Brevet FR2690202A1 — publié le 19931022

Perfectionnements aux modules haute pression de turbine à rotor tambour avec admission de vapeur à très hautes caractéristiques. La présente invention concerne des perfectionnements aux modules haute pression de turbine comportant une admission pour de la vapeur à très hautes caractéristiques, un échappement de vapeur, un rotor supportant des roues mobiles constituées d'ailettes mobiles et des parties statoriques comportant un corps externe et un corps interne10 supportant des étages fixes disposés entre les roues mobiles, le corps interne étant muni du côté admission d'un porte-garnitures assurant l'étanchéité de la vapeur admission. Les parties statoriques haute pression des turbines à vapeur comportent en plus des deux enveloppes constituées par le corps interne et le corps externe une troisième enveloppe à l'admission lorsque les pressions et les températures sont très élevées. Grâce à cette multiplicité des enveloppes on peut réduire l'écart de pression et de température entre celles- ci. Par ailleurs les corps interne et externe sont en deux parties et sont munies de brides dans le plan de joint horizontal pour permettre le boulonnage.25 La multiplication des enveloppes, la présence de bride au joint horizontal pour le boulonnage des corps conduisent: à une augmentation des dimensions transversales des enveloppes du stator à une non isotropie de ces mêmes enveloppes. Cela provoque une augmentation des efforts et affecte la tenue mécanique et thermique des enveloppes et de la boulonnerie. Ce problème est critique dans la zone d'admission o la pression et la température sont très élevées. Par ailleurs dans le cas des turbines à vapeur à action le rotor est muni de disques supportant les ailettes mobiles ce qui a pour conséquence une augmentation importante des dimensions transversales du rotor aileté et 5 par conséquent des parties statoriques. Le module de turbine selon l'invention de conception simplifiée et dont les dimensions ont été réduites tout en assurant un bon comportement mécanique et thermique est caractérisé en ce que le corps interne comporte deux corps10 attelés ensemble, un corps antérieur disposé du côté de l'admission et un corps postérieur disposé du côté de l'échappement, le corps antérieur étant monobloc et entourant une partie de rotor qui est un rotor tambour muni de rainures dans lesquelles sont fixées les pieds des15 ailettes. En séparant le corps interne en deux parties antérieure et postérieure on peut adapter chacune des parties aux caractéristiques de la vapeur. La partie antérieure dans laquelle la température et la pression de la vapeur sont très élevées comporte une enveloppe interne et un porte-garnitures d'étanchéité à l'admission isotropes donc sans boulonnage. Cette disposition a encore pour effet de réduire les dimensions radiales et transversales puisqu'elle supprime l'épaisseur de la bride nécessaire au boulonnage. D'autre part l'utilisation d'un rotor tambour (donc sans disques) à l'intérieur du corps interne antérieur permet de réduire la dimension radiale de la veine et corrélativement celle des enveloppes En outre cette30 réduction de la dimension radiale de la veine est favorable au rendement notamment pour les turbines à action. Enfin le corps ne comporte plus à l'admission que deux enveloppes, un corps externe et un corps interne. Ceci permet de réduire plus encore les dimensions transversales. A noter que la troisième enveloppe qui peut être parfois nécessaire pour des questions de fonctionnement en injection partielle ne l'est pas dans le cas de turbines supercritiques ( 250 bars, 5650 C) ou à caractéristiques5 encore plus élevées ( 350 bars, 5800 C) qui fonctionnent en injection totale à pression glissante. Selon une réalisation préférentielle de l'invention les rainures du rotor tambour situées dans la zone du corps interne antérieur sont longitudinales et les roues mobiles10 sont séparées par des entretoises de même forme que les pieds des ailettes glissées dans les rainures longitudinales et faisant face aux étages fixes qui sont