Brevet FR2400614A1 — publié le 19790316

L'invention a pour objet unie turbine à essorage étudiée pour la détente d'un fluide contenant une phase liquide et une phase gazeuse. Ltinvention s'applique en particulier aux turbines a' vapeur. Dans les turbines a vapeur a' condensation, ltérosion des ailettes basse pression est un phénomène bien connu. En effet, la vapeur d'eau admise à l'entres de la turbine se refroidit en se détendant à travers les stages successifs, et lorsqu'elle passe dans les dernières roues elle contient une proportion non négligeable de gouttelettes dteau de grosseur différente. Lorsque ces gouttelettes heurtent les ailettes, elles y exercent une force d'impact très importante. En effets la densité des gouttes réparties dans la vapeur est considérablement supérieure à celle de cette dernière. De plus, le temps d'arrêt des gouttes est très court. Enfin, la pression spécifique est très élevée du fait de la petite taille des surfaces en contact. Si la contrainte exercée par l'impact de ces nombreuses gouttelettes est supérieure à la contrainte admissible du materiau des ailettes, celles-ci s'dérodent ainsi que les distributeurs fixes adjacents. Lorsque la turbine est alimentes en vapeur satures, ce phenomène se trouve accru et apparat dès les premiers étages. Il est donc nécessaire de mettre en oeuvre des dispositifs eliminant au maximum, au cours de la détente les gouttelettes dteau en suspension dans la vapeur. En effet, si 11 eau ntest pas évacuées llérosion apparait sur certaines parties du rotor, du stator et de façon beaucoup plus évidents, sur les ailettes mobiles. La détérioration de ces ailettes provoque une baisse pregressive du rendement de la machine, et à termes des ruptures nécessitant une intervention toujours one'- reuse. Dans une turbine comprenant, de façon classique un rotor tournant a' ltintérieur d'un stator, les dispositifs utilisés couramment pour éliminer l'eau sont constitués le plus souvent par la mise en place d'anneaux de drainage de différentes formes ménages sur la partie interne du stator pour récupérer les gouttes projetées par lteffet centrifuge exercé par le rotor, le liquide ainsi récupéré étant évacué par des purges. Dans certaines turbines, comprenant plusieurs corps, des séparateurs sont disposes entre l'échappement de la turbine d'amont et la ou les turbines basse pression. Cependant, ces dispositions classiques ne sont pas toujours suffisantes. Or, il se trouve que, en particulier dans les turbines à plusieurs groupes d'étages de détente, le stator, appelé alors stator interne est souvent entouré par un conduit annulaire d'évacuation du fluide limité vers i'intér.ieur par le stator/ vers 'L'extérieur par une enveloppe entourant l'ensemble qui se raccorde du côte de la sortie du fluide à un fond déterminant ainsi une inversion du sens du flux du fluide pour le diriger vers ltétate suivant de la turbine.L'invention met à profit cette disposition particulière d'écoulement de vapeur pour apporter un complément de séparation et d'extraction de lthumidité contenue dans la vapeur -sortant d'une première série d'aubages. L'invention va maintenant etre décrite, en se référant à plusieurs modes de réalisation, donnes à titre dtexemples et représentés sur les dessins annexes. La figure 1 représente schématiquement, en coupe longitudinale, une turbine à deux groupes d'étages de détente munis des dispositions selon l'inven- tion. La figure 2 représente une variante des dispositifs d'essorage. La figure 3 représente une autre variante des dispositifs d'essorage. La figure 4 et la figure 5 représentant deux variantes de disposition de la turbine. Sur les figures 1 2 et 3 > -on a représenté schématiquement une turbine à deux groupes d'étages de détente comportant deux rotors montes sur un arbre I et entourés par un stator interne 3. La vapeur est amenée par une conduite 2 dans la partie centrale de la turbine et est dirigée successivement dans les aubages Il > 11 122 13, le nombre pouvant varier. Entre ces étages, l'humidité ht' est évacue de façon classique, ctest-à-dires comme on l'a indiqué, par des anneaux de drainage 30 ménagés dans le stator 3 entourant les étages du rotor. L'ensemble est entouré par une enveloppe extérieure 4 fermée du côté aval par un fond 40 muni dtun orifice de passage de ltarbre 1 et qui dévie de 1800 la vapeur sortant de la roue 13 pour la diriger vers le