Brevet FR2491546A1 — publié le 19820409

Perfectionnements aux turbines, notamment à vapeur. La présente invention concerne une turbine exempte des effets de remous ou de sillages se formant sur le côté aval des bords arrière des tuyères. En tant que moyen de conversion de l'énergie thermique de la vapeur en énergie mécanique, les turbines à vapeur utilisent des tuyères qui provoquent une expansion et une accélération de la vapeur à haute pression et à haute température et imposent à la vapeur de circuler le long d'aubes mobiles montées sur un arbre rotatif, tout en agissant sur ces dernières, de sorte que la puissance de sortie est délivrée. Il est connu que de telles turbines, dénommées turbines axiales, possédant des tuyères et des aubes mobiles, disposées radialement le long d'une circonférence, se répartissent en deux groupes, à savoir les turbines à action et les turbines à réaction. Dans le cas d'une turbine à action on sait que, comme cela est représenté sur les figures la et lb annexées à la présente demande, les vitesses d'écoulement de vapeur provenant des tuyères ne sont localement pas constantes par suite de l'influence des remous ou sillages formés sur le côté aval des bords arrière 2' des tuyères 2, et que des régions, dans lesquelles les vitesses d'écoulement sont faibles par suite de la présence de remous, sont formées en aval des bords arrière 2'. D'autre part, les aubes mobiles t montées sur un arbre tournant 3 traversent des régions dans lesquelles il existe des vitesses d'écoulement élevées et faibles, étant donné qu'elles reçoivent les jets de vapeur tout en se déplaçant à la vitesse périphérique. C'est pourquoi on sait que chaque aube mobile 1 est soumise à des charges fluctuantes à une fréquence égale à nombre de tuyères vitesse de fois par seconde x fols par seconde sur la circonférence x rotation (tr/mn) 60 On sait également que, lorsqu'elle coincide avec la fréquence de vibration des aubes dans le mode normal, cette fréquence provoque la mise en vibrations de l'aube, ce qui à son tour peut endommager cette dernière. Afin d'éviter un tel phénomèné de résonance, il était usuel de régler la fréquence vibratoire caractéristique et de limiter la gamme des vitesses de fonctionnement des aubes mobiles ou bien d'utiliser des dispositifs d'atténuation des vibrations possédant une constitution complexe, ou bien de ;hoi- sir un matériau spécial pour réaliser les aubes. Cependant ces contre-mesures nécessitent un travail et un coût élevé et encore les effets sont souvent incertains. On obtient comme résultats une fiabilité faible et un coût élevé des aubes mobiles existantes des turbines à vapeur. La présente invention a pour objet d'éliminer les inconvénients indiqués précédemment et de fournir une turbine à vapeur extrêmement fiable et d'un cout réduit. La présente invention est basée sur des recherches relatives au principe selon lequel des forces fluctuantes sont exercées sur les aubes mobiles par les remous formés en aval du bord arrière des tuyères, comme cela a été mentionné ci-dessus. Conformément à l'invention, la corrélation entre la taille des aubes mobiles et celle des tuyères est choisie dans une certaine gamme de manière à réduire au minimum l'amplitude de variation des forces fluctuantes qui s'exercent sur les aubes mobiles. Cet objet est atteint conformément à- la pré :3S z e inveri;i--n dans une turbine dans 'laquelle les tubes mobr.1e. comportant des voies de circulation du fluide d'une largeur prescrite sont disposées sur le côté aval des tuyères dans la zone d'accélération du fluide, la longueur des voies de circulation du fluide étant réglée à une valeur supérieure au double du pas des tuyères de manière à éliminer les actions nuisibles exercées sur les aubes mobiles par les remous devant être formés en arrière des bords arrière des tuyères. La présente invention a une gamme étendue d'applications. Bien que la présente invention soit décrite ciaprès comme s'appliquant à une turbine à vapeur, on comprendra qu'elle est également applieable à des turbines axiales à gaz et à des turbines axiales hydrauliques, pourvu qu'il s'agisse de turbines développant de l'énergie qui associent des tuyères d'accélération du fluide et des ailettes ou des aubes mobiles. Ci-après, on va décrire de façon détaillée des formes de réalisation préférées de l'invention, après une discussion portant sur le principe de développement d'une force fluctuante, en référence aux dessins annexés. