Brevet FR2624553A1 — publié le 19890616

L'invention se rapporte aux turbines à vapeur et peut être utilisée dans des turbines à vapeur de grande puis- sance, destinées à l'entraînement des génératrices qui pro- duisent de l'énergie électrique. Une turbine à vapeur comporte un rotor avec des roues à aubes,qui tourne à l'intérieur d'un corps fixe. Par une conduite d'admission, la vapeur sous haute pression et haute température entre dans le corps de la turbine. En agissant sur les aubes des roues réceptrices du rotor de la turbine, cette vapeur entraîne celui-ci en mouvement de rotation. Le débit de la vapeur à son entrée au corps est réglable par une soupape qui fait partie d'une boite de sou- pape. En pratique, on a souvent affaire à des turbines à vapeur dont la structure fixe est constituée de deux corps: corps intérieur qui renferme l'ensemble ou une partie du rotor, et corps extérieur qui entoure le corps intérieur-.. Pour les turbines de grande puissance, une telle disposi- tion est combinée à un circuit en boucle de distribution du flux de vapeur, o la vapeur attaque d'abord une partie des roue à aubes, celles qui ont un diamètre moins grand et sont contenues dans le corps intérieur, pour venir ensuite aux autres roues, d'un plus grand diamètre, qui se trouvent dans le corps extérieur, hors du corps intérieur. La ver- sion de turbine à deux corps est utile également lorsqu'on est obligé de monter, sur le corps extérieur, des tubulures d'évacuation de vapeur d'un fort diamètre. Pour.les turbi- nes qui utilisent la vapeur aux paramètres hypercritiques (pression: 24 MPa, température: 540 C), la version à deux corps devient une règle parce que, comparée à la turbine à un seul côrps, elle permet de réduire les gradients de tem-. pérature et de pression qui agissent sur les parois des corps. On connaît une turbine à vapeur (G.S.Zhiritsky, "Konstruktsia i raschot na prochnost detalei parovykh tur- bin", 1960, Gosenergoizdat, Moskva-Leningrad, page 222) qui possède un rotor avec des roues à aubes, un corps intérieur entourant une partie des roues à aubes du rotor, celles d'un moins grand diamètre, et un corps extérieur qui ren- ferme le corps intérieur et, avec lui, la partie restante des roues réceptrices du rotor, celles d'un plus grand dia- mètre et qui sont placées hors du corps intérieur. Le corps intérieur contient une boîte de tuyères qui sert à distri- buer la vapeur. Les corps intérieur et extérieur sont re- liés entre eux par un fourreau d'admission de la vapeur. Une boîte de soupape,avec une soupape qui assure des admission réglées de vapeur, est montée extérieurement sur le corps extérieur et est raccordée, via le forreau d'admission de la vapeur, à la tubulure d'entrée de la boîte de tuyères. Dans cette version de la turbine, la boîte de soupape est soumise à l'action de fortes différences de pression et de température, parce que la température et la pression, à l'intérieur de la boîte, sont déterminées par les paramètres de la vapeur, et à l'extérieur, par la température et la pression qui caractérisent l'ambiance au-dehors du corps extérieur de la turbine, et qui peuvent être égales, par exemple, à 50 C et à 0,1 MPa. Dans ces conditions, de for- tes contraintes mécaniques et thermiques dans les parois de la boîte de soupape font baisser sa sécurité de fonctionne- ment et réduisent sa durée de vie. Ceci est d'autant plus néfaste que, pour remplacer une boite de soupape, il faut arrêter la turbine, une certaine quantité d'énergie élec- trique ne sera pas fournie au réseau, et les pertes maté- rielles totales seront considérables. Augmenter l'épaisseur des parois de la boite de sou- pape serait une solution peu raisonnable parce qu'alors la probabilité de défauts au stade de fabrication de la boite, qui est un produit de fonderie, deviendrait plus forte. D'autres inconvénients apparaîtraient dans ce cas: pour fabriquer une'telle boite, les quantités de travail et de métal doivent être plus grandes, le temps de chauffe et de mise en régime de la turbine s'accroit et fait perdre 2624553- davantage d'énergie électrique. Si l'on place la boîte de soupape directement sur la surface extérieure du corps ex- térieur de la turbine, la hauteur hors tout de celle-ci devenant beaucoup plus grande, on est obligé de construire des salles plus spacieuses. De plus, une telle disposition de la boite rend plus difficile son entretien. On connaît une autre turbine à vapeur (SU, A, 362938) o un corps intérieur