Brevet FR2037171A1 — publié le 19701231

L'invention concerne une disposition de séparation de l'eau dans les conduites de vapeur de turbines à vapeur saturée ou humide, en particulier de turbines de centrales nucléaires. Il est connu, dans la technique de dépoussirage des gaz, d'utiliser des cyclones axiaux qui, au moyen de roues a torsion, donnent à l'écoulement gazeux un mouvement de rotation en forme d'hélice afin que les poussières soient entrainées, du fait de leur masse, vers l'extérieur, contre les parois du cyclone où elles peuvent zetre prises dans une chambre annulaire et en etre extraites par des orifices d'aspiration. L'invention utilise ce principe de séparation, mais la séparation de l'eau d'un écoulement de vapeur humide présente des difficultés particulières du fait que les gouttes d'eau se trouvent dans l'écoulement de vapeur sous la forme de brouillards très fins. Pour que la force centrifuge soit en mesure de transporter ces gouttelettes de faible masse contre la paroi radiale ex têrieùre du cyclone, on devrait soit prévoir un cyclone de très grande longueur axiale, ce que ne permettrait pas le manque de place, soit le faire parcourir à une très grande vitesse, ce qui conduirait à de grandes pertes de pression. De plus, l'eau centrifugée contre la paroi du tube n'est pas appliquée le long de celle-ci en un film d'épaisseur uniforme, mais sous la forme de tratnées ou filets de diverses épaisseurs. Aussi est-il difficile d'extraire toute l'eau et d'entratner le moins possible de gaz ou de vapeur. Si l'on prévoit pour cette extraction des fentes annulaires dont la largeur devrait s'aligner sur la plus grande épaisseur d'un tel filet d'eau, il en résulte une trop grande perte de vapeur et, par suite, aussi une très grande perte d'énergie. Ces inconvénients sont supprimés, conformément à l'invention, si l'on pré-voit un faisceau de tubes à axes parallèles dans chacun desquels on dispose, pour produire une rotation de l'écoulement, un tube moyeu coaxial avec, à l'entrée, une roue à aubes à torsion dont le pas de torsion est tel que l'on évite juste le décollage du moyeu, et, à la sortie; une roue à torsion arrière, et si l'on dispose, devant le faisceau de tubes, un agglomérateur constitué par un paquet de tamis à mailles serrées. Afin de pouvoir réaliser un agglomérateur à grande surface, en vue de réduire les pertes de pression, on le dispose dans le plan médian d'un raccord à 900. Pour obtenir un bon effet de séparation d'eau, on peut, suivant une autre caractéristique de l'invention, prévoir, dans la section des tubes du faisceau de tubes qui se trouve à l'arrière dans le sens de licoulement - et en avant de la roue à torsion arrière,des guides répartis sur les parois des tubes de manière uniforme sur la circonférence. Ces guides sont de préférence disposés à angle aigu par rapport à la direction d'écoulementdans le tube cyclone. Il est, de plus, avantageux de leur donner une forme en dents de scie. On peut utilement prévoir, dans les parois des~tubés, des ouvertures d'aspiration d'eau dans la région des extrémités des guides qui se trouvent en aval. Pour amener également sur la paroi exterieure, liteau qui arrive sur le tube moyeu, on dispose, sur le premier tiers de celui-ci, une bague de projection à forme conique à diamètre progressant dans le sens de l'écoulement. Pour aspirer les gouttes- d'eau qui ne sont centrifugées sur les parois des tubes que dans la région des guides; on prévoit; sur l'enveloppe des tubes, des fentes étroites disposées en quinconce, s'étendant en direction circonférentielle, en aval des guides et de leurs ouvertures d'aspiration d'eau. Ces fentes enlèvent une quantité importante de vapeur car leur hauteur doit s'aligner sur la plus grande épaisseur possible d'un filet d'eau. Même, si, après avoir separé cette vapeur de l'eau entraînée avec elle, on la ramène dans le circuit en aval de quelques étages de turbine une certaine chute de pression est nécessaire pour obtenir cette veine de vapeur on doit cependant tenir compte d'une perte d'énergie importante