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront de la description qui va suivre à titre d'exemple non limitatif et en regard des dessins annexés, sur lesquels - La.Fig. la est une vue de la moitié supérieure d'une coupe radiale d'une turbine à vapeur ordinaire. - La Fig. lb est une vue en coupe prise suivant la ligne A-A de la Fig. la. - La Fig. 2 est une vue illustrant la distribution typique des vitesses d'écoulement à travers les tuyères. - Les Fig. 3a et 3b sont des diagrammes vectoriels représentant les triangles des vitesses. - Les Fig. 4a et 4b sont des vues en coupe des aubes mobiles. - La Fig. 5a est une vue en coupe des aubes mobiles et des tuyères, sur laquelle le pas-Pn des tuyères est nettement supérieur à la longueur S de la voie de circulation entre les aubes. - La Fig. 5b est un graphique montrant des variations de la poussée dans le sens de rotation du dispositif de la Fig. 5a, en fonction du temps. - La Fig. 6a est une vue en coupe des aubes mobiles et des tuyères, sur laquelle le pas Pn des tuyères est approximativement égal à la longueur S de la voie de circulation entre les aubes. - La Fig. 6b est un graphique montrant les variations de la poussée dans le sens de rotation et les variations du couple de torsion du dispositif de la Fig. 6a) en fonction du temps. - La Fig. 7a est une vue en coupe des aubes mobiles et des tuyères, dans laquelle les valeurs de 2Pn et S sont sensiblement égales. - La Fig. 7b est un graphique montrant les variations de la poussée dans le sens de rotation et les variations du couple de torsion du dispositif de la Fig. 7a, en fonction du temps. - La Fig. 8 est une vue en coupe des aubes mobiles et des tuyères dans une forme de réalisation de la turbine selon l'invention. On va maintenant décrire le mécanisme selon lequel la charge fluctuante est produite par la non-uniformité des remous ou sillages mentionnés ci-dessus et provenant des tuyères. En se référant à la Fig. 2, qui montre une distribution typique des vitesses d'écoulement à travers les tuyères, on y remarque une différence. considérable visible entre la vitesse d'écoulement C A de la vapeur, qui s'écoule au centre de chaque voie de circulation entre les tuyères 2, et la vitesse d'écoulement C B de la vapeur qui circule devant les bords arrière 2' des tuyères.Par conséquent, lorsque les aubes traversent les remous provenant de la rangée de tuyères, comme représenté par les diagrammes de vitesses des Fig. 3a et 3b, les vitesses relatives d'entrée Wav Wb et l'angle d'arrivée de la vapeur sur les aubes mobiles varient largement selon que la vapeur circule au centre de a voie de circulation entre les tuyères 2 (Fig. 3a) ou devant les bords arrière 2' des tuyères (Fig. 3b). Sur les deux diagrammes, la lettre u désigne la vitesse périphérique des aubes mobiles Habituellement les aubes mobiles sont conçues de manière à présenter un contour en coupe transversale qui forme une voie de circulation correspondant à la vitesse d'entrée relative et à l'angle selon lequel la vapeur, qui est passée au centre de la voie de circulation entre les tuyères, pénètre dans la rangée d'aubes mobiles. Cela signifie que la vapeur circulant devant le bord arrière de chaque tuyère ne se conforme pas à la voie de circulation des aubes mobiles et par conséquent se trouve gênée pour s'écouler de façon uniforme dans la voie de circulation du fluide entre les aubes.Par conséquent, il se forme des jets intermittents de vapeur dans les voies de circulation entre les aubes mobiles, comme cela est représente de façon typique sur les Fig. a et 4b. La référence A désigne