Brevet FR2534967A1 — publié le 19840427

La présente invention se rapporte à une instal- lation équipée d'une turbine à vapeur comportant un rotor fixé par un emmanchement à retrait: D'une manière générale, le rotor d'une turbine à vapeur, comme celles utilisées dans les centrales nucléaires et les centrales géothermiques, peuvent être fabriquées de trois façons différentes premièrement, tout le rotor peut être usiné dans une seule pièce forgée en acier spécial; deuxièmement un certain nombre de disques en-acier spécial peuvent être soudés l'un après l'autre sur l'arbre d'un rotor, ces disques étant ensuite usinés pour recevoir les aubes de la turbines et, troisièmement, -des disques de roue qui ont été auparavant usi- nés et préparés pour recevoir les aubes de la turbine, sont fixés par un emmanchement à retrait sur l'arbre du rotor. La figure 1 du dessin annexé est une vue latérale en coupe d'une partie d'un rotor de turbine du type à emman- chement à retrait et la figure 2 est une vue en coupe suivant la ligne II-Il de la figure 1. Le diamètre intérieur de chacun de ces disques 2 est usiné à une dimension qui est inférieure à celle du diamè- tre de la partie de l'arbre 1 du rotor, sur laquelle ce disque est appelé à être monté Pour enfiler le disque de roue sur l'arbre, on le chauffe, tandis que l'arbre du rotor reste à la température ambiante, provoquant ainsi une dilatation suffisante dudit disque pour qu'il puisse être enfilé sur l'arbre 1 du rotor à sa position correcte Ensuite, on laisse le disque refroidir et, par suite du retrait thermique, on obtient une liaison très serrée entre le disque et l'arbre du rotor On usine ensuite le pourtour de chaque disque de roue pour rece- voir un certain nombre d'aubes 3. Comme le montre notamment la figure 2, l'arbre 1 et le disque de roue 2 comportent chacun une rainure de clavette longitudinale 4, 5 -Ces rainures sont alignées et une clavette 6 est introduite dans celles-ci afin d'assurer la solidarisation dudit disque de roue et de l'arbre. Les rotors des turbines du type à emmanchement à retrait sont sujets à un phénomène connu sous le nom de "fissuration par corrosion de contraintes" Phénomène qui apparaît plus particulièrement dans certains matériaux ayant une grande résistance à la traction, comme c'est le cas de certains aciers spéciaux Cette fissuration a tendance à se produire dans les parties du rotor soumises à de fortes con- traintes et, en particulier, au voisinage des rainures de clavette 4, 5 produites dans le rotor On a constaté que la fissuration due à la corrosion par contraintes est favorisée, par l'utilisation d'une vapeur contenant des impuretés, en particulier, de l'oxygène Plus particulièrement, dans les turbines faisant partie d'une centrale nucléaire, la vapeur alimentant les turbines contient une quantité considérable d'oxygène. Comme remède, on a tenté de maintenir, au voisi- nage des parties du rotor dans lesquelles une fissuration due à la corrosion par contraintes est susceptible de se produire, un environnement contenant une vapeur spéciale qui ne favorise pas ce mode de fissuration Toutefois, pour obtenir ce résul- tat, il est nécessaire d'installer une source d'alimentation de vapeur indépendante qui produit une vapeur sèche propre: pouvant alimenter le voisinage des parties de la turbine o on veut enrayer l'apparition des fissures dues à la corrosion par contraintes. Il est également connu d'alimenter avec de la va- -peur certaines garnitures d'une turbine à vapeur. Une installation de turbine à vapeur classique est représentée sur la figure 3. La vapeur d'un réacteur nucléaire 8 traverse une turbine à haute pression 9 pour gagner une turbine à vapeur à basse pression 10 La vapeur éjectée de la turbine traverse un condenseur (non représenté) dans lequel elle se transforme en un condensat De son côté, la pression de ce condensat est augmen- tée par une pompe d'alimentation d'eau (non représentée) et il est dirigé, à travers un filtre, dans un réchauffeur d'eau d'alimentation 11 Dans