entoure une partie des roues à aubes du rotor, cellesd'un moins grand diamètre, un corps exté- rieur entoure le corps intérieur et la partie restante des roues à aubes du rotor, celles qui ont un plus grand dia- mètre, une boîte de tuyères étant placée dans le corps inté- rieur et une boîte de soupape étant montée extérieurement sur le corps extérieur à une certaine distance de sa sur- face et raccordée à la tubulure d'entrée de la boîte de tuyères par une conduite d'admission de vapeur qui se trouve en dehors du corps extérieur, et par un fourreau d'admission de vapeur situé entre les corps intérieur et extérieur. La longueur de la conduite entre la boîte de soupape et le corps extérieur est de 7 à 10 m. Un tel montage de la boite de soupape permet d'éviter l'augmentation considé- rable de l'encombrement de la turbine et l'accroissement des dimensions de la salle des machines, et facilite les opérations d'entretien de la boite de soupape. En outre le temps de mise en marche de la turbine diminue quelque peu grâce à la mise en température plus rapide de la boîte de soupape. Cependant, ici comme dans le cas précédent, la boîte de soupape subit l'effet des forts gradients de pression et de température qui, comme indiqué plus haut, conduisent à une moins bonne fiabilité et à des trop courtes durées de service de la. boite. En outre, des volumes considérables de vapeur, se trouvant dans les conduites d'amenée entre la boite de soupape et celle de tuyères, exercent une influence négative sur le "temps de turbine" en accélérant la rotation du rotor après la fermeture de la soupape provoquée par une coupure brusque de la charge, cette situation pouvant ame- ner une panne de l'équipement. Le but de la présente invention- est de créer une tur- bine à vapeur dans laquelle le montage de la boîte de sou- pape permettrait, d'une part, de réduire les gradients de pression et de température qui agissent sur les parois de la boite, de prolonger par cela même la durée de service et d'abréger le temps de mise en marche de la turbine; d'au- tre part, d'éviter la présence d'un volume considérable de vapeur entre la boite de soupape et celle de tuyères et, par ce fait, d'exclure la possibilité d'une panne en cas de coupure de la charge. L'objectif de l'invention est réalisé par le fait que, dans une turbine à vapeur comprenant un rotor avec des roues réceptrices, un corps intérieur qui renferme au moins une partie des roues réceptrices, un corps extérieur qui entoure le corps intérieur, une boîte de tuyères qui se trouve dans le corps intérieur et sert à injecter la vapeur dans le corps intérieur, et une boîte de soupape qui est assemblée, par un joint mobile, à la tubulure d'en- trée de la boîte de tuyères et sert à régler l'admission de la vapeur dans le corps intérieur, selon l'invention, la boite de soupape est placée entre les corps intérieur et extérieur et est reliée à ce dernier par assemblage fixe. Dans la boite de soupape ainsi disposée, les gradients de pression et detempérature sont sensiblement inférieurs par rapport au prototype, les contraintes thermiques et mécani- ques dans ses parois sont de ce fait moins fortes, la fiabi- lité et la durée de service de la boite s'améliorent. D'au- tres part, on met moins de temps pour mettre la turbine en état de marche parce que la boite de soupape et les corps de la turbine s'échauffent plus vite. L'absence d'un volu- me de vapeur incontrôlable entre la tubulure d'entrée de la boîte de tuyères et la boîte de soupape exclut la possibi- lité d'une panne en cas de coupure de la charge. Etant donné que les dimensions des corps extérieur et intérieur -2624553 de la turbine dépendent essentiellement des normes pour les gradients de pression et de température entre les volumes utiles des corps intérieur et extérieur, et des dimensions des tubulures d'évacuation de la vapeur, on peut, dans les turbines de grande puissance, de plus de 300 MW par exemple, placer la boite de soupape dans l'espace entre les corps extérieur et intérieur sans augmenter les dimensions de-la turbine. Dans ce qui suit, l'invention est illustrée par une description détaillée d'un exemple de sa réalisation donné en regard du dessin annexé qui représente la coupe longitu- dinale d'une turbine à vapeur conçue selon l'invention. La turbine à vapeur possède un rotor i avec des roues réceptrices 2 dotées d'aubes 3, un corps intérieur 4 qui entoure une partie des roues 2, des diaphragmes 5 munis de palettes 