Brevet FR2001948A1 — publié le 19691003

La présente invention concerne un carter d'échappement pour turbomachines comportant un diffuseur axial avec canal annulaire et une pièce de déviation se terminant dans le sens radial. Dans les turbomachines thermiques, traversées axialement 5 par l'agent moteur, telles que les turbines à vapeur ou à gaz et les compresseurs, le diffuseur axial faisant suite à la dernière couronne d'aubes affecte une forme annulaire, contrairement à ce qu'il en est par exemple dans les turbines hydrauliques. Au cours du développement de turbomachines de grande puis-10 sance on a tendance à adopter une vitesse d'écoulement axial aussi élevée que possible, d'où, également des vitesses d'échappement de l'étage final toujours plus grandes. Afin de maintenir la perte à la sortie aussi faible que possible, il faut transformer autant que possible l'énergie cinétique de l'écoulement en éner-15 gie de pression. On connaît des diffuseurs annulaires longs, dont l'axe du canal s'étend longitudinalement, ou encore radialement, pour aboutir, en courbe ou en diagonale, à l'extérieur. Cette forme de réalisation présente généralement l'incon-20 vénient d'une grande longueur axiale qui est un multiple de la hauteur des aubes terminales. La longueur de construction de l'installation complète est ensuite augmentée du fait qu'on ne dispose d'aucune place pour rapporter le palier de l'arbre du rotor à proximité du dernier étage et qu'il faut par conséquent 25 le placer plus loin, ou installer un palier intérieur compliqué. la présente invention a pour but d'écarter ces inconvénients. A cette fin, selon l'invention, on construit un carter d'échappement du genre décrit au début de la description, et ce, de manière que la section de passage de 1*écoulement aille en 30 diminuant dans la zone de la pièce de déviation, un diffuseur radial étant prévu à la suite de cette pièceo Des exemples de réalisation de l'invention sont représentés sous une forme simplifiée par les dessins ci-joints, dans lesquels i 35 La figure 1 est une coupe longitudinale d'une partie du carter d'échappement d'un compresseur axial; La figure 2 est une coupe longitudinale d'une partie du carter d'échappement d'une turbine à vapeur basse pression et 69 03497 2 2001948 les figures 3 et 4» des parties détachées de la figure 2, à plus grande échelle. Sur toutes ces figures, chaque partie présente le même numéro de référence que celle qui lui correspond sur une autre» 5 Dans la figure 1, on reconnaît l'axe 1 de la machine et le dernier étage 11, avec une aube 12 visible. Du côté de l*é-chappement de l'étage terminal est disposé un diffuseur annulaire axial 13» A la suite de ce diffuseur, c'est-à-dire du côt© sortie de l'écoulement, est prévue une pièce de déviation 14, 10 qui se termine dans le sens radial. Dans la zone de la pièce 14s la section de passage de l'écoulement va en diminuant; la section transversale F^ est moindre que la section Pg* Un diffuseur-radial 15 est raccordé à la pièce 14» c'est-à-dire du côté de son extrémité de sortie se dirigeant dans le sens radial. L'an-15 gle d'ouverture Ck. ^ du diffuseur 13 est de 13°» ce qui correspond à un diffuseur à pente raide par rapport aux valeurs usuelles de 6 à 8°. Le diffuseur radial 15 présente des parois parallèles, perpendiculaires à l'axe de la machine. La pièce de déviation 14 est délimitée par des parois s'étendant sous forme de 20 cintres, auxquels se raccordent tangentiellement les parois du diffuseur axial et du diffuseur radial. En service, une partie notable de l'énergie cinétique de l'agent moteur quittant le dernier étage 11 par le diffuseur axial 13 se trouve transformée en énergie de pression entre les 25 sections de passage F.j et Fg. Malgré la pente du diffuseur, il n'y a pas rupture de l'écoulement, car le diffuseur est court et la section de passage de la pièce de déviation 14 qui lui fait suite, diminue entre Fg®'4' ^3* Dans le diffuseur radial 15 s'effectue encore une fois une transformation de l'énergie ciné-30 tique en énergie de pression entre les sections F^ et F^. En bout du diffuseur radial 15 est