constitués de diaphragmes monoblocs. En ce qui concerne la partie du rotor située dans la zone du corps interne postérieur, celle-ci peut être de construction classique avec des disques pour les turbines à action pour porter les ailettes mobiles ce qui présente l'avantage d'avoir un nombre d'étages limité. Cette partie de rotor peut être aussi à rotor tambour avec des rainures circonférentielles ce qui amène les avantages indiqués du rotortambour. Un module HP à rotor tambour est décrit dans la demande de brevet français no FR-9104855 au nom du demandeur.25 Le corps interne postérieur pour des raisons de simplification est en deux parties qui peuvent être soit boulonnées soit frettées. L'invention va maintenant être décrite plus en détail en se référant à des modes de réalisation particuliers cités à titre d'exemple et représentés sur les figures 3 à 20. La figure 1 représente une demi-coupe longitudinale d'un module HP de turbine à action classique. La figure 2 représente en demi-coupe radiale le module de la figure 1. La figure 3 représente en demi-coupe longitudinale une première réalisation du module de turbine selon l'invention. La figure 4 représente une coupe longitudinale d'une variante de la figure 3. La figure 5 représente une coupe radiale de la figure 4. La figure 6 représente une seconde réalisation du module de turbine selon l'invention. La figure 7 représente une coupe d'une roue mobile du module de la figure 6. La figure 8 représente une coupe d'un diaphragme du module de la figure 6. La figure 9 représente le montage circonférentiel des ailettes. Les figures 10, 12, 14 représentent les trois étapes du montage du module de la figure 3. Les figures 11, 13, 15 représentent les trois étapes du montage du module de la figure 6. La figure 16 représente une troisième réalisation du module de turbine selon l'invention. La figure 17 est une vue détaillée de la partie antérieure de la figure 3. La figure 18 est une vue détaillée de la partie antérieure de la figure 6. La figure 19 est une variante de la partie postérieure du rotor des figures 3 et 6. La figure 20 représente la climatisation des modules des figures 3 et 6. Le module HP de turbine à action classique (figure 1) comporte un rotor 1 muni de disques 2 supportant des ailettes mobiles 3 constituant des roues mobiles 4 et des30 parties statoriques 5 Les parties statoriques 5 comportent un corps externe 6 en deux parties boulonnées dans le plan de joint horizontal et un corps interne 7 supporté par le corps externe 6 qui est également en deux parties boulonnées dans le plan de joint Dans le corps interne 7 sont montées35 des diaphragmes 8 également en deux parties comprenant des aubes directrices fixes 9 de la veine 10 Chaque diaphragme 8 constitue la partie fixe d'un étage 40 avec la roue mobile 4 qui lui fait suite. Les diaphragmes 8 réalisés en deux parties pour permettre leur montage sont le siège de contraintes et de déformations différentes en fonction de l'azimut considéré. Ils doivent être surdimensionnés axialement surtout pour les premiers étages de manière à prendre en compte cette coupure au joint horizontal. Le module comporte des canalisations d'admission il débouchant dans une enveloppe interne 12 à l'intérieur du corps interne servant à la distribution de la vapeur dans la veine 10 qui se termine par l'échappement 13. Cette enveloppe 12 peut être réalisée de différentes manières Elle peut être réalisée en deux parties bouchées au joint et assembléespar un boulonnage ou elle peut être constituée de plusieurs porte-tuyères d'injection de la vapeur fixés sur le corps interne 7. Sur le corps interne 7 autour du rotor 1 côté admission est monté un portegarnitures 14 réalisé en deux parties et boulonné Il est muni de garnitures 15 assurant l'étanchéité entre le corps interne 7 et le rotor 1 côté admission. Une première réalisation du module de turbine à action est représentée à la figure 3. Le rotor 1 du module est un rotor tambour c'est-à-dire sans disques Il est muni de rainures circonférentielles 16 dans lesquelles sont logées les pieds 17 des