Brevet FR2569766A1 — publié le 19860307

La présente invention concerne le domaine de la construction des machines pour la production d'énergie et a notamment pour objet un cylindre basse pression de turbine à vapeur. Il est particulierement avantageux d'appliquer la présente invention dans les installations à vapeur de puissance unitaire élevée, ainsi que dans les installations de transport, en particulier lorsque, pour diminuer l'encombrement du dernier étage et de la tubulure d'echappement, on doit utiliser des vitesses élevées (transsoniques) à la sortie de la roue à aubage de la turbine du dernier étage. A l'heure actuelle, dans la pratique mondiale de la construction des machines de production d'énergie, le problème de l'obtention d'une puissance la plus élevée possible d'un courant dans un cylindre basse pression est devenu le problème le plus important à résoudre pour créer des turbines à vapeur superpuissantes, car c'est la puissance qui détermine le nombre nécessaire de cylindres basse pression. Ceci accroît fortement les investissements lors de la création d'installations à turbine puissantes. Ce problème est lié habituellement à la création d'aubes d'une longueur la plus grande possible compte tenu des conditions de résistance mécanique auxquelles doit satisfaire la roue à aubage de la turbine du dernier étage. La tendance à l'augmentation de la longueur des aubes de la roue à aubage de la turbine du dernier étage a abouti à la création de turbines dans lesquelles la longueur des aubes de la roue à aubage de la turbine a atteint 1200 mm. Toutefois, cette solution a rendu difficile le profilage aérodynamique desdites aubes, le rendement économique du dernier étage a décru tant à cause de l'augmentation des pertes aux aubes de la roue à aubage de la turbine que par suite de l t augmentation sensible des pertes d'énergie cinétique avec le courant d'échappement. Dans certaines turbines, ces pertes ont atteint 40 à 45 kJ/kg.La valeur réelle de l'énergie perdue, déterminée par la différence d'enthalpie, c'est-à-dire par la différence entre l'enthalpie de freinage total du courant en aval du dernier étage et l'enthalpie du courant à son entrée dans la tubulure d'échappement, se trouve sensiblement accrue du fait que les tubulures d'échappement de types classiques offrent une résistance assez forte qui, pour être surmontée, nécessite une différence d'enthalpie supplémentaire de 30 à 40%, qui dépasse les valeurs précitées pour des vitesses modérées en aval du dernier étage. Il s'ensuit que pour évaluer la puissance limite d'un courant dans le cylindre basse pression, il faut prendre en considération les propriétés aérodynamiques de la tubulure d'échappement. Ces propriétés des types classiques de tubulures d'échappement sont loin d'être parfaites. On connaît un cylindre basse pression de turbine à vapeur fabriqué par la société "Parson", dans le corps duquel est monté un arbre portant les étages de travail et supporté par des paliers. En aval du dernier étage (suivant le sens du mouvement de la vapeur), est disposée une tubulure d'échappement sans diffuseur, constitué par un prolongement naturel du corps du cylindre basse pression. Cette tubulure n'est pas symétrique par rapport à l'axe longitudinal du corps. Le courant de vapeur débouchant du dernier étage tourne de 900. Pour aider le courant à effectuer cette rotation, la paroi arrière de la moitié supérieure du corps de la tubulure est exécutée curviligne. Un évidement local est prévu au même endroit, dans la moitié supérieure du corps, suivant toute la hauteur de ladite paroi, pour assurer l'accès aux paliers du cylindre basse pression.De ce fait, la paroi arrière du corps dans la zone de montage des paliers se trouve trop près du plan de sortie de la vapeur du dernier étage, ce qui altère la symétrie du courant dans la direction circonférentielle et conduit à une augmentation de la résistance à la sortie de la turbine. Les cylindres basse pression de la majorité des grosses turbines sont éxécutés de la meme manière. Pour apprécier le degré de perfection de la construction de la tubulure d'échappement, on se servira ici du coefficient t z des pertes totales, -défini comme étant le rapport entre, d'une part, la différence d'enthalpie