6 et occupant, dans le corps intérieur 4, les es- paces entre les roues 2, une boîte de tuyères 7 qui, avec sa tubulure d'entrée 8, se trouve dans le corps intérieur 4, et un corps extérieur 9 renfermant le corps intérieur 4 et la partie restante des roues réceptrices 2 du rotor 1 qui se trouvent hors du corps intérieur 4 et ont un diamètre plus grand que les roues 2 enfermées dans le corps inté- rieur 4. Les espaces entre les roues 2 situées hors du corps intérieur 4 contiennent eux aussi des diaphragmes 5 munis de palettes 6 et fixés dans un anneau 10 lequel, à son tour, est fixé sur la surface intérieure du corps extérieur 9. Sur la partie du corps extérieur 9 contenant celles des roues 2 qui se trouvent au-dehors du corps intérieur 4, est montée extérieurement une tubulure il d'évacuation de la vapeur. Des joints d'étanchéité i2 sont placés aux endroits o l'arbre du rotor i traverse les ouvertures axiales du corps extérieur 9. L'endroit de passage de l'arbre du rotor 1 par le trou axial du corps intérieur 4 du côté des roues à aubes situées hors du corps intérieur 4, est muni d'un joint d'étanchéité 13. Les palettes directrices 6 des dia- phragmes 5 et les aubes 3 'des roues réceptrices 2 situées dans le corps intérieur 4 constituent un espace d'écoulement 14 de la turbine. Les palettes directrices 6 des diaphrag- mes 5 et les aubes 3 des roues réceptrices 2 situées hors du corps intérieur 4 consitutent un espace d'écoulement 15 de la turbine. Placée entre les corps extérieur 9 et intérieur 4, une boite de soupape 16 contient une soupape qui comporte une cloche 17 et un siège 18 placé dans la douille d'une tubulure 19 de la boîte 16. La surface d'extrémité 20 de la boîte de soupape 16 est réunie à la surface interne 21 du corps extérieur 9, par exemple par soudage. La cloche 17 de la soupape est mobile par une tige 22 qui traverse un trou du couvercle 23 fixé dans la paroi d'une conduite de vapeur 24 raccordée à la partie supérieure du corps exté- rieur 9. La tubulure 19 de la boîte de soupape 16 est placée dans et mobile par rapport à la tubulure d'entrée 8 de la boîte de tuyère 7. Des bagues d'étanchéité 25, à la façon de segments de piston, par exemple, séparent les tubulures 19 et 8 et empêchent les fuites de vapeur de la boîte de tuyères 7 vers l'espace entre les corps intérieur 4 et extérieur 9. La mobilité de la tubulure 19 relativement à la tubulure 8 permet de compenser les déplacements, dus aux changement de température, du corps extérieur 9 par rapport au corps intérieur 4. La boite de soupape 16 commu- nique avec la conduite de vapeur 24 par un orifice d'admis- sion de vapeur 26. La turbine fonctionne de la manière suivante. De la vapeur aux paramètres nécessaires de régime, par exemple 540 C. et 24 MPa, est canalisée par la conduite 24 et l'orifice d'admission 26 vers la boite de soupape 16. Pour mettre la turbine en marche, on sépare la cloche 17 de la soupape de son siège 18, la vapeur passe dans la boite de tuyères 7 et entre dans l'espace d'écoulement 14 du corps intérieur 4. Les diaphragmes 5 dirigent successivement la vapeur sur les aubes 3 des roues réceptrices 2. En passant par l'espace d'écoulement 14 du corps intérieur 4, la vapeur entraîne en rotation le rotor de turbine. Au cours du fonctionnement de la turbine, le débit de la vapeur vers les roues 2 et, avec lui, la vitesse de rotation du rotor 1, sont réglables par un système de com- mande (non représenté sur le dessin) qui, à l'aide de'la tige 22, fait changer de position la cloche 17 de la sou- pape par rapport au siège 18. Si la turbine se décharge brusquement, par exemple, en cas de coupure de la charge électrique de la génératrice qu'elle entraîne, la cloche 17 de la soupape, mue par le système de commande, descend sur le siège 18 et ferme la soupape, coupant ainsi l'alimenta- tion en vapeur de la boite de tuyères 7, ce qui prévient l'accé- lération anormale du rotor lsusceptible de provoquer une panne. A mesure que la vapeur suit sa voie dans l'espace d'écoulement 14, ses paramètres décroissent et, à la sortie du volume entouré par le corps intérieur, atteignent, par exemple, 320 C et 16 MPa. Ayant quitté l'espace enfermé dans le corps intérieur 4, le flux de vapeur entre dans l'espace séparant les corps intérieur 4 et extérieur 9, fait un demi-tour, se dirige dans l'espace d'écoulement suivant 15 et attaque les aubes 3 des roues réceptrices 2 qui s'y trouvent, en don- nant au rotor 1 une énergie supplémentaire et en accélérant encore sa rotation. L'anneau 10 fixé de l'intérieur sur le corps extérieur 9 ne permet pas que la vapeur passe sans traverser l'espace d'écoulement 15 de la turbine. La vapeur finit son trajet dans la tubulure d'évacuation 11. Quand la turbine décrite ci-dessus fonctionne, les gradients de pression et de température qui agissent sur les parois de la boite de soupape 16 sont égaux aux diffé- rences de pression et de température de la vapeur qui entre dans la boite de tuyères 7 et de la vapeur qui est dans l'es- pace entre les corps intérieur 4 et extérieur 9. Or, la va- peur dans cet espace se trouvant.