branchée une chambre collectrice de modèle connu, non représentée, dans laquelle l'écoulement n'a plus besoin d'aucun guidage, chambre qui peut être construite ad libitum» 35 Grâce aux dispositions selon l'invention, on réalisé un carter d'échappement de turbomachine axiale qui présente un effet de diffusion au moins égal à celui des dispositifs connus, tout en n'ayant qu'une longueur effective sensiblement inférieure, ce 69 03497 3 2001948 qui réduit considérablement la longueur totale de la machine. Plus le diffuseur axial présente un évasement prononcé, plus sa longueur axiale peut être courte. Des recherches ont montré que pour raccourcir sensiblement un diffuseur axial, il 5 faut lui donner un angle d'ouverture de 12° au moins, sans dépasser par contre, sans nécessité, 55°. On a constaté en outre que la section de passage dans la pièce de déviation doit aller en diminuant, de préférence de 5 à 15%. Les parois de cette pièce peuvent également comporter un ou plusieurs secteurs en 10 forme d'arc de cercle, ou être constituées par une ou plusieurs sections, s'étendant tangentiellement aux courbures en arcs imaginées. Dans le carter d'échappement d'un compresseur, représenté par la figure 1, l'étage terminal présente une hauteur d'aubes 15 n'atteignant que quelques centimètres. Les sections de l'écoulement sont donc si réduites qu'aucun élément auxiliaire, sous forme d'aubes directrices, n'est nécessaire pour guider l'écoulement dans et après la pièce de déviation. Dans les turbines à vapeur basse pression, la hauteur des aubes atteint par contre, 20 dans l'étage terminal, de 70 à 90 cm. La nécessité d'une construction de longueur axiale réduite devient ici particulièrement pressante et le diffuseur axial doit, en conséquence, être construit particulièrement raide, de sorte qu'il est nécessaire de prévoir des aubes directrices. 25 La figure 2 représente une partie de la coupe longitudi nale d'un carter d'échappement de turbine à vapeur basse pression à aubes directrices dans et après la pièce de déviation. Le repère 21 désigne l'étage terminal avec une aube motrice 22, tandis que 23 désigne le diffuseur axial, 24 la pièce de dévia-30 tion, et 25 le diffuseur radial. Le diffuseur axial présente un angle d'ouverture (A g ôLe 52°. Les parois de la pièce de déviation 24 sont rectilignes, tangentes à des lignes de forme cintrée imaginées. La comparaison avec la figure 1 montre immédiatement que le diffuseur axial 23> vu son angle d'ouverture plus 35 grand, est sensiblement plus court que le diffuseur axial 13, bien que la hauteur des aubes 22 soit supérieure à celle des aubes 12. Dans la pièce de déviation 24 et dans le diffuseur radial 69 03497 4 2001948 25 sont prévues quatre aubes directrices 26 dont les parois sont sensiblement parallèles aux parois de la pièce de déviation et à celles du diffuseur radial. En bout de ce dernier, elles sont fixées sur sa paroi extérieure au moyen de supports cylindriques 5 27, en délimitant ainsi cinq canaux d'écoulement 28. Des recherches ont montré que, pour obtenir le libre passage de l'écoulement dans chacun des canaux 28, le long de la pièce de déviation et du diffuseur radial, il faut que soit remplie cette condition que le rapport de la différence entre le 10 rayon de l'extrémité de sortie de la partie radiale 125 du diffuseur et le rayon intérieur de l'extrémité d'entrée de la pièce de déviation 124, à la différence des rayons extérieur H. cl et intérieur de l'extrémité d'entrée de la pièce de déviation atteigne au moins 3, et de préférence au moins 4. On voit d'a- 15 près la figure 3, qui représente à une échelle double les deux aubes directrices 26 situées à,droite dans la figure 2, que le R — fî rapport mentionné : d i s'élève à 4,5. Gomme l'inclinaison H - a. a x de la paroi intérieure du diffuseur axial 23, sur l'axe 1 de la 20 machine, est de 3° dans l'exemple d'exécution représenté et reste en général constamment limitée, l'angle d'ouverture oî ^ nécessaire étant obtenu en premier lieu par une inclinaison correspondante de la paroi extérieure du diffuseur axial, il existe une interdépendance entre le