prise sur l'isoentropie, entre les paramètres Po1, To1 de freinage total du courant en aval de l'étage et la pression statique P2 dans la section de sortie de la tubulure d'échappement, et d'autre part, la différence des enthalpies équivalente à l'énergie cinétique du courant quittant l'étage Si l'on désigne par Po1 la pression de freinage total du courant de vapeur en amont de son entrée dans la tubulure d'échappement, et par P, la pression statique, le coefficient mentionné peut être représenté de la manière suivante où P est la pression statique en amont de l'entrée de la tubulure d'échappement, P2 est la pression statique dans la section de sortie de la tubulure d'échappement; Po1 est la pression de freinage total du courant en amont de l'entrée de la tubulure d'échappement; k est i'indice d'isoentropie. En introduisant dans l'expression ci-dessus la vitesse ad imens ionne Ile > 1 en amont de l'entrée de la tubulure d'échappement (en aval du dernier étage), proportionnelle à la valeur du dénominateur de la relation (1) et égale au rapport de la vitesse absolue C1 du courant en amont de l'entrée de la tubulure d'échappement à la vitesse critique a*, on obtient la relation suivante au lieu de la relation (I): Le coefficient # des pertes totales est supérieur à 1 lorsque la pression statique P2 dans la section de sortie de la tubulure d'échappement est inférieure à la pression statique P1 en amont de l'entrée de la tubulure d'échappement.En d'autres termes, lorsque > 1, pour surmonter la résistance dans la tubulure, il faut dépenser une anergie dépassant énergie du courant quittant le dernier étage de la turbine. Dans les constructions classiques des tubulures d'échappement coefficient sans diffuseur, la valeur du coefficient ss z des pertes totales varie dans les limites f z = 1,2 - 1,5, autrement dit, l'énergie est dépensée dans la tubulure d'échappement sans diffuseur sans effectuer alors aucun travail, ce qui se traduit par un abaissement du rendement de la turbine. Ainsi, pendant le mouvement du courant de vapeur à travers la tubulure d'échappement, ainsi que pendant l'écoulement d'un liquide à travers des tuyères convergentes et des tubes, a lieu une chute de pression dans la direction de la section de sortie. Dans ce cas, la vitesse en amont de la tubulure d'échappement ne peut pas être arbitraire et, par conséquent, la consommation de la valeur pour les paramètres initiaux imposés Po1 et To1 ne peut, elle non plus, être arbitraire. Si, à l'entrée de la tubulure d'échappement, la vitesse atteint la valeur maximale admissible, le débit de la tubulure d'échappement est déterminé seulement par les paramètres d'entrée. Avec l'accroissement du débit à travers le cylindre basse pression, la pression statique P1 et la pression Po1 du freinage total de la vapeur en amont de l'entrée dans la tubulure d'échappement augmentent, alors que la pression P2 dans la section de sortie de la tubulure, qui est déterminée par la pression dans le condenseur, reste invariable. Lorsque la vitesse adimensionnelle > 4 atteint sa valeur maximale, elle reste constante, tandis que le rapport P2/Po1 diminue, alors le coefficient F z des pertes totales croît brusquement selon la relation (II). Le coefficient t z des pertes totales représente la somme des coefficients ( des pertes intérieures dans la tubulure et des pertes t C ayant lieu à la vitesse de sortie. Donc, en diminuant la valeur du coefficient des pertes intérieures dans la tubulure et, notamment, les pertes dues au frottement et les pertes résultant du décollement du courant, on diminue le coefficient des pertes totales et la valeur maximale admissible de la vitesse la du courant à la sortie du dernier étage croit,autrement dit, le débit de vapeur à travers la tubulure d'échappement croît. Il convient de souligner encore une fois qu'il est impossible de concevoir le dernier étage de la turbine sans prendre en considération les performances aérodynamiques de la tubulure d'échappement. En particulier, il n'est pas raisonnable de calculer le dernier étage de la turbine pour une vitesse de sortie 1 du courant supérieure à la vitesse maximale Xîmax du courant à l'entrée de la tubulure d'échappement, vitesse admissible selon les conditions de résistance