une partie de la vapeur qui est passée au centre de la voie de circulation entre les tuyères et s'écoule normalement dans la voie de circulation entre les aubes, tandis que le symbole B désigne une partie de la vapeur qui est passée le long du bord arrière 2' de chaque tuyère et ne s'engage pas de façon uniforme dans la voie de circulation entre les aubes. La pression de cette partie de la vapeur est inférieure à celle régnant dans la partie de vapeur A.Habituellement, l'angle OC sur la Fig. 3a est faible et le rapport CA/u est choisi égal approximativement à 2 et par conséquent la vitesse d'entrée relative de ltécoulement ordinaire dans la rangée d'aubes mobiles est essentiellement égale à la vitesse périphérique. Il s'ensuit que, avant que la partie de la vapeur B traverse complètement et quitte la voie de circulation entre les aubes mobiles, les aubes s'avancent sur une distance équivalant à la longueur S de la voie de circulation. Comme cela est largément utilisé dans la pratique de conception, on suppose que l'on donne au pas Fn des tuyères une valeur nettement importante par rapport à la longueur S de la voie de circulation. Alors, comme cela est représenté sur la Fig. 4a, le couple des aubes mobiles voisines, entre lesquelles il existe une partie de vapeur B, ne vient pas dans la position dans laquelle elles reçoivent un jet de vapeur de la part du bord arrière de la tuyère suivante, avant que la partie de vapeur B ait entièrement pénétré dans la voie de circulation entre les aubes, et il se passe un certain. temps avant qu'un écoulement ordinaire parfait soit formé dans la voie de circulation entre les aubes. Ainsi on peut suivre, comme indiqué sur les Fig. 5a et 5b, la variation dans le temps du déplacement de la région à basse pression dans la partie B pendant le déplacement des aubes mobiles. Ca poussée, qui se développe dans les aubes mobiles à cet instant; est la résultante des forces présentes pour la dépression existant dans les parties de vapeur B introduites entre les surfaces de pression et d'aspiration des aubes, sur la base des forces produites par suite des variations dans le temps des moments des jets de vapeur qui se présentent habituellement dans la turbine à action. Cette force résultante est représentée sur la Fig. 5b en fonction de la position des aubes mobiles.La force fluctuante, qui se-développe sur l'aube mobile 1 chaque fois que cette dernière passe devant une tuyère, est reponsable du phénomène mentionné ci-dessus. Ce problème d'une charge fluctuante peut être résolu conformément à la présente invention en utilisant une construction que l'on va maintenant expliciter. En supposant qu'une disposition tuyèresaubes est telle que le pas Pn des tuyères et la longueur S des voies de circulation sont sensiblement, mais non exactement, identiques, on voit, à la différence du cas décrit précédemment et comme illustré sur les Fig. 6a et 6b, qu'il existera toujours une ou plusieurs régions B en dépression dans chaque voie de circulation entre les aubes. Ici; de la même manière que dans le cas considéré ci-dessus, on peut suivre les variations des forces fluctuantes qui résultent du déplacement des aubes. Il apparait alors clairement que les régions en dépression existent toujours à l'avant et à l'arrière de chaque aube mobile et qu'elles se neutralisent en permanence réciproquement, avec pour résultat que les charges fluctuantes dans la direction de poussée des aubes mobiles sont équilibrées. Cependant, les regions de dépression B, formées entre les surfaces de pression et d'aspiration des lames, subissent des modifications de positions relatives, comme cela est représenté, ce qui produit dans les aubes, des couples de torsion comme indiqué par les flèches. Les couples, qui agissent à la manière de forces d'excitation, ne sont pas souhaitables en particulier lorsqu'ils agissent en résonance avec les vibrations de torsion des aubes mobiles. Maintenant on va considérer un autre dispositif, dans lequel les valeurs 2Pn et S sont d peu près.