premier étage 14 du second rotor monté sur ltarbre 1. Cette disposition est souvent utilisée dans les turbines à deux groupes d'étages de détente, les figures 4 et 5 montrant d'autres dispositions possibles. Au cours du changement de direction de 1800 provoqué par le fond 40, la vapeur rencontre les parois du fond 40 et une partie de l'eau contenue dans la vapeur se dépose sur les parois et est ensuite récupérés par gravité dans des canaux 41 qui rassembletle liquide pour le diriger vers la partie inférieure du fond 40, le liquide ainsi accumule entant évacué par une tubulure 42. Ltenveloppe extérieure 4 ménage autour du stator 3 un conduit annu- laire 5 dont la partie aval débouche à ltentrée du deuxième groupe d'étages de détente de la turbine. Cependant, à l'amont du conduit annulaire 5, sont placées une pluralité d'ailettes 6 réparties tout autour du rotor et fixées sur l'enveloppe 4. Les ailettes 6 sont courbées et inclinées par rapport à l'axe longitudinal de la turbine de façon à donner à la vapeur entrant dans le conduit 5 un mouvement en spirale autour du stator. Ce mouvement en spirale déter- mine une force centrifuge qui entraine les particules d'eau mélangées à la vapeur, celles-ci se rassemblant sur la face interne de la paroi 50 limitant extérieurement le conduit 5.De préférence, cette paroi extérieure 50 sera écar tée de la paroi extérieure de l'enveloppe 4 dfun espace déterminant une chambre annulaire 51 entourant l'ensemble. Cette paroi 50 est munie à son extrémité aval 52 d'une pluralité d'orifices ou bien d'une ouverture annulairelpermettant d?évacuer vers la chambre 51 les particules d'eau projetées sur la paroi 50 et qui ont cheminé le long de celle-ci, entrainées par le flux de vapeur. L'eau ainsi rassem blée dans la chambre 51 est évacuée par une tubulure 5-3 dans laquelle peut d'ailleurs déboucher la tubulure 42 dont on a parlé plus haut.D'autre part, la chambre 51 peut etre mise en communication en amont avec le conduit annulaire 5 par exemple par des canaux ménagés dans les ailettes 6, de façon à ramener dans le flux de vapeur la phase gazeuse éventuellement entrainée dans les orifices 52. Selon une autre disposition également représentée sur la figure 1, la vapeur ayant pénétré dans la chambre 51 peut aussi être renvoyée dans une chambre 15 du corps de turbine suivant et ou règne une pression inférieure. Les gouttelettes les plus denses traversant le conduit 5 sont récupé- rées sur la face externe 31 du stator interne et dans une gouttière 32 fixée sur le stator d'où elles sont dirigées vers la partie inférieure du stator. Â la sortie du conduit 5 la vapeur ayant ainsi subi un essorage complémentaire est admise à ltentrée 43 des derniers etages de la turbine avant de s'échapper par le fond 44 relié au condenseur. Ainsi le système selon l'invention d'essorage complementaîre de la vapeur se caractérise par l'utilisation du changement de direction de 180 imposé par le fond du stator et par la mise en rotation de la vapeur dans le conduit annulaire entourant le stator. Le système s'adapte particulièrement bien aux turbines à deux groupes d'étages de detente ayant la disposition representée sur la figure 1. Cependant comme on l'a indiqué schématiquement sur les figures 4 et 5 l'invention pourrait egalement s'adapter à d'autres turbines à deux groupes d'étages disposées diffé remuent.Dans le cas de la figure 4, ltécoulement de la vapeur dans les deux se- ries d'aubages se fait dans le même sens, l'arrivée de vapeur à la turbine etant disposez dans la partie centrale, entre lès deux séries d'aubages. En revanche > dans le cas de la figure 5 Si le sens d'ecoulement de vapeur est également identique pour les deux séries dtaubagess par contre l'arrivée de vapeur s'effectue à une extremité du rotor. Dans ce cas la vapeur qui sort de la première serie d'aubage parcourt un conduit en S avant d'être admise dans les aubages terminaux. te dispositif d'essorage complémentaire est donc place dans ce conduit. Dtautre part, la séparation dans le conduit annulaire des gouttelettes d'eau contenues dans la vapeur sortant de sa turbine peut être obtenue par d'autres moyens. C'est ainsi que > dans le mode de rdalisation donne à titre d'exemple sur la figure 2; on a remplace les ailettes de déviation 6 par une saris de diaphragmes annulaires 61 espacés les uns des autres et fixés alternativement s sur les deux parois latérales