de la tubulure d'échappement. Dans le cas contraire, une expansion insuffisante du courant de vapeur aura lieu dans le dernier étage, et cet étage aura un rendement inférieur à la valeur calculée et développera une plus petite puissance. Il s'ensuit que le problème de l'élévation de la puissance limite du cylindre basse pression pour une hauteur donnée d'une aube de roue de la turbine du dernier étage est lié étroitement au problème de l'augmentation du débit de vapeur passant par la tubulure d'échappement. Les tentatives visant à résoudre ce problème ont abouti à la création d'un cylindre basse pression de turbine à vapeur (cf. le certificat d'auteur URSS nO 385061, cl. F01 D), où un canal diffuseur est prévu immédiatement en aval de l'étage pour réduire la vitesse du courant à l'entrée du corps de la tubulure d'échappement et transformer l'énergie cinétique du courant en énergie potentielle. Un arbre portant les étages de travail est monté dans le corps du cylindre basse pression de la turbine à vapeur sur des paliers. Une tubulure d'échappement pourvue d'un diffuseur équiradial à l'axe est montée coaxialement à l'arbre en aval du dernier étage suivant la direction du mouvement de la vapeur. Ledit diffuseur est formé par des surfaces coniques intérieure et extérieure disposées d'une manière concentrique. La surface conique extérieure est fixée par des ailettes de renforcement et des ailettes profilées, disposées sur la moitié de la longueur de la tubulure d'échappement sur le corps du cylindre basse pression. Dans la partie supérieure du diffuseur équiradial à l'axe est pratiquée une ouverture grâce à laquelle on peut monter ce diffuseur dans le corps asymétrique ayant une ouverture offrant l'accès aux paliers de l'arbre. A la partie inférieure de la tubulure, on a prévu une cloison verticale qui est perpendiculaire à l'axe de la turbine et est soudée aux ailettes profilées suivant toute la largeur de la tubulure et au bord de sortie de la surface conique extérieure à sa moitié inférieure. Le courant débouchant du diffuseur est partagé par la cloison verticale et les ailettes profilées en deux courants indépendants: un courant débouchant de ia moitié supérieure, et l'autre, de la moitié inférieure. Les ailettes profilées fixées sur le corps du cylindre basse pression assurent elles aussi l'évacuation régulière du courant de vapeur depuis la moitié inférieure du diffuseur et sa répartition régulière suivant la section de sortie de la tubulure d'échappement. La vapeur débouchant de la partie supérieure du diffuseur est tournée par les ailettes directrices vers le plan d'assemblage et est rejetée par les ailettes profilées vers le compartiment inférieur de la moitié inférieure de la tubulure d'échappement. Dans ce cylindre basse pression, la conception de la tubulure d'échappement assure de hautes performances aérodynamiques de cette tubulure aux vitesses )41 1 du courant de vapeur en amont de l'entrée de la tubulure d'échappement x 0,8 il s'établit un régime "d'obturation" de la tubulure d'échappement.Cette "obturation" consiste en ce que, à partir d'une vitesse maximales 1max' la pression en aval du dernier étage commence à varier proportionnellement au débit et la vitesse maximale îmax reste invariable. En conséquence, pour les paramètres initiaux imposés de la vapeur, la tubulure d'échappement constitue un élément qui limite la puissance limite du groupe turbogénérateur. On s'est donc proposé de mettre au point un cylindre basse pression dans lequel le diffuseur equiradial à l'axe de la tubulure d'échappement serait réalisé de maniere que ses dimensions géométriques empêchent le courant de vapeur d'atteindre des vitesses locales soniques et supersoniques dans le diffuseur et contribuent ainsi à l'accroissement de la puissance limite du cylindre basse pression par l'augmentation du débit de la tubulure d'échappement. Le problème ainsi posé est résolu du fait que le cylindre basse pression de la turbine à vapeur, dans le corps duquel est monté, sur des paliers, un arbre portant des étages de travail, ayant une tubulure d'échappement disposée en aval du dernier étage, suivant la direction du mouvement de la vapeur, et coaxialement à l'arbre, cette tubulure étant pourvue d'un diffuseur