée par rapport à l'axe longitudinal AA' de la turbine 100. Cela réduit le rayon de courbure du guide d'écoulement 118, ce qui peut réduire ensuite d'environ 305 à 310 mm (1 à 2 pieds) l'encombrement axial global de la turbine, comme représenté par un trait discontinu. La réduction de l'encombrement axial peut abaisser le coût des matériaux et de la fabrication de la bâche d'échappement 102 de la turbine 100. En outre, la réduction de l'encombrement axial peut réduire le poids global de la turbine 100. Dans une forme plus spécifique de réalisation de la présente invention, un angle a d'inclinaison de l'enveloppe intérieure 106 pour les ailettes 112 du dernier étage de la turbine est d'environ 5 à 15 degrés par rapport à l'axe longitudinal AA' de la turbine 100. Dans une forme de réalisation encore plus spécifique de la présente invention, l'angle a d'inclinaison peut être d'environ 6 à Io degrés par rapport à l'axe longitudinal AA' de la turbine 100.

Liste des repères Turbine 100 Bâche d'échappement à écoulement vers le bas 102 Enveloppe extérieure 104 Enveloppe intérieure 106 Rotor 108 Trajet d'écoulement 110 Ailettes 112 Distributeurs 114 Passage annulaire 116 Guide d'écoulement 118 Cône d'appui 120 Sortie 122 Capot de guidage 124 Flèche de direction d'écoulement 126 Flèche de direction d'écoulement 128 Surface profilée 130 Première partie du passage annulaire 202 Seconde partie du passage annulaire 204 Surface intérieure 302 Canaux d'injection 304 Partie formant épaulement 306 Bout 402 Partie formant épaulement 404

Claims

REVENDICATIONS1. Turbine (100) comportant : une enveloppe extérieure (104) ; une enveloppe intérieure (106) contenue dans l'enveloppe extérieure (104) ; un rotor (108) contenu dans l'enveloppe intérieure (106) et s'étendant suivant l'axe longitudinal (AA') de la turbine (100) ; une pluralité de rangées d'ailettes (112) disposées transversalement sur le rotor (108) ; un cône d'appui (120) entourant au moins une partie du rotor (108) ; un guide d'écoulement (118) s'étendant depuis l'enveloppe intérieure (106) ; un passage annulaire (116) pour l'écoulement de gaz d'échappement, défini par le guide d'écoulement (118) et le cône d'appui (120), le cône d'appui (120) et le guide d'écoulement (118) formant respectivement une paroi intérieure et une paroi extérieure du passage annulaire (116) ; et un capot de guidage (124) à surface profilée (130) disposé vers l'aval du guide d'écoulement (118).
2. Turbine (100) selon la revendication 1, dans laquelle le capot de guidage (124) a la forme d'une pale profilée.
3. Turbine (100) comportant : une enveloppe extérieure (104) ; une enveloppe intérieure (106) contenue dans l'enveloppe extérieure (104) ; un rotor (108) contenu dans l'enveloppe intérieure (106) et s'étendant suivant un axe longitudinal (AA') de la turbine (100) ; une pluralité de rangées d'ailettes (112) disposées transversalement sur le rotor (108) ; un cône d'appui (120) entourant au moins une partie du rotor (108) ; un guide d'écoulement (118) s'étendant depuis l'enveloppe intérieure (106) ; un passage annulaire (116) pour l'écoulement de gaz d'échappement, défini par le guide d'écoulement (118) et le cône d'appui (120), le cône d'appui (120) et le guide d'écoulement (118) formant respectivement une paroi intérieure et une paroi extérieure du passage annulaire (116) ; et au moins un canal d'injection (304) de flux de fuite d'extrémité conçu pour injecter un flux de gaz d'échappement sur la surface intérieure (302) du guide d'écoulement (118) pour empêcher une séparation de couche limite des gaz d'échappement sur la surface intérieure (302) du guide d'écoulement (118).
4. Turbine (100) selon la revendication 3, dans laquelle le ou les canaux d'injection (304) de flux de fuite d'extrémité sont constitués par au moins un tuyau (304).
5. Turbine (100) selon la revendication 3, dans laquelle le ou les canaux d'injection (304) de flux de fuite d'extrémité comportent au moins une fente dans le guide d'écoulement (118).
6. Turbine (100) selon la revendication 3, dans laquelle une ou plusieurs rangées d'ailettes (112) sont disposées avec un intervalle radial optimal par rapport à l'enveloppe intérieure (106) afin d'activer l'écoulement de gaz d'échappement dans le passage annulaire (116), l'intervalle radial optimal étant augmenté d'environ 8% à 15% par rapport à un intervalle de base.
7. Turbine (100), comportant : un rotor (108) s'étendant suivant l'axe longitudinal (AA') de la turbine (100) ; une pluralité de rangées d'ailettes (112) disposées transversalement sur le rotor (108) ; une enveloppe (106) destinée à entourer la pluralité de rangées d'ailettes (112) ; et une partie de l'enveloppe (106) pour une dernière rangée d'ailettes (112) étant inclinée suivant un angle (a) de 5 à 15 degrés par rapport à l'axe longitudinal (AA').
8. Turbine (100) comportant : une enveloppe extérieure (104) ; une enveloppe intérieure (106) contenue dans l'enveloppe extérieure (104) ; un rotor (108) contenu dans l'enveloppe intérieure (106) et s'étendant suivant l'axe longitudinal (AA') de la turbine (100) ; une pluralité de rangées d'ailettes (112) disposées transversalement sur le rotor (108) ; un cône d'appui (120) entourant au moins une partie du rotor (108) ; un guide d'écoulement (118) s'étendant depuis l'enveloppe intérieure (106) ; et un passage annulaire (116) pour l'écoulement de gaz d'échappement, défini par le guide d'écoulement (118) et le cône d'appui (120), le cône d'appui (120) et le guide d'écoulement (118) formant respectivement une paroi intérieure et une paroi extérieure du passage annulaire (116) ; une première partie (202) du passage annulaire (116) ayant une section sensiblement constante et une seconde partie (204) du passage annulaire (116) ayant une section progressivement croissante.
9. Turbine (100) selon la revendication 8, dans laquelle, dans la première partie (202), le rayon de courbure du guide d'écoulement (118) est sensiblement égal au rayon de courbure du cône d'appui (120).
10. Turbine (100) selon la revendication 8, dans laquelle, dans la seconde partie (204), le rayon de courbure du guide d'écoulement (118) est plus petit que le rayon de courbure du cône d'appui (120).