ce réchauffeur, l'alimentation est chauffée par un courant de vapeur soutiré de la turbine par - un tuyau de vapeur 12 Le condensat ainsi réchauffé est re- cyclé, par une pompe d'alimentation d'eau (non réprésentée) dans le réacteur nucléaire. Un appareil d'alimentation de va-peu r 13, qui alimente avec de la vapeur une garniture d'étanchéité, com- porte un évaporateur 14 dans lequel est introduit un cônden- sat propre, dont les impuretés ont été enlevées, à partir d'un réservoir de stockage 15, par une pompe d'alimentation d'eau 16 Le condensat alimentant l'évaporateur 14 est chauf- fé soit par le courant de vapeur principal provenant du réac- teur nucléaire et dont la pression a été réduite par une val- ve de commande 17, soit par la vapeur extraite de la turbine à basse pression 10 La pression de la vapeur nécessaire pour les garnitures d'étanchéité est relativement basse, par exem- ple, 0,28 kg/cm, ce qui signifie que la pression de la va- peur engendrée dans l'évaporateur 14 peut être de l'ordre de 3 4 kg/cm, cette vapeur pouvant être une vapeur saturée ayant un taux d'humidité d'environ 1 % Jusqu'à présent, la vapeur engendrée par l'appareil d'alimentation de vapeur 13 ne servait que pour les garnitures d'étanchéité. Le but de la présente invention est de fournir une installation de turbine à vapeur dans laquelle des fis- sures dues à la corrosion par contraintes sont moins suscep- tibles de se produire. Selon la présente invention, une installation de turbine à vapeur comprend une turbine à vapeur ayant un rotor du type à emmanchement à retrait; un appareil d'alimentation de vapeur pour alimenter avec de la vapeur certaines garni- tures d'étanchéité de la turbine et des moyens pour alimenter avec une vapeur préventive le voisinage des parties de la tur- bine à vapeur qui, en l'absence d'une telle vapeur préventive seraient susceptibles de développer des fissures dues à la 253496-7 corrosion par contraintes, et est caractérisée en ce que cette vapeur préventive est produite par ledit appareil d'ali- mentation de vapeur. Afin que l'invention soit mieux comprise, elle va être décrite maintenant, uniquement à titre d'exemple, en se référant aux figures 4 à 12 du dessin annexé, sur lequel La figure 4 est un schéma de principe illustrant un mode de réalisation d'une installation de turbine à vapeur conforme à la présente invention; La figure 5 est une représentation schématique illustrant un appareil d'alimentation de vapeur pour fournir une vapeur préventive à la région voisine de certaines par- ties d'une turbine à vapeur; La figure 6 est un graphique illustrant l'état de la vapeur en amont et en aval d'une valve de modération de pression faisant partie d'un appareil de réduction de pres- sion; La figure 7 est un graphique illustrant le rap- port entre les pressions d'une vapeur de chauffage et d'une vapeur engendrée dans un évaporateur; La figure 8 est un graphique illustrant le rap- port entre la charge d'une turbine à vapeur et la pression de la vapeur extraite de celle-ci; et, Les figures 9 à 12 sont des représentations sché- matiques illustrant d'autres modes de réalisation de l'inven- tion. En se référant à la figure 4, on voit un réac- teur nucléaire du type à eau bouillante (REB) portant la référence 20 La vapeur engendrée dans le réacteur est diri- gée, par une conduite de vapeur principale 21, à travers une valve de commande 22, vers une turbine à haute pression 23 et, de là, par un tuyau de liaison 24, vers une turbine à basse pression 25 La turbine est reliée à une génératrice électri- que 26 La vapeur dépensée dans les turbines 23 et 25 alimente un condenseur (non représenté) o elle se transforme en un condensat La pression de ce condensat est augmentée par une pompe d'alimentation d'eau (non représentée), et il est puri- fié dans un appareil de filtrage (non représenté) Ce conden- sat alimente un réchauffeur d'eau d'alimentation 27 Une par- tie du condensat purifié est dirigée, afin de maintenir l'équilibre de la vapeur, vers un réservoir de