équiradial à l'axe, diffuseur formé par des surfaces coniques disposées concentriquement, fixées au moyen des ailettes de renforcement profilées sur la tubulure d'échappement, est caractérisé, selon l'invention, en ce que le diamètre extérieur de la bague dans la section d'entrée du diffuseur équiradial à l'axe constitue approximativement 102% à 118% du diamètre extérieur de la roue à aubage de la turbine du dernier étage. Ces dimensions géométriques du diffuseur equiradial à l'axe de la tubulure d'échappement permettent de créer une tubulure d'échappement avec une expansion brusque du courant de vapeur dans sa section d'entrée et assurent la diminution de la vitesse d'entrée du courant. On supprime ainsi le risque d'apparition de vitesses locales soniques et supersoniques du courant de vapeur dans le diffuseur. Ensuite, la valeur maximale admissible de la vitesse )i1max du courant de vapeur à la sortie du dernier étage augmente, c'est-à-dire que le débit de vapeur à travers la tubulure d'échappement croit. En conséquence, la puissance limite du cylindre basse pression croît. Si la valeur du diamètre extérieur de la bague extérieure dans la section d'entrée du diffuseur équiradial à l'axe est inférieur a 102% du diamètre extérieur de la roue à aubage de la turbine du dernier étiage, la baisse de la vitesse X du courant à l'entrée en amont de la tubulure d'échappement et, par conséquent, la diminution des vitesses locales dans le diffuseur sont induffisantespour obtenir une diminution sensible de la résistance de la tubulure.Comme il ressort de l'expérience acquise dans ce domaine,le coefficient t z des pertes totales de la tubulure d'échappement est minimal dans la plage des diamètres extérieurs de la bague dans la section du diffuseur constituant 103 % à 115 % du diamètre extérieur de la roue à aubage de la turbine du dernier étage. Si le diamètre varie de 103% a 102%, le coefficient ff z des pertes totales croît faiblement, si le diamètre extérieur de la bague dans la section d'entrée diminue encore dans la section d'entrée du diffuseur équiradial a l'axe, les pertes dans la tubulure d'échappement augmentent considérablement par suite des valeurs élevées des vitesses locales dans le diffuseur et atteignent une valeur maximale lorsque le diamètre extérieur de la bague est égal a 100% du diamètre extérieur de la roue à aubage de la turbine du dernier étage. Si le diamètre de la bague extérieure dans la section d'entrée du diffuseur radial à l'axe varie de 115% à 118% du diamètre extérieur de la roue à aubage de la turbine du dernier étage, le coefficient fz des pertes totales de la tubulure d'échappement crolt d'une manière peu sensible par suite de la faible élévation des pertes hydrauliques dues à l'expansion brusque du courant. A l'augmentation ultérieure du diamètre extérieur de la bague dans la section d'entrée du diffuseur, les pertes hydrauliques dues a l'expansion brusque du courant continuent à augmenter plus fortement, bien que l'élévation des pertes ne se manifeste pas si brusquement. Toutefois, il n'est pas rationnel d'augmenter le diamètre extérieur de la bague au-dessus de 118%, car l'élévation des pertes hydrauliques dans la tubulure provoque une diminution des performances aérodynamiques, ce qui peut provoquer le phénomène "d'obturation". Le cylindre basse pression exécuté selon l'invention assure la diminution de la vitesse du courant pendant son passage à travers le diffuseur et l'élévation de la pression statique dans le diffuseur pratiquement dans toute la plage subsonique des vitesses d'entrée jusqu'à 0,92, le coefficient 1 1 ~ 0,92, le coefficient # z des pertes totales, approxima- tivement jusqu'à 1,0, et l'augmentation de la puissance limite du cylindre basse pression, de 10 à 15%, les dimensions du dernier étage étant conservées. L'invention sera mieux comprise et d'autres buts, détails et avantages de celle-ci apparaîtront mieux à la lumière de la description détaillée qui va suivre d'un mode de réalisation donné uniquement à titre d'exemple non limitatif avec références aux dessins non limitatifs annexés dans lesquels - la figure 1 est une vue schématique d'un cylindre basse pression exécuté selon l'invention, en coupe verticale; - la figure 2 est une coupe suivant