Brevet FR2687429A1 — publié le 19930820

Procédé et dispositif pour supprimer l'instabilité d'une turbine à vapeur. On sait que le rotor d'une turbomachine est soumis à un système de forces externes dont les principales sont celles des paliers qui mainti.ennent et positionnent l'arbre, les forces tournantes dues aux balourds, les forces aérodynamiques liées à l'écoulement du fluide dans les labyrinthes ainsi que dans les aubages. Les dernières forces jouent un râle très important, elles correspondent en effet à des forces transversales perpendiculaires au déplacement de l'arbre, dites forces Ces forces sont de sens direct, c'est-à-dire qu'elles s'exercent dans le sens de rot.ation du rotor et peuvent être l'origine d'une instabilité du rotor en empêchant une exploitation normale de la machine. On connatt un procédé consistant à générer des termes "croisés" de sens opposés à ceux qui déstabilisent la machine ainsi, selon un dispositif connu, on envoie un fluide à travers des fentes effectuées dans une paroi cylindrique fixe, dans un espace annulaire compris entre cette paroi et un tambour lié au rotor, les fentes étant dirigées sensiblement tangentiellement à l'espace annulaire et en sens inverse de la rotation du rotor, donc du tambour. Par ce procédé, on arrive à supprimer complètement l'instabilité de la machine, cependant, des précautions sont nécessaires car le remède peut excéder le mal et l'on peut générer ainsi une instabilité dans le sens rétrograde. La présente invention a pour but de pallier cet inconvénient et s'applique aux turbines à vapeur alimentées progressivement par secteurs d'injection successifs. L'invention a ainsi pour objet un procédé pour supprimer l'instabilité d'une turbine à vapeur alimentée progressivement par secteurs successifs, et comportant en bout d'arbre, côté admission, un espace annulaire compris entre un tambour cylindrique lié au rotor de la turbine et une paroi cylindrique entourant ledit tambour, caractérisé par le fait que ledit espace annulaire est alimenté en vapeur provenant des secteurs de la turbine, injectée en lui imprimant une vitesse de rotation rétrograde par rapport au sens de rotation du rotor, progressivement, en même temps que s'effectue l'alimentation successive de chaque secteur d'alimentation. L'invention a aussi pour objet un dispositif pour la mise en oeuvre du procédé, caractérisé en ce que chaque secteur d'alimentation de la turbine est relié à une chambre annulaire effectuée dans ladite paroi cylindrique et comportant une série circulaire de fentes d'alimentation dudit espace annulaire, chaque fente alimentant ledit espace sensiblement tangentiellement, en sens inverse du sens de rotation de la turbine. Selon une réalisation préférée de mise en oeuvre de l'invention, le dispositif est caractérisé en ce qu une chambre annulaire de mise en vitesse est aménagée en amont dudit tambour cylindrique, face audit espace annulaire et communiquant avec celui-ci sur tout son pourtour, chaque secteur d'alimentation de la turbine étant relié à une chambre d'alimentation en forme d'arc, comportant des fentes d'injection tangentielle vers ladite chambre annulaire de mise en vitesse, dirigées en sens inverse de la rotation du rotor, ladite chambre annulaire de mise en vitesse comportant, en son point le plus bas, un orifice de purge débouchant à l'extérieur. Dans cette réalisation préférée, la chambre annulaire de mise en vitesse permet une séparation de la phase liquide et de la phase gazeuse soit pendant la période de démarrage de la turbine, au cours de laquelle une partie de la vapeur risque de se condenser au contact des parois encore froides, soit en fonctionnement normal lorsque la turbine est alimentée en fluide saturé. Ainsi, grâce à l'invention, on réalise pratiquement un générateur actif de forces "croisées" de sens rétrograde qui augmentent proportionnellement à la montée en puissance de la turbine et donc proportionnellement à celles de sens direct qui provoquent l'instabilité. Ces forces se compensent donc de façon permanente et quel que soit le régime de la turbine, on ne risque donc plus de voir le système des forces rétrogrades l'emporter sur le système des forces directes ou inversement. On va maintenant donner la description de deux exemples de mise en oeuvre de l'invention en se référant au dessin annexé dans lequel La figure 1 montre selon une vue simplifiée et partielle, en coupe axiale, une turbine à vapeur équipée du dispositif selon l'invention. La figure 2 est une coupe selon II-II de la figure 1. La figure 3 est un détail agrandi montrant une fente d'injection. La figure 4 est une vue semblable à celle de la figure 1 mais montrant une variante préférée de l'invention. La figure 5 est une coupe selon V-V de la figure 4. En se reportant aux figures 1 et 2, on voit ainsi une turbine à vapeur comportant un rotor dont l'arbre 1 porte deux roues 2 et 3 équipées d'aubes 4 et 5 et un stator 6 équipé de diaphragmes 7 et 8 portant des aubes fixes 9 et 10. La turbine est alimentée en vapeur par deux secteurs 11 et 12 reliés chacun à une soupape d'admission, selon une disposition bien connue. Ces soupapes ne sont par représentées. Bien évidemment, bien