condensat 33. Un tuyau de prise de vapeur 28 de la turbine à basse pression est relié, à travers une valve anti-retour, au réchauffeur d'eau d'alimentation 27 Un tuyau de vapeur similaire relié à la turbine à haute pression n'a pas été représenté Le con- densat est chauffé par la vapeur soutirée de la turbine et le condensat ainsi chauffé est ensuite recyclé dans le réac- teur 20. La vapeur nécessaire aux étanchéités des turbi- nes 23 et 25 est fournie par un appareil d'alimentation de vapeur 29 Cet appareil comprend un évaporateur 30 à partir duquel, la vapeur pour les garnitures d'étanchéité est four- nie, par un conduit 31, aux garnitures des turbines à haute et à basse pression Le conduit de vapeur 31 comprend une valve de réduction de pression 32 pour diminuer la pression de la vapeur utilisée pour étancher les garnitures Un con- densat contenant moins d'impuretés et qui est stocké dans le réservoir 33 alimente, par un tuyau 35, l'évaporateur 30 Ce condensat est chauffé soit par la vapeur principale du réac- teur 20, soit par la vapeur soutirée de la turbine à haute pression 23 A cette fin, l'évaporateur 30 est relié au con- duit de vapeur 21 par un embranchement 21 a et cet embran- chement renferme une valve de réduction de pression 36 En aval de la valve 36, un tuyau 37 établit une liaison avec la turbine à haute pression. Selon la présente invention, l'appareil qui alimente en vapeur les garnitures de la turbine est aussi utilisé pour fournir de la vapeur afin de diminuer les fis- sures dues à la corrosion par contraintes A cette fin, l'évaporateur 30 sert aussi d'évaporateur pour un appareil d'alimentation de vapeur 40 Un conduit de vapeur 41 s'étend de l'évaporateur à la turbine à basse pression 25, Sur ce conduit de vapeur on a prévu un orifice de réduction de pres- sion 42 et une valve 43 L'état de la valve 43, c'est-à-dire, si elle est ouverte ou fermée, est détecté par un détecteur 44 produisant un signal qui est utilisé au cours du démarrage des turbines 23 et 25. En se référant maintenant à la figure 5, on voit que le conduit de vapeur 41 est relié à la turbine à basse pression 25 par une ouverture 46 de l'enveloppe de la turbine débouchant à un diaphragme de buse 47 Ce diaphragme s'étend entre les couronnes adjacentes du rotor et comporte un canal radial 48 par lequel la vapeur alimentant le conduit 41 est distribuée aux différentes parties des disques 2 des roues dans lesquelles des fissures risquent de se développer par suite de la corrosion due aux contraintes Plus précisément, cette vapeur préventive, qui est une vapeur sèche, propre ne contenant qu'un minimum d'impuretés, est délivrée à la base des disques des roues et est injectée dans les rainures de clavettes A, 5 par l'intervalle 49 ménagé entre les disques 2 voisins. La majeure partie de la vapeur à haute pression provenant du réacteur nucléaire 20 passe entre les aubes de la turbine afin de faire tourner le rotor Il n'y a aucun risque que des fissures se développent par suite de la corrosion des contraintes, mais un petit pourcentage de la vapeur, environ 1 %, s'échappe à travers une garniture à labyrinthe 50 située au sommet du diaphragme 47 de la buse et, puisque cette vapeur contient de l'oxygène dissout, celui-ci va contribuer au développement des fissures dues à la corrosion par contraintes à la base des disques 2 des roues Toutefois, grâce à la pré- sente invention, cette influence nuisible de la vapeur de fuite chargée d'impuretés est évitée à cause de la présence de la vapeur sèche propre préventive, contenant moins d'impuretés, et qui est dirigée vers le voisinage des parties du rotor o la fissuration prédomine. En se reportant à la figure 4, on voit que le générateur possède un détecteur 51 et que ce détecteur pro- duit un signal représentatif de la charge de la turbine Ce signal commande l'ouverture de la valve de modération de - pression 36 du courant de vapeur principal, contrôlant ainsi la pression d'alimentation de l'évaporateur 30 avec cette vapeur Cette commande assure