ailettes mobiles 3 Un tel rotor est décrit dans la demande FR-A-9104855 au nom du demandeur.30 Le corps externe 6 des parties statoriques 5 du module est de construction classique et comporte deux parties boulonnées. Le corps interne 7 des parties statoriques est séparé en deux corps attelés un corps antérieur 18 du côté admission disposé dans -la zone antérieure (zone A) et un corps postérieur 19 du côté de l'échappement 13 dans la zone postérieure (zone P). Le corps antérieur 18 est monobloc c'est- à-dire sans coupure radiale donc parfaitement isotrope Il comporte deux demi-couronnes 20 munies de rainures 21 dans lesquelles sont glissées des aubes directrices 9 à l'unité, chaque ensemble d'aubes directrices 9 avec la roue mobile 4 qui lui fait suite constitue un étage 40. Le corps antérieur 18 emprisonne un porte-garnitures 14 qui comporte un tube externe monobloc 22 ' c'est-à-dire sans coupure radiale donc parfaitement isotrope qui vient fretter deux demi-couronnes 22 dans lesquelles sont montées des garnitures escamotables 15 faisant chacune une demi- circonférence Il peut bien sûr, y avoir plusieurs15 garnitures 15 en série Ces garnitures 15 assurent l'étanchéité avec l'arbre du rotor 1. Si on ne désire pas utiliser de garnitures escamotables 15, le portegarnitures 14 ne comporte plus de demi-couronnes et est complètement monobloc.20 Le corps postérieur 19 est réalisé en deux parties et attelé au corps antérieur 18 Il est isotrope et fretté par des frettes 39 Dans cette conception le frettage est total et facile à réaliser puisque le corps interne postérieur est entièrement cylindrique et ne comporte pas les admissions de25 vapeur. Comme le corps postérieur 19 est isotrope, les parties fixes de la veine 10 sont des aubes directrices 9 montées plein trou à l'unité à la coupure du joint horizontal dans les rainures 23 du corps interne.30 Ce corps postérieur 19 comporte une face avant 24 située à la frontière entre les zones A et P contre laquelle l'ensemble des demi- couronnes 20 de la zone A vient s'appuyer. La face avant 24 est prolongée par un rebord circulaire 25, qui vient se loger dans une gorge 26 ménagée dans la périphérie du corps antérieur 18, attelant ainsi les deux corps 18, 19 ensemble. Les demi-couronnes 20 (fig 17) comportent pour chaque étage 40 un segment d'étanchéité 41 pour empêcher ou freiner le débit de vapeur dans l'espace annulaire entre la couronne et le corps antérieur Cette fuite éventuelle est immédiatement récupérée à l'étage suivant par des trous 42 de manière à être sûr d'avoir la température du dernier étage de la zone A sur la face avant 24. Si la zone A comporte un nombre d'étages 40 trop important (voir figures 4 et 5), il est prévu d'introduire un appui intermédiaire 27 réalisé par une couronne 28 comportant plusieurs secteurs qui sont poussés de l'extérieur du corps antérieur 18 vers l'intérieur de celui- 15 ci les secteurs étant alors à cheval sur une rainure 29 circonférentielle ménagée à l'intérieur du corps antérieur 18 et sur une rainure 30 ménagée sur l'extérieur des demi- couronnes 20. Selon une variante de l'invention (voir fig 6) la zone A comporte un rotor tambour 1 dont les rainures 31 sont longitudinales. Dans cette conception on utilise comme sur les turbines à action comme parties fixes des étages 40 des diaphragmes 8 monoblocs sans coupure au joint horizontal25 donc parfaitement isotrope et de dimensions axiales réduites. Les ailettes 3 sont montées axialement sur le rotor 1 dans les rainures 31; des entretoises 32 portant les étanchéités vis-à-vis des diaphragmes assurent le remplissage de la rainure entre les roues mobiles 4 Ceci permet le montage des diaphragmes 8 monoblocs à la suite de chaque roue mobile 4 et entretoise 32. Une entretoise 33 d'extrémité située sous le porte- garnitures admission 14 bloque l'ensemble ailetages- entretoises dans le sens axial par l'intermédiaire d'une couronne 34 vissée sur le rotor. Sur la figure 7 on a représenté une coupe aa d'une roue mobile 4 de la zone A. Les pieds 17 des ailettes 3 ont à la base un épanouissement et sont exactement