Brevet FR2147776A1 — publié le 19730311

L'invention a pour objet de nouvelles dispositions de turw bines à vapeur pour les centrales nucléaires. On sait que les carat tOres prédominants des centrales nucléaires sont leur forte puissance et le niveau énergétique relativement bas de la vapeur qui y est mise en oeuvre. Ce dernier point surtout, est à l'origine des différences existant entre les turbines équipant les centrales nucléaires et celles équipant les centrales classiquesXou conventionnelles. En effet, dans les centrales classiques, la vapeur, fournie par la chaudière à charbon ou à gaz, est à une pression et à une température élevée.Par contre, les chaudières nucléaires fournissent une vapeur qui, suivant le type du réacteur nucléaire, peut avoir uae pression de 30 à 50 bars et une température de 200 à450o. De ce fait, alors que, dans les centrales classiques, la vapeur reste sèche pendant la plus grande partie de sa détente, puisqutelle n'atteint la saturation que dans les derniers étages basse-pression, dans les centrales nucléaires, en raison de la température modérée de la vapeur à l'admission, la plus grande partie de la détente polytropique s'effectue en régime biphasé. La présence d'veau dans le fluide moteur entraînant une baisse de rendemment et surtout une érosion des parties mécaniques, divers moyens sont mis en oeuvre pour extraire cette eau.On peut ainsi utiliser des drainages internes qui s'effectuent par centrifugation dans la turbine ellemême, mais il faut y ajouter des séparations externes qui s'effet tuent dans des appareils spécialisés tels que des sécheurs alimentés par de la vapeur prélevée à l'amont de la turbine. Alors que les drainages internes modifient la courbe représentative de la détente de vapeur de façon continue, les séparations externes introduisent de véritables coupures. On sait que, dans les turbines classiques, la vapeur se détend successivement dans des corps haute-pression, moyenne-pression et enfin basse-pression. Les pressions de coupures sont déterminées par des calculs d'optimisation, en fonction du rendement des différentes détentes et des limitations imposéesxpar les contraintes mécaniques en ce qui concerne les dimensions que l'on peut donner aux ailettes. En effet, les pertes dues aux effets dlextrémités et aux dispositifs d'étanchéité étant relativement plus faibles pour les grandes ailettes que pour les ailettes courtes, on a intérêt, en ce qui concerne le rendement à opérer le plus de détente possible dans le corps de pression supérieure.Cependant, comme les contraintes auxquelles sont soumis les ailettes dépendent de leur lon- gueur, celle-ci est fixée par des considérations mécaniques. Dans les turbines des centrales nucléaires, la chute enthalpique utilisable étant petite, les volumes de vapeur mis en jeu sont considérables, ce qui conduit à des sections d'échappement de plus en plus gigantesques qu'il faut subdiviser en un certain nombre de flux. La vapeur étant pratiquement saturée dès l'admission, la détente se fait généralement dans un corps haute-pression à flux unique et dans un corps basse-pression à plusieurs flux. Les calculs d'optimisation de la consommation calorifique permettent de fixer en fonction des autres paramètres et en particulier de la pression et de la température de la vapeur à l'admission haute-pression, la ou les pressions auxquelles doivent se faire les séchages intermédiaires de la vapeur. Généralement, on ne fait qu'une coupure de séchage, et, pour des raisons de commodité d'installation, on place l'appareillage de séchage entre les turbines haute et basse pression . On détermine donc la turbine basse-pression pour que la pression de la vapeur à l'entrée corresponde à la pression de séchage.Or, comme le corps basse-pression doit comporter un certain nombre de flux en raison du grand volume de vapeur mis en jeu, la pression de coupure ne doit pas dtre trop élevée pour que les premières ailettes basse-pression ne soient pas trop petibas Il est donc difficile de donner à la pression de coupure la valeur idéale. D'autre part, la chute enthalpique utilisée dans le corps basse-pression est relativement forte et les écarts de température importants entre l'admission et l'échappement risquent d'entrainer des déformations d'origine thermique du corps basse-pression. Pour remédier à ces inconvénients, l'invention a pour