à des pression et tempéra- ture supérieures à celles qui caractérisent l'ambiance hors du corps extérieur 9, lesdits gradient% de pression et de température sont donc beaucoup moins forts si on les com- pare à ceux qui ont lieu dans les versions antérieures avec boite de soupape 16 installée extérieurement, sur le corps extérieur 9. Ainsi, dans l'exemple considéré, les gradients de pression et detempérature qui agiront sur les parois de la boite de soupape 16 seront, respectivement, de 24 -16 = 8 'MPa et 540 -320 = 220 C au lieu de 24 MPa et de 540 - 40 = 490 C pour la conception de turbine connue (si l'on prend pour la pression et la température hors du corps extérieur 9, respectivement, les valeurs de 0,1 MPa et de 50 C). Cette réduction des gradients de pression et de tempé- rature qui agissent sur les parois de la boite de soupape 16, signifie que les contraintes mécaniques et thermiques dans ses parois deviennent beaucoup moins fortes, sa fiabi- lité dans le service s'améliore et sa longévité grandit. Ceci permet d'étendre le temps de fonctionnement de la tur- bine entre les arrêts qui, dus à la nécessité de réparer ou de remplacer la boite de soupape, causeraient, pour une tur- bine de grande puissance, de fortes pertes dans la produc- tion d'énergie électrique et, probablement, des troubles chez les consommateurs de cette énergie. D'autre part, lors de la mise en marche de la turbine, la vapeur chauffe la boite de soupape non seulement de l'intérieur, mais aussi du côté de la surface extérieure qui, elle, est chauffée par la vapeur traversant l'espace entre les corps intérieur 4 et extérieur 9. De ce fait, dans une turbine que l'on met en marche, la boite de sou- pape 16 s'échauffe beaucoup plus vite que celle montée au- dehors du corps extérieur 9. Ainsi la disposition proposée réduit le temps de mise en marche de la turbine, qui, pour la production d'énergie électrique, est un temps perdu. Du fait que la boite de soupape 16 est contigu& à la boite de tuyères 7, il n'y a pas de volume incontrôlable de vapeur entre ces boîtes qui, comme indiqué plus haut, en cas de coupure de la charge et fermeture de la soupape, contri- buerait à l'accélération du rotor et à la probabilité d'une panne. Ainsi la turbine fonctionne avec plus de sécurité. On détermine les dimension du corps extérieur 9 de façon à obtenir le taux nécessaire de réduction de tempéra- ture et pression de la vapeur à sa sortie de l'espace en- fermé dans le corps intérieur 4, et en tenant compte'des dimensions de la tubulure d'évacuation de vapeur 11. Pour les grosses turbines (de puissances supérieures à 300 MW), les dimensions du corps extérieur s'avèrent pleinement suf- fisantes pour placer la boîte de soupape dans l'espace en- tre les corps intérieur et extérieur sans augmenter les - dimensions extérieures de la turbine. Le montage de la boîte de soupape dans l'espace entre les corps intérieur et extérieur est également réalisable dans le cas o toutes les roues réceptrices se trouvent dans le corps intérieur; alors la vapeur qui sort de l'es- pace enfermé dans le corps intérieur se dirige à travers l'espace entre les corps intérieur et extérieur, directe- ment dans la tubulure d'évacuation de la vapeur. R EVE NDICATION Turbine à vapeur du type comportant un rotor avec des roues réceptrices, un corps intérieur qui entoure au moins une partie des roues, un corps extérieur qui entoure le corps intérieur, une boîte de tuyères placée dans le corps intérieur pour envoyer la vapeur dans ledit corps intérieur, une boîte de soupape assemblée par joint mobile avec la tubulure d'entrée de la boîte de tuyères et servant à règler le débit de vapeur à l'entrée au corps intérieur, caractérisée en ce que la boîte de soupape (16) se trouve entre les corps intérieur (4) et extérieur (9) en assem- blage fixe avec le corps extérieur (9).