la régulation de la pression de la vapeur engendrée à l'intérieur de l'évaporateur De plus, la pression de la vapeur ainsi engendrée est surveillée par un détecteur 53 et le signal de ce détecteur est appliqué à un appareil de commande 52. Pendant l'utilisation, un condensat contenant relativement peu d'impuretés est fourni par le réservoir de- stockage 33 à l'évaporateur 30 lequel a pour fonction à la fois de-fournir la vapeur nécessaire pour-diminuer la fissu- ration due à la corrosion par contraintes et à fournir la vapeur assurant l'étanchéité des garnitures Le condensat alimentant l'évaporateur est chauffé soit par le courant principal du réacteur 20, soit par la vapeur soutirée de la turbine Avant le démarrage des turbines 23 et 25, l'évapora- teur 30 reçoit de la vapeur du réacteur nucléaire 20, ceci étant commandé par la valve de modération de pression 36. Après que la vapeur préventive a été engendrée dans l'évapo- rateur 30, sa pression est réduite par la valve 32 avant qu'elle alimente, par le conduit 31, les garnitures des tur- bines De plus, la vapeur dont la pression a été diminuée par l'orifice 42 'alimente, par le tuyau de vapeur 41, les disques 2 des roues du rotor de la turbine La vapeur engendrée dans l'évaporateur 30 est une vapeur saturée à haute pression ayant un degré élevé d'humidité Toutefois, cette vapeur sa- turée peut être transformée en une vapeur sèche grâce à la baisse de pression rapide produite par l'orifice 42. C'est ainsi, par exemple, comme représenté sur la figure 6, que la vapeur engendrée dans l'évaporateur 30,. représentée par le point a, se déplace, par suite de cette diminution rapide de la pression, vers le point b Ceci indi- que, par exemple, que la vapeur humide engendrée avec une pres- sion de 5 kg/cm 2 et un taux d'humidité de Il', se transforme en une vapeur sèche de 2 kg/cm 2 de pression. On conçoit que, puisque le condensat remplissant l'évaporateur 30 est chauffé par la vapeur provenant du réac- teur nucléaire avant que les turbines aient commencé à tour- ner, les disques des roues du rotor de la turbine sont main- tenus dans un environnement qui empêche les fissures résultant de la corrosion par contraintes de se développer, avant même que la turbine ne commence à tourner Lorsque la turbine démarre, la vapeur chauffant le condensat dans l'évaporateur , qui était initialement la vapeur principale, est remplacée progressivement par la vapeur soutirée de la turbine Les points c et d de la figure 6 indiquent respectivement l'étatde la vapeur engendrée dans l'évaporateur 30-avant et après l'orifice de réduction de pression 42, lorsque la turbine opère avec une charge de 100 %. La figure 7 montre le rapport des pressions entre la vapeur de chauffage fournie à l'évaporateur 30, qu'il s'agisse de la vapeur principale ou de la vapeur extraite de la turbine, et la vapeur produite dans l'évaporateur 30 Quand la turbine opère avec une charge de 100 % et avec une vapeur de chauffage dont la pression est d'environ 12 kg/cm, la vapeur engendrée a une pression d'environ 8 kg/cm 2 La vapeur engendrée dans l'évaporateur correspond au point c de la figure 6 qui représente une vapeur humide avec un taux d'humidité de 1 '. Toutefois, par une réduction rapide de la pression, cette va- peur passe au point d o elle devient une vapeur sèche. Quand l'évaporateur produit de la vapeur, celle-ci est détectée par le détecteur de pression 53 dont le signal commande l'appareil 52 lequel, de son côté, commande l'ouver- ture de la valve de modération de pression 36 du courant de va- peur principal Quand la pression de la vapeur produite atteint une valeur déterminée, la valve 43 du tuyau de vapeur 41 s'ouvre et la pression de la vapeur humide provenant de l'évaporateur est rapidement réduite avant d'en alimenter la turbine. L'arrivée de la vapeur à la turbine est détectée par un dé- tecteur 44 qui produit un signal utilisé pour le démarrage de la turbine Après le démarrage de la turbine, la pression de la vapeur préventive alimentant le rotor