du fait qu'on a sauté ces étagea, L'invention prévoit d'éviter cette perte d'énergie en disposant à l'extrémité aval des tubes, pour l'extraction de l'eau, une chambre annulaire entourant le tube, à laquelle le mélange eau-vapeur est amené par une fente annulaire et qui est reliée à l'espace d'écoulement en hélice par des orifices de retour de vapeur. On peut avantageusement prévoir une chambre commune d'extrac- tion d'eau pour le faisceau de tubes. Dans chacun de ces orifices on peut insérer un tronçon de tube reliant la chambré à l'enveloppe extérieure des tubes à torsion, ou un tube allant jusqu'au tube moyeu et aluni d'une ouverture de sortie sur le c & é tourné vers l'écoulement. En se référant aux figures schématiques ci-jointes, on va décrire des exemples de mise en oeuvre de l'invention. La Fig. 1 montre une vue schématique en coupe d'une conduite de vapeur munie d'un dispositif de séparation conforme à l'invention. La Fig. 2 représente une coupe transversale du faisceau de tubes. La Fig. 3 montre un.prosier exemple de tube de faisceau. La Fig. 4 fat voir une portion du développement d'un segment arrière d'un tube. La Fig. 5 montre un deuxième exemple de tube du-faisceau, et la Fig. 6 en représente une portion. dans un autre exemple. Suivant la Fig. I > la conduite de vapeur 1, dont le sens de parcours est indiqué par les flèches, présente dans sa section médiane un faisceau 2 de tu bes 3 constitué par des tubes 3 à axes parallèles. Comme on peut le voir sur la Fig. 2, on peut, par exemple, prévoir sept tubes 3 de même grosseur ; de vant le faisceau 2, on dispose, dans la dans la conduite 1, un agglomérateur 4 formé par un paquet de tamis à mailles fines. Suivant la Fig. 2, chaque tube 3a un tube moyeu 6 qui le traverse, avec une roue à aubes à torsion fixée à l'entrée et une roue à torsion arrière 8 à la sortie. Ta roue 7 imprime à l'écoulement de vapeur une rotation d'où il résulte l'écoulement en hélice suivant la ligne~9. 10 représente la bague de projection de forme conique. Sur la Fig. 4 on voit des guides 11 et des ouvertures d'aspiration d'eau 12 sur une enveloppe. développée du tube 3 . Les guides 11 sont placés à angle aigu, de préférence d'environ 15 , par rapport à la direction de l'écoulement de vapeur et d'eau 13, et ils forment dans leur ensemble une sorte de ligne en dents de scie. 14 représente les fentes étroites s'étendant en direction circonférentielle, oui sont disposées en quinconce et à recouvrement. La vapeur humide s'écoulant dans la conduite I se trouve sous la forme d'une vapeur saturée avec des gouttes de brouillard finement divisées. Ces fines gouttes sont recueillies sur les grilles de l'agglomérateur 4 et elles ne sont à nouveau arrachées par la vapeur que lorscJu'elles ont atteint une certaine dimension. L'agglomérateur 4 doit présenter la plus grande surface possible pour autre efficace et entraîner une faible perte de pression. Pour cela, il est disposé dans le plan médian d'un raccord à 909 de la conduite de vapeur. Les gouttes d'eau ainsi grossies arrivent avec la vapeur dans le faisceau axial de tubes de cyclone 2, où elles sont pressées par la force centrifuge contre les parois des tubes dans lesquels a lieu Itécoulement èn hélice et s'écoulent le long des parois-conduits des tubes suivant des filets d'eau héli coYdau. A l'extrémité arrière des tubes 3, ces filets sont captés par lec guides Il et conduits suivant des trajectoires définies au- ouvertures d'aspiration 12. Comme l'atteinte du but Doursuivi, à savoir : centrifuger contre le tube extérieur toutes les gouttes d'eau présentes dans un cyclone axial, suppose un rapport déterminé entre la lonúur et le diamètre extérieur du cyclone, il est avantageux de diviseur le courant de vapeur en plusieurs cyclones élémnn- taies réunis en un faisceau. I1 est favorable à l'action de séparation du cyclone asiel d'avoir un grand rapport entre le diamètre du moyeu et le diamètre extrieur. La nécessité de bien utiliser une section déterminée pour l'coulempnt et. de ne pas trop augmenter les pertes de frottement