complémentaire des rainures longitudinales 31. Les pieds 17 des ailettes 3 d'une même roue mobile 4 sont jointifs au dessus des rainures 31 et les chapeaux 35 d'une même roue 4 sont montés en contact les uns avec les autres.10 Entre deux roues mobiles 4 d'ailettes 3 on a glissé les entretoises 32 qui ont la même forme que les pieds 17 des ailettes 3 dans chaque rainure (voir figure 8). Les entretoises 32 peuvent être séparées ou réunies par paquets de trois, quatre ou cinq Ces entretoises 32 ou paquets d'entretoises sont en contact les unes avec les autres au- dessus des rainures 31. Les entretoises 32 portent les étanchéités 36 en regard des moyeux 37 des diaphragmes 8. Chaque diaphragme 8 de la zone A (voir fig 18) comporte pour chaque étage 40 un segment d'étanchéité 41 pour empêcher ou freiner le débit de vapeur dans l'espace annulaire entre le diaphragme 8 et le corps antérieur 18. Cette fuite éventuelle est immédiatement récupérée à l'étage suivant par des rainures 43 de manière à être sûr d'avoir la25 température du dernier étape de la zone A sur la face avant 24 (voir fig 18). Une turbine à action avec rotor tambour ayant des rainures longitudinales est décrite dans la demande FR-A- 9200948 déposée le 29 janvier 1992 au nom du demandeur. Le corps postérieur 19 est constitué comme celui de la figure 3 sauf qu'à la place d'être fretté il est boulonné donc non isotrope. Les diaphragmes 8 constituant les parties fixes de la veine 10 sont réalisées en deux parties et montés à libre dilatation Cette disposition permet de mieux conserver les jeux radiaux rotor/stator lorsque celui-ci n'est pas isotrope. Nous allons maintenant décrire les montages des zones A et P pour les modules des figures 3 et 6. 1 Montaae ailetages et parties fixes des étages ZONE A Deux cas se présentent selon que les rainures du rotor tambour sont circonférentielles ou axiales. A Cas du montage circonférentiel des ailettes (figure 3) Les ailettes mobiles 3 comportent un pied 17 en forme de T renversé Le pied 17 de l'ailette 3 est introduit dans la rainure circonférentielle 16 en forme de T renversé puis15 pivote Lorsque toutes les ailettes 3 sont en place on introduit des cales 38 ayant même section que le pied 17 des ailettes 3 mais beaucoup plus minces (voir figure 9) Les dernières cales 38 sont coupées en deux dans le sens de la hauteur pour pouvoir être introduite et la dernière en20 trois. Dans le cas général il subsiste un jeu entre les chapeaux Ensuite on monte les aubes fixes 9 dans les demi- couronnes 20 puis on monte ces demi-couronnes 20 autour du rotor 1 aileté et tout en les maintenant provisoirement par25 des vis avant montage dans le corps antérieur 18 (voir figure 10). B Cas du montage axial des ailettes (figure 6) On monte chaque roue mobile 4 en totalité avec son propre serrage sur le rotor 1 en la faisant glisser axialement, on monte entre chaque roue mobile 4 les entretoises 32 dans les rainures longitudinales 31 et les diaphragmes monoblocs 8 (voir figures 7 et 8). On termine par l'entretoise d'extrémité 33 et la couronne 34 vissée sur le rotor 1 (voir figure 11). ZONE P voir figures 3 et 6) Dans la zone P on a choisi un montage circonférentielle des ailettes 3, les rainures 16 du rotor tambour 1 dans cette zone sont donc circonférentielles. Un montage axial des ailetages dans cette zone aurait été possible mais en fait plus complexe. Le montage a lieu comme indiqué ci-dessus (voir figure 9). Dans la zone P on peut prévoir comme décrit deux réalisations pour les parties fixes de la veine 10, selon que le corps postérieur 19 est boulonné ou fretté et le montage des étages fixes sera différent comme indiqué ci- dessous pour le montage des stators. On peut prévoir pour la dernière roue mobile 4 du rotor 1 (donc côté échappement) un montage axial dans des rainures 31 ' (voir fig 19) ce qui améliore les problèmes vibratoires. 