de celle-ci est nécessairement modifiée en accord avec la charge de la turbine de sorte que si le signal représentatif de la charge produit par le détecteur de sortie 51 du générateur est appliqué à la valve de modération de pression 52, il sert à ajuster l'ou- verture de la valve de modération de pression 36 du courant de vapeur principal, réglant ainsi la pression de la vapeur engendrée dans l'évaporateur 30. Après que la vapeur circulant dans le tuyau de soutirage 37 a atteint une pression suffisamment élevée, comme représenté sur la figure 8, on obtient un rapport proportion- nel, représenté par la droite h, entre la charge de la turbine et la pression de la vapeur dans le tuyau 37 Il existe aussi un rapport entre les pressions de la vapeur de chauffage et de la vapeur engendrée dans l'évaporateur 30, comme le montre la figure 7 Ces deux figures montrent que quand on chauffe l'appareil 30 avec la vapeur extraite de la turbine, la pres- sion de la vapeur engendrée varie en même temps que celle de la vapeur de chauffage et, ainsi, la pression de la vapeur préventive est automatiquement réglée. La figure 9 montre une modification dans laquelle un détecteur de pression 55 est installé sur le tuyau 28 dans lequel circule la vapeur extraite de la turbine à basse pres- sion 25 Le signal de ce détecteur est appliqué à un appareil de commande 56 qui règle le degré d'ouverture d'une valve de réduction ou de modération de pression 57 prévue à la place de l'orifice de réduction de pression 42 De plus, comme repré- senté sur la figure 9, une valve de commande de pression 57, installée dans le tuyau de vapeur 41, peut être utilisée pour régler la pression de la vapeur produite De plus, la figure 9 montre que dans l'évaporateur 30 le chauffage du condensat est réalisé en utilisant seulement la vapeur principale du réacteur Un appareil de contrôle de la qualité de l'eau 60, tel qu'un épurateur, peut être intercalé dans le tuyau relié au réservoir de stockage 33 du condensat, afin d'en éliminer certaines im- puretés, telles que l'oxygène dissout. Comme le montre la figure 10, une valve de modéra- tion de pression 57 pourrait être installée, à la place de l'orifice 42, auquel cas l'appareil 44 détectant l'ouverture de la valve et la valve 43 ne sont plus nécessaires. En outre, comme représenté sur la figure 11, la commande de l'ouverture de la valve de modération 57 pourrait être assurée en fonction d'un signal provenant d'un détecteur 51 relié à la génératrice électrique La pression de la vapeur engendrée dans l'évaporateur est mesurée par un détecteur de pression 53, réglant ainsi la valve de commande 52 de la vapeur principale, de sorte que la valve 36 est commandée de façon à maintenir son degré d'ouverture presque constant La commande du fonctionnement de la valve de modération de pression 52 pourrait aussi être réalisée de la même manière que celle décrite en regard de la figure 4, même quand le fonctionnement de la valve de réglage de pression 52 de la vapeur principale est commandé par le signal du détecteur de pression 55, comme représenté sur la figure 12. Bien que, au cours de la description précédente, on n'ait fait mention que d'une installation de turbine de vapeur adaptée pour une centrale nucléaire du type REB, il est à noter que l'invention convient aussi aux centrales géother- miques o on utilise de la vapeur contenant des quantités con- sidérables d'impuretés. On conçoit que le plus grand avantage de l'inven- tion réside en ce que, en utilisant l'appareil destiné à pro- duire la vapeur pour les garnitures d'étanchéité afin d'alimen- ter les parties de la turbine dans lesquelles risquent de se développer des fissures dues à la corrosion par contraintes, on obtient une turbine perfectionnée sans qu'il soit nécessaire d'avoir recours à des appareils auxiliaires coûteux pour engen- drer la vapeur préventive ou de protection. il Bien entendu,'l'invention n'est pas limitée au mode de réalisation qui vient d'être décrit et représenté On pourra y apporter de