sur les parois, fite à ce rapport une limite pratique de 0,7 à 0,8. Le pas de torsion de la roue à torsion doit titre tel que l'on évite le décollement du moyeu. L'étendue du tube moyeu sur toute la longueur évite aussi un décollement du moyeu qui aurait pour conséquence un flux secondaire et un transport des gouttes d'eau sur le rayon interne. En outre, des recherches ont montré que les pertes de frottement supplémentaires sur le tube moyeu sont plus faibles que les pertes causées par le flux secondaire en l'absence du tube moyeu. Une-troisième raison pour avoir un tube moyeu s'étendant sur toute la longueur consiste en ce que l'on évite d'enfermer des volumes de vapeur dans le cyclone axial et que l'on peut ainsi assurer la sécurité de la mise hors service du groupe turbo-alternateur sans soupapes de dérivation après le séparateur d'eau. Pour réduire les pertes par chocs à la sortie des sections annulaires des divers cyclones axiaux dans le raccord commun de changement de direction, il est judicieux de réduire le tube moyeu après la roue à torsion arrière. L'avantage des guides 11 consiste en ce qu'ils rassemblent l'eau arrivant sur la paroi extérieure des tubes et qu'ils la conduisent par des trajectoires définies à des ouvertures d'aspiration 12 relativement petites. Ainsi, on éli- mine la nécessité de prévoir une large fente annulaire s'étendant sur tout le pourtour du tube extérieur.pour capter les plus grandes tratnées dteau qui peuvent se former en l'absence de guides, ce qui entratnerait une aspiration inutile de beaucoup de vapeur. Comme, entre les guides 11, il peut se former encore un mince film d'etu-* partir des gouttes qui ne aonts s centrifugées que dans cette région et de t l'eau qui franchit les guides, et que ce film doit titre éliminé, on prévoit les fentes étroites 14 s'étendant dans la direction circonférentielle et se recouvrant. Pour conduire également l'eau atteignant le tube moyeu 6 sur la paroi tubulaire extérieure, on enfile la bague de projection conique 10 dans le premier tiers, en direction axiale,du du tube moyeu. L'eau se rassemble dans l'anneau de tourbillon forme à l'arrière de la bague 10 et retombe sous l'effet de la gra vité, en l'absence d'une autre force d'entratnement, dans ltécoulement où la force centrifuge la porte sur la paroi interne du tube 3. Dans l'exemple de la Fig. 5, on a prévu à l'extrémité aval dru tube 3, en rentrant l'enveloppe tubulaire, une fente annulaire 16 qui permet à l'eau d'atteindre, avec une partie de la vapeur, une chambre 15. Dans des trous 17 on insère, suivant la Fig. 5, des tronçons de tubes 18 qui relie,tlachambre 15 à la région radialement extérieure de l'espace à écoulement en hélice. 19 représente un conduit d'extraction d'eau dans lequel on évite, par exemple à l'aide d'un tube en U, l'extraction simultanée de vapeur. Dans l'exemple de la Fig. 6, un tube 20 inséré dans le trou 17 s'étend jusqu'au tube moyeu 6 et présente une ouverture de sortie 21 sur le cote- tourné vers l'écoulement. La direction de l'écoulement de vapeur, à travers la fente annulaire 16, dans la chambre 15 et, à travers le tube 20, dans l'espace d'écoulement en hélice,est figurée par la ligne 22. Comme on l'a déjà dit, lteau centrifugée sur la paroi tubulaire suit des tramées ou filets. La fente annulaire 16 permet à cette eau d'atteindre la chambre 15, en même temps que de la vapeur. Si l'on s'arrange-pour que le conduit 19 évacue seulement de l'eaux il règne dans la chambre 15 une pression à la hauteur de la pression dynamique de l'écoulement qui correspond à la v4- tesse à proximité de la paroi.Si la chambre 15 est reliée, par un trou 17 dans le tube-enveloppe 3, avec la région radialement extérieure de l'espace à écoulement en hélice, la différence de pression entre la pression dynamique dans la chambre et la pression statique à la paroi tubulaire extérieure, maintient un flux de vapeur à travers la chambre 15 qui suffit pour transporter dans la chambre 15 le film d'eau se trouvant à la paroi tubulaire exterieure. Le tronçon de tube 18 évite le retour