objet une nouvelle disposition de turbines à vapeur pour les centrales nucléaires dans lesquelles la vapeur subit une première détente dans des étages haute-pression à un flux, puis un séchage, et enfin une seconde détente dans des étages basse-pression. Conformdment à l'invention, les étages basse-pression se composent de deux parties séparées : Une première partie à un flux où s'effectue le début de la seconde détente dans les limites permises par la dimension des derniers aubages, et une deuxième partie à plusieurs flux où s' effectue la fin de la détente, la première partie à un flux étant intégrée dans un meme corps de turbine avec les étages haute-pression. L'invention va maintenant être décrite avec plus de détails dans le cas d'un exemple de réalisation non limitatif, en se référant aux dessins annexés. La fig. 1 représente le circuit vapeur simplifié d'une turbine de centrale nucléaire selon l'invention. La fig. 2 représente un diagramme de détente d'une turbine de centrale nucléaire. La fig. 3 représente en élévation et en coupe partielle, une structure de corps de turbine intégrant les premiers étages de détente de la vapeur selon l'invention. La fig. 4 et la fig. 5 représentent schématiquement deux variantes de réalisation du corps de turbine représenté fig. 3. Dans les circuits de centrales nucléaires classiques, la vapeur produite dans la chaudière nucléaire 1 se détend tout d'abord dans des étages haute-pression 2, est séchée dans un appareil de séchage 3 et finit de se détendre dans des étages basse-pression à plusieurs flux 4, le circuit classique étant représenté en trait mixte sur la fig. 1. La vapeur, qui s'échappe des étages basse-pres- sion a une pression faible, de l'ordre de 30 g:., est condensée dans un condenseur 5, dont-elle est extraite par une pompe 6, réchauffée dans des ré chauffeurs 7 utilisant de la vapeur soutirée dans les étages de détente, et envoyée par une pompe alimentaire 8 vers la chaudière 1. Le diagramme de détente classique est représenté sur la fig. 2. La vapeur, admise sous une pression PO et d'une température Tow à l'état pratiquement saturé, se détend dans les étages hautepression en suivant la ligne AB. Elle est alors séchée et éventuellement surchauffée jusqu'à une température T1 voisine de la température d'admission, le surchauffeur étant alimenté par de la pression soutirée à l'amont de la turbine, en suivant la ligne isobare BC correspondant à la pression de séchage PI. La vapeur subit ensuite une seconde détente dans les étages basse-pression, en suivant la ligne CE. On a vu que le point E correspond à une pression d'échappement assez faible, de l'ordre de 35 millibars. On voit ainsi que la chute enthalpique utilisée dans les étages basse-pression est assez importante, de même que l'écart de température T1 - TE entre l'admission et l'échappement des étages basse-pression. D'autre part, une partie de la deuxième détente s'effectue dans un domaine de température voisin de celui de la détente effectuée dans les étages haute-pression. L'objet de l'invention est de proposer une nouvelle disposition de turbines pour les centrales nucléaires dans laquelle la première partie CD de la seconde détente s'effectue dans des étages à un flux qui sont intégrés dans un même corps de turbine avec les étages haute-pression dans lesquels s'effectue la détente Un tel corps de turbine est représenté en élévation sur la fig. 3. il comporte un arbre unique 21 portant d'un côté les étages haute-pression 22, et de l'autre côté la première partie des étages basse-pression 41. L'ensemble tourne à l'intérieur d'une enveloppe unique fixe 23 portant les stators 232 - 234 correspondant respectivement aux étages 22 et 41. Entre les deux étages est placé un diaphragme 235 percé d'un orifice de passage de 11 arbre unique 21, muni d'un joint d'étanchéité.L'enveloppe est munie des tubulures d'admission 25 dans l'étage haute-pression et 45 dans les étages basse-pression, et des fonds d'échappement correspondants 26 et 46. On a vu que les températures d'admi sion T0 dans les étages haute-pression et T1 dans les étages basse-pression étaient voisines. il est donc avantageux de placer les tubulures d'admission 25 et 45 dans la partie centrale de l'enveloppe 23, les fonds d'échappement 26 et 46 étant placés aux deux extrémités. Le diamètre des étages des deux groupes haute-pression et