égales. Dans ce cas, comme cela est représenté sur les Fig. 7a et 7b, deux ou plusieurs régions en dépression B sont présentes à tout instant dans chaque voie de circulation entre les aubes mobiles. Si l'on suit les variations des forces fluctuantes, qui sont produites par le déplacement des aubes, de la même manière que pour le dispositif précédent, il apparait à l'évi- dence qu'il existe toujours deux ou plusieurs régions en dépression entre les surfaces de pression et d'aspiration des aubes mobiles et que ces régions se neutralisent réciproqueMent D'après les figures, on peut également comprendre que, contrairement au cas déjà mentionné dans lequel P n est approximativement égal à S, les couples de torsion produits par les aubes mobiles se décalent réciproquement. Lorsque la valeur 2Pn ne colncide pas exactement avec S, les positions relatives des régions en dépression situées entre les surfaces de pression et d'aspiration des aubes ne peuvent pas se neutraliser réciproquement complètement. Cependant, le rapport des forces fluctuantes aux poussées permanentes, qui résultent des variations des moments dues à l'écou- lement ordinaire, diminuera matériellement. Il devrait apparaître clairement aux spécialistes de la technique que, à titre d'extension de ce principe, la dimension S peut être accrue à. trois, quatre ou un plus grand nombre de fois Pn de manière à accroître de façon correspondante l'effet décrit ci-dessus et que si S est suffisamment important par rapport à Pn, c'est à peine si des forces fluctuantes se développeront. Dans le dispositif, qui est représenté schématiquement sur la Fig. 8 et qui conserve les rapports considérés précédemment entre les dimensions, le pas Pn entre les tuyères est le plus faible possible. Habituellement la largeur des aubes mobiles I ne peut pas être aussi importante, étant donné qu'on la limite de manière à réduire la taille d'ensemble de la machine et à minimiser les forces centrifuges devant être produites par la rotation. De même, un petit pas Pn signifie que les tuyères 2 possèdent un contour en coupe transversale trop petit et par conséquent présentent une rigidité insuffisante pour supporter la différence de pression existant entre le côté avant et le côté arrière des tuyères. On résout ces difficultés en donnant aux entrées de vapeur une très grande longueur par rapport au pas Pn des tuyères. Comme le montre la Fig. 8, les tuyères possèdent un contour en-coupe similaire à celui de l'art antérieur, mais, dans le cas de la construction représentée, la vitesse d'écoulement au niveau des entrées des tuyères est plus faible et le rendement des tuyères n'est pas altéré par l'allongement des entrées. En outre, ceci confère aux tuyères une résistance adéquate vis-à-vis de la différence de pression. Bien que la présente invention ait été décrite comme étant appliquée à une turbine à action, il appa raîtra évident au spécialiste de la technique que la présente invention peut être également appliquée à une turbine à réaction en vue d'obtenir des fonctions et des effets avantageux similaires. On comprendra également que la présente invention n'est pas limitée aux formes de réalisation spécifiques qui sont représentées et décrites, mais que toute modification ou variante, pouvant y être apportée par un spécialiste de la technique, entre dans le cadre de la présente invention. REVENDICATIONS 10) - Turbine, caractérisée en ce qu'elle comporte des tuyères (2) situées dans une section d'accélération du fluide et des aubes mobiles (1) fournissant des voies de circulation du fluide possédant une largeur fixée et disposées sur le côté aval desdites tuyères (2), lesdites voies de circulation du fluide entre les aubes (1) étant réalisées de manière à posséder une longueur (S) égale au moins au double du pas (Pn) desdites tuyères. 20) - Turbine selon la revendication 1, caractérisée en ce que les tuyères (2) sont réalisées avec, des entrées de fluide, dont la longueur est prolongée jusqu'à une dimension importante par rapport au pas (Pn) ) de ces tuyères.