du conduit annulaire/de façon à former une succession de barrages en chicane arrêtant la progression des gouttelettes d'eau. Dans ce cas, la vapeur n'est pas mise en rotation autour du rotor mais prend un mouvement longitudinal ondoyant au cours duquel l'eau se dépose dans les canaux limités par les diaphragmes fixes sur le stator interne 3 et qui communiquent d'ailleurs par des orifices de purge avec les anneaux de drainage 30. L'eau ainsi déposée est ensuite évacuée par gravite vers la partie inférieure de la turbine. Dans un autre mode de réalisation représenté à titre d'exemple sur la figure 3, la séparation de la-phase liquide est obtenue en faisant passer la vapeur dans une matière poreuse 62 remplissant le conduit annulaire 5. Cette ma tière peut autre constituée par exemple par de la nlaine métallique" constituant un labyrinthe de fibres métalliques qui retiennent les gouttes d'eau contenues dans la vapeur qui les traverse. Aux deux extrémités du conduit annulaire 5 la laine métallique sera maintenue par deux parois annulaires 63 percees d'orifices de passage de la vapeur. L'eau retenue s'écoule par gravité le long des fibres métalliques et se rassemble a' la partie inférieure du conduit annulaire 5 d'où elle est évacuée par des orifices 54. Bien entendus l'invention ne se limite pas aux details du mode de réalisation et des variantes qui ont été decrits, d'autres variantes pouvant entre imaginées en utilisant des moyens équivalents. De mêmes les moyens décrits pourraient autre modifiés de différentes façons. C'est ainsi que, par une variation de l'angle de calage des ailettes directrices 6, on pourrait modifier le réglage de la centrifugation de la vapeur dans le conduit annulaire 5. De plus, l'remploi du dispositif et de ces variantes ne se limite pas seulement a' la vapeur d'eau car il peut être utilisé pour d'autres fluides contenant une certaine proportion de phase liquide. D'ailleurs, l'invention ne s'adapte pas seulement aux turbines à vapeur mais aux autres turbomachine telles que les turbines à gaz ou les compresseurs. REVENDICATIONS 1.- Turbine à essorage pour la détente d'un fluide contenant une phase liquide et une phase gazeuse, comprenant un rotor tournant à l'interieur d'un - stator entouré par un conduit annulaire d'évacuation du fluide limité par une enveloppe extérieure entourant l'ensemble et se raccordant da côte de la sortie du fluide à un fond déterminant une inversion du sens du flux de fluide ét sur lequel est ménagé un orifice de passage de l'arbre, caracterisée par le fait que des moyens de séparation de la phase liquide contenue dans le fluide sont placés à l'intérieur dudit conduit annulaire, l'enveloppe extérieure étant munie de moyens d'évacuation du liquide séparé 2.- Turbine à essorage selon la revendication 1 caractérisée par le fait que les moyens de séparation de la phase liquide sont constitues d'ailettes placées à l'entres du conduit-annulaire et inclinées par-rapport à l'axe longitudinal pour la détermination d'un mouvement en spirale du fluide autour du stator. 3.- Turbine à essorage selon la revendication 1, caractérisée par le fait que les moyens de séparation de la phase liquide sont constitués de diaphragmes annulaires espadées disposées en chicane le long du conduit annulaire et fibres alternativement sur les deux parois dudit conduit, chaque diaphragme étant incliné dans le sens de circulation du fluide par rapport à la paroi sur laquelle il est fixe. 4.- Turbine à essorage selon la revendication 1, caractérisée par le fait que les moyens de séparation de la phase liquide sont constitués par une matière poreuse de retenue du liquide placée à l'intérieur du conduit-annulaire. 5." Turbine à essorage selon l'une des revendications précédentes, caractérisée par le fait que les moyens d'évacuation du liquide separé sont cons titubés d'une chambre annulaire placée à l'intérieur de de ltenveloppe extérieure autour du conduit d'évacuation et munie,sur sa paroi interne,d;uns pluralité dtorifices de mise en communication avec ledit conduit et > sur sa paroi externe et à sa partie inférieure, d'un orifice de mise en communication avec ltextérieur. 6. - Turbine à essorage selon la revendication 5, caractérisée par le fait que la chambre d'évacuation du liquide séparé est munie à sa partie supé- rieure d'un orifice d'aspiration de la phase vapeur relié à l'étage suivant de la turbine.