basse-pression constituant le corps de turbine augmente progressivement depuis la partie centrale vers chaque extrémité, la vapeur se détendant dans le même sens dans chaque groupe d'étages.La partie centrale du corps de turbine est ainsi au contact avec la vapeur la plus chaude correspondant aux points Â et C du diagramme de la fig. 2 tandis que les extrémités du mtme corps sont au contact de la vapeur dont les points figuratifs sont en B et D, c'est-à-dire à des températures voisines. Une telle harmonie des températures est très favorable au bon comportement du corps de turbine du point de vue des dilatations thermiques. Cette nouvelle disposition permet donc de réduire considérablement les possibilités de distorsions thermiques et augmente ainsi la fiabilité du matériel. D'autre part, le corps de turbine basse-pression à plusieurs flux 4 nta plus à supporter que l'écart correspondant aux points D et E.Cet abaissement des écarts thermiques dans le corps basse-pression est un facteur très intéressant car l'un des objectifs à viser lors de la conception de ce genre de matériel est précisément d'éviter les déformations d'origine thermique. D'autre part, en effectuant la première partie de la détente basse-pression dans des étages à un flux, on augmente le rendement de la turbine puisque l'on utilise des étages comportant des ailettes plus longues. Le choix de la pression de coupure dépens moins de la dimension minimale des premiers étages du corps à plusieurs flux, car la pression d'admission PD dans le corps à plusieurs flux a une valeur plus faible que la pression de séchage qui était choisie dans les turbines nucléaires classiques. On peut donc choisir une pression de séchage proche de la valeur idéale déterminée par le calcul d'optimisation permettant ainsi d'obtenir la consommation calorifique optimale. Dans le corps de détente basse-pression à un flux, correspondant à la partie CD du diagramme, on bénéficie du gain de refr dement procuré par le grand allongement des ailettes par rapport aur étages des corps basse-pression à plusieurs flux classiques. De plu le transfert du début de la détente d'un corps à plusieurs flux dans un corps à un flux diminue évidemment le nombre de roues ce qui apporte une simplification de la machine et bien entendu une réduction de sa longueur totale. On obtiendra également une diminution des dilatations absolue et différentielle dans la partie BP à plusieurs flux, qui devient à la fois plus courte et plus froide, ainsi qu'une plus grand rigidité des rotors BP dont les vitesses critiques se trouveront relevées dans un sens favorable au comportement dynamique de la li gne d'arbre. La nouvelle disposition proposée présente enfin l'avantage important de pouvoir effectuer un deuxième séchage de lavapeur puisqu'il existe, selon l'invention, deux trajets de la vapeur à 11 extérieur de la turbine. Le transvasement du débit total, effectué par voie externe à la turbine, entre l'échappement 46 des étages basse-pression à flux unique et 11 admission au corps B à flux multiples, offre en effet la possibilité d'installer en ce point un deuxième sécheur et de supprimer alors le surchauffeur sans que ni l'humidité à l'échappement, ni le rendement global du cycle, ne soient sensiblement affectés. On élimine ainsi complètement les rhF ques de corrosion du surchauffeur, ce qui est particulièrement intéressant dans les centrales à eau bouillante.La courbe de détente est alors modifiée, comme représenté en pointillé sur la fig. 2. Bien entendu l'invention ne se limite pas aux détails du mode de réalisation qui vient autre décrit, mais elle en englobe toutes les variantes. C'est ainsi que la disposition architecturale représentée à la fig. 3 est celle qui est la plus facile à réaliser et la plus intéressante, mais n1 est pas la seule qu'on puisse imaginer dans le cadre de l'invention. La fig. 4 représente schématiquement une autre disposition possible, dans laquelle la partie froide du corps à un flux est située dans la zone centrale, les fonds díéchappement étant accolés; les extrémités du corps sont alors les zones chaudes dtarrivée de la vapeur vive 25 et de vapeur sèche et éventuellement surchauffée 45. On retrouve dans cette disposition des avantages thermiques comparables à ceux de la disposition représentée fig. 3 mais il pet y avoir une certaine difficulté de tracé de la zone