que sur les deux exemples donnés, les turbines sont alimentées par deux secteurs, l'invention s'applique quelque soit le nombre de secteurs d'injection que comporte la turbine. En bout d'arbre de la turbine, côté admission, est monté un tambour cylindrique 13. Ce tambour délimite entre lui et une paroi cylindrique 14 entourant le tambour, un espace annulaire 15. Le secteur 11 d'alimentation de la turbine est relié par un canal 16 à une première chambre annulaire 17 effectuée dans la paroi cylindrique 14. La chambre annulaire 17 comporte, face au tambour 13 une série circulaire de fentes 18 d'alimentation de l'espace annulaire 15. Comme on le voit sur la figure 2, ces fentes 18 sont réalisées sensiblement tangentiellement à l'espace annulaire 15 et en sens inverse de la rotation du rotor figurée par la flèche 19. De la meme façon, le secteur 12 est relié par un canal 20 à une deuxième chambre annulaire 21 qui comporte une série circulaire de fentes 22 d'alimentation de l'espace annulaire 15. Sur la figure 3 on voit le profil d'une fente d'injection 18. Ainsi, au fur et à mesure de l'ouverture des soupapes d'alimentation des secteurs 11, 12, et des autres dans le cas d'une turbine à plus de deux secteurs, le débit de vapeur injecté dans l'espace annulaire 15 croît également, alimenté successivement par la chambre annulaire 17 puis 21, et suivantes dans le cas où il y a plus de deux secteurs. Ainsi, les forces antagonistes de celles produisant une instabilité dans le sens direct, croissent-elles proportionnellement avec ces dernières et en sens inverse. Les figures 4 et 5 montrent une réalisation préférée permettant d'éviter qu'une éventuelle condensation de vapeur ne vienne s'accumuler dans l'espace circulaire 15 et provoquer des dommages. Ceci peut se produire en effet, soit lorsque la turbine est alimentée en vapeur saturée, soit même au démarrage de la turbine lorsque les parois sont encore froides. A cet effet, il est aménagé une chambre annulaire 23 de mise en vitesse, en amont du tambour cylindrique 13, devant l'espace annulaire 15. Cette chambre annulaire 23 communique avec l'espace annulaire 15 sur tout son pourtour par une courte transition à section décroissante 24. Le-point bas de cette chambre annulaire 23 comporte un orifice de purge 25 qui débouche à l'extérieur. Le secteur 11 d'alimentation de la turbine est relié par un canal 26 à une chambre d'alimentation en forme d'arc 27, comportant des fentes dtinjection 28 alimentant la chambre annulaire de mise en vitesse 23. Comme dans l'exemple précédent, ces fentes sont tangentielles et dirigées en sens inverse de la rotation du rotor, figurée par la flèche 19. De la même façon, le secteur 12 est relié par un canal 29 à une chambre en forme d'arc 30, comportant des fentes d'injection 31 alimentant la chambre annulaire de mise en vitesse 23. Ainsi, dans cet exemple, la rotation du fluide est créée, avant son entrée dans l'espace annulaire 15, dans la chambre annulaire 23 située à l'entrée de cet espace annulaire 15. Cette chambre permet une séparation de la phase liquide et de la phase gazeuse. - la figure N01 et la figure N04 présentent l'application du procédé dans le cas particulier d'une turbine montée en porte à faux. L'application du même procédé sur une turbine montée entre paliers ne présenterait pas de difficultés particulières. REVENDICATIONS 1) Procédé pour supprimer l'instabilité d'une turbine à vapeur alimentée progressivement par secteurs successifs (11, 12), et comportant en bout d'arbre, côté admission, un espace annulaire (15) compris entre un tambour cylindrique (13) lié au rotor de la turbine et une paroi cylindrique (14) entourant ledit tambour (13), caractérisé par le fait que ledit espace annulaire (15) est alimenté en vapeur provenant des secteurs de la turbine, injectée en lui imprimant une vitesse de rotation rétrograde par rapport au sens de rotation du rotor, progressivement, en meme temps que s effectue l'alimentation successive de chaque secteur (11, 12) d'alimentation. 2) Dispositif pour la mise en oeuvre du procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que chaque secteur (11, 12) d'alimentation de la turbine est relié à une chambre (17, 21) annulaire effectuée dans ladite paroi cylindrique (14) et comportant une série circulaire de fentes d'alimentation (18, 22) dudit espace annulaire (15), chaque fente (18, 22) alimentant ledit espace (15) sensiblement tangentiellement, en sens inverse du sens de rotation de la turbine. 3) Dispositif pour la mise en oeuvre du procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que qu'une chambre annulaire de mise en vitesse (23) est aménagée en amont dudit tambour cylindrique (13), face audit espace annulaire (15) et communiquant avec celui-ci sur tour son pourtour, chaque secteur (11, 12) d'alimentation de la turbine étant relié à une chambre d'alimentation en forme d'arc (27, 30), comportant des fentes (28, 31) d'injection tangentielle vers ladite chambre annulaire de mise en vitesse (23), dirigées en sens inverse de la rotation du rotor, ladite chambre annulaire de mise en vitesse (23) comportant en son point le plus bas, un orifice de purge (25) débouchant à l'extérieur.