nombreuses modifications de détail sans sortir pour cela du cadre de l'invention. R E Y E N D I C A T I O N S 1 Installation de turbine à vapeur qui comprend une turbine à vapeur ( 23) ayant un rotor ( 1) du type à emman- chement à retrait; un appareil d'alimentation de vapeur pour alimenter avec de la vapeur certaines garnitures d'étanchéité de la turbine ( 23) et des moyens pour alimenter avec une vapeur préventive le voisinage des parties de la turbine à vapeur ( 23) qui, en l'absence d'une telle vapeur préventive seraient susceptibles de développer des fissures dues à la corrosion par contraintes, caractérisée en ce que la vapeur préventive est produite par ledit appareil d'alimentation de vapeur. 2 Installation de turbine à vapeur selon la revendication 1, caractérisée en ce que ledit appareil d'ali- mentation de vapeur comprend un évaporateur ( 30) utilisant soit le courant de vapeur principal, soit un courant extrait d'une turbine en tant qu'agent de chauffage, tandis que la vapeur préventive est engendrée dans l'évaporateur ( 30) - Installation de turbine à vapeur selon la revendication 2, caractérisée en ce que les moyens-d'alimen- tation de la vapeur préventive comprennent un tuyau de vapeur ( 41) s'étendant entre l'évaporateur ( 30) et la turbine et com- portant un appareil de réduction de pression ( 42) pour conver- tir la vapeur humide engendrée dans l'évaporateur ( 30) en une vapeur sèche. Installation de turbine à vapeur selon la revendication 3, caractérisée en ce que l'appareil de détec- tion de vapeur ( 44) est installé en aval de l'appareil de ré- duction de pression ( 42) - 50 Installation de turbine à vapeur selon la revendication 2, 3 o 4, caractérisée en ce que l'évaporateur ( 30) reçoit un condensat propre d'un réservoir de stockage ( 33) de condensat. 6 Installation de turbine à vapeur selon la revendication 2 ou 3, caractérisée par des moyens pour détec- ter la vapeur ( 44) en détectant la charge de la turbine ( 23), et par des moyens de commande pour recevoir ledit-signal de détection et pour commander soit la pression de la vapeur en- gendrée dans l'évaporateur, soit-le fonctionnement de l'appa- reil de réduction de pression ( 42). 7 Installation de turbine à vapeur selon la revendication 6, caractérisée en ce que lesdits moyens de dé- tection de vapeur comprennent un appareil ( 51) détectant l'énergie de sortie d'une génératrice électrique installée sur une génératrice électrique de turbine, ou un appareil de détec- tion de la-pression de la vapeur extraite d'une turbine instal léesur un tuyau d'extraction de vapeur d'une turbine. 8 Installation de turbine à vapeur selon la revendication 6, caractérisée en ce que lesdits moyens de com- mande comprennent un appareil de commande d'une valve de réduc- tion ou de modération de pression ( 36) pour régler une-valve de modération de pression de vapeur principale, de façon à régler la quantité de vapeur principale devant être fournie audit évaporateur ( 30). 9 Installation de turbine à vapeur selon la re- vendication 8, caractérisée en ce que l'appareil de commande de la valve de modération de pression reçoit des signaux,d'un détecteur de pression ( 53) de vapeur engendrée installé sur ledit évaporateur ( 30). Installation de turbine à vapeur selon la re- vendication 6, caractérisée en ce que lesdits moyens de com- mande comprennent un appareil de commande d'alimentation de va- peur pour commander le fonctionnement dudit appareil de réduc- tion de pression ( 36). 11 Installation de turbine à vapeur selon la revendication 6, caractérisée en ce que ledit appareil de réduc- ti-on de pression est une valve de modération installée sur un tuyau d'alimentation de vapeur s'étendant entre ledit évapora- teur ( 30) et ladite turbine à vapeur ( 23). Installation de turbine à vapeur selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce que les parties de la turbine ( 23) auxquelles ladite vapeur pré- ventive est fournie sont les disques des roues ( 2) de la turbine adjacents au rotor ( 1) de celle-ci -