rapport moyeu/roue du dernier étage 25 21 et le nombre nécessaire d'aubes directrices 26. Pour une hauteur d'aubes de 80 cm à l'un des étages terminaux, avec un rapport moyeu/roue de 0,5 à 0,6 on a, de préférence, quatre aubes directrices, si l'on veut que les rapports des dimensions indiqués précédemment entre les différents canaux de passage déter-30 minés par ces aubes soient observés. Dans la figure 1, où il y a des hauteurs d'aubes de quelques centimètres et, en conséquence, de petites sections de passage, les rapports de dimensions mentionnés pour le canal d'écoulement 18 qui traverse la pièce de déviation 14 et le diffuseur 35 radial 15 et qui est limité par les parois de ces pièces étant respectés, aucune aube directrice n'est nécessaire. Dans la figure 2 où se présentent des aubes de grande hauteur et des sections de passage de l'écoulement correspondantes, les conditions 69 03497 5 2001948 indiquées pour le canal passant par la pièce de déviation 24 et le diffuseur radial 25, qui est limité par les parois de ces pièces et n'a pas de repère, ne sont»pas observées et, pour qu'elles le soient, il faut prévoir des aubes directrices 26, 5 grâce auxquelles les conditions mentionnées pour les canaux d'écoulement 28 qu'elles déterminent sont remplies* Les parties cintrées des aubes directrices 26 affectent en principe la forme de parties de coquilles toriques. Cependant, la fabrication par emboutissage de telles pièces métalli-10 ques est difficile et possible seulement jusqu'à un certain diamètre limite, mais non pour lés dimensions qui sont atteintes dans les turbines à vapeur basse pression. De ce fait, les aubes directrices 26 affectent, suivant la figure 4, une forme polyédrique. On exécute facilement une aube de ce genre en assem-15 blant par soudure plusieurs flans de tôle simplement cintrés. 69 03497 6 2001948 REVENDICATIONS 1.- Carter d'échappement de turbomachine axiale à diffuseur axial avec canal annulaire et pièce de déviation se terminant radialement caractérisé en ce que, dans la zone de la pièce de 5 déviation, la section transversale de passage de l'écoulement va en diminuant, un diffuseur radial étant prévu à la suite de la pièce de déviation,, 2.- Carter d'échappement suivant la revendication 1, caractérisé en ce que l'angle d'ouverture du diffuseur exial est de 12° au 10 moins o 3.- Carter d'échappement suivant la revendication 2, caractérisé en ce que l'angle d'ouverture du diffuseur axial est au maximum 55°. 4.- Carter d'échappement suivant la revendication 1, caractérisé 15 en ce que la section de passage de l'écoulement va en diminuant dans le sens de l'écoulement, de 5 à 15 f°t à l'intérieur de la pièce de déviation» 5.- Carter d'échappement suivant la revendication 1, caractérisé en ce que sont prévues, s'étendant à travers la pièce de dévia- 20 tion et le diffuseur radial des aubes directrices sensiblement parallèles aux parois de ces pièces et qui délimitent des canaux d'écoulement distincts» 6.- Carter d'échappement suivant la revendication 1, caractérisé en ce que le canal d'écoulement, le long de la pièce de dévia- 25 tion et du diffuseur radial est délimité par les parois de ces pièces. 7.- Carter d'échappement suivant les revendications 5 ou 6, caractérise en ce que, à l'intérieur du canal d'écoulement ou des canaux, le rapport de la différence entre le rayon R^ de l'extré- 30 mité de sortie du diffuseur radial ou de la partie du diffuseur, et le rayon intérieur R. de l'extrémité d'entrée de la pièce de déviation ou de la partie de la pièce de déviation, à la différence entre les rayons extérieur R et intérieur R. de l'extré- E X mité de sortie de la pièce de déviation, ou de la partie de la 35 pièce de déviation, du canal d'écoulement correspondant est au minimum de 3> ou, de préférence, de 4« 8.- Carter d'échappement suivant la revendication 5, caractérisé en ce que les aubes directrices affectent, à l'intérieur de la 69 03497 7 2001948 pièce de déviation, la forme d'enveloppes polyédriques, dont des secteurs rectilignes s'étendent, dans le sens de la périphérie, tangentiellement aux pièces en coquilles toriques.»