centrale. Dans le cas où on ne recherche pas une disposition parti culièrement favorable du point de vue thermique, et en particulier si la vapeur n'est pas surchauffée après le séchage, on peut éventuellement adopter la disposition de la figure 5, où la détente se fait dans le méme sens dans les étages haute-pression et dans les premiers étages basse-pression à un flux. L'admission de vapeurvive 25 se fait à une extrémité du corps, ltéchappement 26 vers le séchage dans la partie centrale ainsi que l'admission 45 après séchage, et l'échappement 46 vers les étages basse-pression à plusieurs flux à l'autre extrémité du corps. Bien entendu, le sens indiqué pour les arrivées et les départs de vapeur sur les fig. 4 et 5 n'est indiqué que schématiqu ment et à titre indicatif, et ne présume pas de l'orientation effective des tubulures dans une réalisation car celles-ci seraient alors disposées au mieux de l'installation. ElEVBDICTIONS 1) Nouvelle disposition de turbines à vapeur pour centrals nucléaires dans lesquelles la vapeur subit une première détente dans des étages haute-pression à un flux, passe dans un sécheur, puis subit une seconde détente dans des étages basse-pression, caractérisée par le fait que les étages basse-pression se composent de deux parties séparées : une première partie à un flux où stef- fectue le début de la seconde détente, dans les limites permises par la dimension des derniers aubages, et une deuxième partie à plusieurs flux où s'effectue la fin de la détente. 2) Nouvelle disposition de turbines à vapeur selon la revendication 1, caractérisée par le fait que la première partie des étages basse-pression est intégrée avec les étages haute-pression dans un m & e corps de turbine à flux unique. 3) Nouvelle disposition de turbines à vapeur selon la revendication 1, caractérisée par le fait qu'avant l'entrée dans la première partie des étages basse-pression, le séchage de la vapeur est suivi d'une surchauffe jusqu' une température voisine de la température à l'amont des étages haute-pression. 4) Nouvelle disposition de turbines à vapeur selon la revendication 1, caractérisée par le fait qu'après la sortie de la première partie, à un flux, des étages basse-pression et avant d'entrer dans la seconde partie des étages basse-pression, la vapeur subit un deuxième séchage. 5) Nouvelle disposition de turbines à vapeur selon la revendication 3, caractérisée par le fait qu'après le deuxième séchage, la vapeur subit une deuxième surchauffe. 6) Nouvelle disposition de turbines à vapeur selon la revendication 1, caractérisée par le fait que le corps de turbine à un flux comporte un arbre unique portant d'un côté les étages haute-pression et de l'autre la première partie des étages bassepression, l'ensemble tournant dans une enveloppe fixe formant les deux stators correspondant respectivement auxdits étages hautepression et basse-pression et comportant entre les deux étages un diaphragme percé d'un orifice de passage de 1' arbre unique, muni d'un joint d'étanchéité, ladite enveloppe étant munie des deux tubulures d'admission et des deux fonds d'échappement correspondant respectivement aux étages haute-pression et basse-pression. 7) Nouvelle disposition de turbines à vapeur selon la revendication 5, caractérisée par le fait que les tubulures d'ad mission sont placées dans la partie centrale du corps de turbine à un flux, les fonds d'échappement étant chacun à une extrémité, la détente se produisant dans les étages haute-pression depuis la partie centrale vers les deux extrémités. 8) Nouvelle disposition de turbines à vapeur selon la revendication 5, caractérisée par le fait que les tubulures d'admission sont placées aux deux extrémités du corps de turbine à un flux, les fonds d'échappement étant accolés dans la partie centrale dudit corps, la dét@nte se produisant dans les étages haute-pression et basse-pression depuis chaque extrémité vers la partie centrale. 9) Nouvelle disposition de turbine à vapeur selon la revendication 5, caractérisée par le fait que la tu@ulure d'admission de vapeur haute-pression est placée à une extrémité du corps de turbine, que l'échappement des étages haute-pression et l'admission de vapeur basse-pression @e fait dans la partie centrale, et que l'échappement de la première partie de détente basse-pression s'effectue à l'autre extrémité du corps de turbine à un flux.