d'eau, avec la vapeur, dans le tube 3. Les tubes 20 de la Fig. 6 causent certes une perte de charge, mais la disposition adoptée crée une différence de pression accrue du fait que la pression statique dans le tube 3 diminue vers le centre à cause de l'úilibre de pression radial. Cette différence accrue de pression augmente la vitesse d'écoulement dans la fente annulaire 16 et dans la chambre 15, ce qui ameliore encore l'effet de séparation d'eau. Les tubes 20 prolongés jusqu'au tube moyeu 6 peuvent avantageusement servir à soutenir le tube moyeu 6, en particulier si a roue 8 à la sortie du tube est supprimée à des fins de meilleur melange de l'écoulement après les tubes cyclones. Comme les tubes 3 sont réunis en faisceau, il est possible de prévoir une chambre unique pour l'extraction de l'eau. Des mesures ont montré les avantages de l'invention, qui permet d'obtenir un très bon effet de séparation d'eau avec de très faibles pertes de vapeur et de pression. L'agglomérateur accrott le diamètre des gouttelettes et la longueur axiale du faisceau de tubes 2 peut être très courte. Revendications 1.- Disposition de séparation d'eau dans les conduites de vapeur de turbines à vapeur fonctionnant avec une vapeur saturée ou une vapeur humide, en particulier de turbines de centrales nucléaires, caractériséeen ce que l'on prévoit un faisceau de tubes à axes parallèles, dans chacun desquels on dispose se, pour produire une rotation de l'écoulement, un tube moyeu coaxial avec, à l'entrée, une roue à aubes à torsion dont le pas de torsion est tel que l'on évite juste le décollage du moyeu, et, à la sortie, une roue à torsion arriere, et en ce qu'on dispose, devant le faisceau de tubes, un agglomérateur constitué par un paquet de tamis à mailles serrées. 2.- Disposition suivant la revendication 1, caractérisée en ce que l'agglo- mérateur est placé dans le plan médian d'un raccord à 900 de la conduite de vapeur. 3.- Dispositdon suivant la revendication 1, caractérisée en ce que l'on installe > dans la section des tubes qui se-trouve en aval, avant la roue à torsion arrière, des guides répartis sur les parois des tubes de manière uniforme sur la circonférence. 4.- Disposition suivant la revendication 3, caractérisée en ce que les guides présentent un angle aigu par rapport à la direction de l'écoulement dans le tube cyclone. 5.- Disposition suivant l'une des revendications 3 et 4, caractérisée en c nue les guides sont placés en dents de scie. 6.- Disposition suivant l'une des revendications 1 et 3, caractérisée en ce eue l'on prévoit, dans les parois dos tubes, des ouvertures d'aspiration d'eau dans la région des e trémités aval des guides. 7.- Disposition suivant la revendication 1, caractérisée en ce qu'une bague de projection à forme conique à diamètre progressant dans le sens de 'écoulement est placée sur le premier tiers du tube moyeu. 8.- Disposition suivant l'une des revendications 1, 3 et 6, caractérisée en ce que l'on olace sur l'enveloppe des tubes,des fentes étroites d'aspiration dlCRU en nuiconce, s'étendant en direction circonférentielle, en aval des guides et de leurs ouvertures d'aspiration d'eau. 9.- Disposition suivant la revendication 1, caractérisoe en ce qu'on prévoit, à l'extrémité aval des tubes, pour l'extraction de l'eau, une chambre annulaire entourant le tube, à laquelle 1 mélange eau-vapeur est amené par une fente annulaire et qui est reliée à l'espace d'écoulement en hélice par des orifices de retour de vapeur. 10.- Disposition suivant la revendication 9, caractérisée en ce que l'on prévoit une chambre commune d'extraction d'eau pour le faisceau de tubes. 11.- Disposition suivant l'une des revendications 9 et 10, caractérisée en ce que, dans chacun de ces orifices, on insère un tronçon de tube reliant la chambre à l'enveloppe extérieure des tubes du faisceau. 12.- Disposition suivant l'une des revendications 9 et 10, caractérisée en ce que, dans chacun de ces orifices, on insère un tube allant jusqu'au tube moyeu, et présentant une ouverture de sortie sur le ctté tourné vers l'écoulement.