II-II de la figure 1; - la figure 3 est une coupe suivant III-III de la figure 1. Le cylindre basse pression de turbine à vapeur, conforme à l'invention, comporte un corps 1 (figure 1) avec un plan d'assemblage horizontal dans lequel est monté, sur des paliers 2, un arbre 3 portant des étages de travail 4. Chacun des étages 4 est formé par l'aubage directeur 5 et la roue a aubage 6 de la turbine. Une tubulure d'échappement 7, munie d'un diffuseur 8 équiradial à l'axe, est disposée en aval du dernier étage 4, suivant la direction du mouvement de la vapeur. Le diffuseur est formé par des surfaces coniques concentriques: une surface intérieure 9 et une surface extérieure 10. La surface conique extérieure 10 est fixée par les ailettes de renforcement directrices Il figure 2), montées suivant toute la longueur de la tubulure a partir de la paroi avant 12 jusqu' a sa paroi arrière 13, et au moyen des ailettes profilees 14, 15 et 16 (figure 3) disposées dans la paroi inférieure de la tubulure. Dans la partie inférieure de la tubulure 7, on a prévu une cloison verticale 17 perpendiculaire à l'axe de la turbine 6.Cette cloison est soudée aux ailettes profilées 14 suivant toute la largeur de la tubulure 4et au bord de sortie de la surface conique extérieure 10 du diffuseur. Les ailettes profilées 14 sont d'une longueur égale sensiblement à la moitié de la longueur de la tubulure 7 et sont fixées sur la paroi arrière 13 de la tubulure. La cloison verticale 17 et les ailettes profilées 14 partagent le courant de vapeur débouchant du diffuseur -a en deux courants indépendants: un courant débouchant de la moitié supérieure et l'autre débouchant de la moitié inférieure du diffuseur. Les ailettes profilées 15 sont fixées sur la paroi arrière 13 de la tubulure et sur la cloison verticale 17 et assurent une évacuation régulière d'un courant de vapeur depuis la moitié inférieure du diffuseur 8 et sa répartition régulière suivant la section de sortie de la tubulure d'échappement 7. Les ailettes profilées 16 (figure 3) sont fixées sur la paroi avant 12 de la tubulure 7 et sur la cloison verticale 17. Le courant de vapeur débouchant de la moitié supérieure du diffuseur 8 est tourné par les ailettes directrices 11 vers le plan d'assemblage et dirigé par les ailettes profi lées 16 vers la section de sortie de la tubulure d'échappement 7. Le diamètre extérieur D2 de la bague dans la section d'entrée du diffuseur 8 radial a l'axe constitue approximativement 102% à 1182 du diamètre extérieur D1 de la roue à aubage 6 du dernier étage 4. Le cylindre basse pression de la turbine a vapeur fonctionne de la manière suivante. A l'arrivez du courant de vapeur du dernier étage de travail 4 dans la section d'entrée du diffuseur 8 de la tubulure d'échappement 7, il se produit une brusque expansion du courant de vapeur du fait que le diamètre extérieur D2 de la bague dans la section d'entrée du diffuseur 8 constitue 102 a 118% du diamètre extérieur D1 de la roue a aubage 6 de la turbine. La détente ultérieure du courant se produit dans le diffuseur 8 sans décollements grace a la diminution de la vitesse cl a l'entrée dans la tubulure d'échappement. On assure ainsi un coefficient t z des pertes totales allant approximativement jusqu'à 1,0, et un fonctionnement fiable de la tubulure d'échappement à de hautes vitesses transsoniques jusqu'a 1 # 0,92 supprimant le risque de la formation du phénomène "d'obturation". REVENDICATION Cylindre basse pression de turbine à vapeur, du type comportant un corps (1) dans lequel est monté, sur des paliers (2), un arbre (3) portant les étages de travail (4), et une tubulure d'échappement (7) disposée en aval (suivant le sens de mouvement de la vapeur) du dernier étage de travail et coaxialement a l'arbre (3), cette tubulure étant munie d'un diffuseur (8) équiradial a l'axe, formé par des surfaces coniques (9 et 10) disposées concentriquement et fixées au moyen d'ailettes de renforcement profilées (11, 14, 15 et 16) sur la tubulure d'échappement (7), caractérisé en ce que le diamètre extérieur (D2 > de la bague dans la section d'entrée du diffuseur (8) équiradial à l'axe constitue approximativement 102 à 118% du diamètre extérieure (D1) de la roue à aubage (6) de la turbine du dernier étage (4).