2 Montaae des stators ZONE A (voir figures 12, 13) Dans la zone A le montage du corps interne 18 et du porte-garniture 14 sont identiques quel que soit le principe de montage de l'ailetage (axial ou circonférentiel). Il a été dit que ces deux pièces étaient isotropes et sans coupure radiale. Les ailetages 4 et les diaphragmes 8 ou aubes directrices 9 de la zone A sont montés sur le rotor 1 comme vu précédemment. Le porte- garniture 22 ' qui comporte un tube extérieur frettant deux demi- couronnes 22 portant les garnitures escamotables 15 est enfilé et centré sur le corps interne 18 par des clavettes extérieures au corps interne 18. Cet ensemble est ensuite enfilé sur le rotor 1 côté admission. Les diaphragmes 8 (fig 13) ou la couronne 20 portant les directrices 9 (fig 1 ") sont alors centrés par l'extérieur du corps antérieur 18 par des pions et sont ainsi montés à libre dilatation. Ce type de montage est nécessaire pour la construction mais compte tenu du corps antérieur 18 isotrope n'est pas nécessaire du point de vu de la conception. A noter que si le porte-garniture 14 ne comporte pas de garnitures escamotables 15 il est en totalité monobloc (fig 16). ZONE P (figures 3, 10, 12, 14) et (figures 6, 11, 13, 15). Le demi- corps antérieur inférieur 18 comprenant ses demi-diaphragmes 8 (fig 6) ou les directrices 9 (fig 3) est en place dans le demi-corps externe inférieur 6. L'ensemble rotor 1 corps antérieur 18 de la zone A est monté dans le corps externe inférieur 6 en prenant les précautions suivantes: rotor 1 en appui sur ses coussinets corps antérieur 18 en appui dans le corps externe 6 côté admission et attelé au demi-corps postérieur 9. On vient ensuite coiffer cet ensemble par le demi- corps postérieur supérieur qui comprend ses demi-diaphragmes 8 (fig 6) ou ses directrices 9 (fig 3). On boulonne (fig 15) ou l'on frette (fig 14) le demi- corps postérieur supérieur 2 suivant la conception choisie. Le demi-corps externe supérieur est ensuite monté et boulonné. A titre de variante pour les turbines à vapeur à action on peut pour la zone P prendre un rotor 1 à disques 2 tout à fait classique.30 Cette disposition permet de réduire le nombre d'étages 4, 8 de la zone P. Par contre bien entendu le rotor de la zone A est un rotor tambour à montage axial ou circonférentiel; sur la figure 16 les ailettes 3 sont représentées à montage axial. D'autre part le corps postérieur 19 de la zone P peut être comme pour la zone P des modules déjà décrit soit boulonné soit fretté. On peut prévoir (voir fig 20) un balayage par de la vapeur froide de l'espace interstatorique 44 A cet effet des prélèvements sont effectués sur un des derniers étages de la zone P par des fentes 45. On prélève à l'avant du porte-garniture 14 par des fentes 46 ménagées dans ce porte-garniture les fuites de vapeur chaude ayant passées les garnitures 25. Les fentes 46 sont continuées par des fentes 47 traversant le corps antérieur monobloc 18 et par des conduites 48 traversant l'espace interstatorique et alimentant par des fentes 49 un étage de la zone P, on évite15 ainsi l'échappement de la vapeur chaude de la partie avant du corps antérieur et de plus on fait travailler la vapeur chaude qui s'échappe On peut régler par des moyens 50, une fuite de vapeur froide à l'extérieur de l'espace interstatorique 44, ce qui permet de régler la température20 de cet espace et de refroidir éventuellement le rotor d'un autre module (MP par exemple). REVENDICATIONS 1/ Module haute pression de turbine comportant une admission ( 11) pour de la vapeur à très hautes caractéristiques, un échappement ( 13) de vapeur, un rotor ( 1) supportant des roues mobiles ( 4) constitués d'ailettes mobiles ( 3) et des parties statoriques ( 5) comportant un corps externe ( 6) et un corps interne ( 7, 18, 19) supportant des parties fixes ( 8, 9) constituant avec les roues mobiles ( 4) des étages ( 40), le corps interne ( 7, 18, 19) étant muni du côté admission ( 11) d'un porte-garnitures ( 14) entourant le rotor ( 1), caractérisé en ce que le corps interne ( 18, 19) comporte deux corps attelés ensemble, un corps antérieur ( 18) disposé du côté de l'admission ( 11) et un corps postérieur ( 19)15 disposé du côté de l'échappement ( 13), le corps antérieur ( 18) étant monobloc et entourant une partie de rotor ( 1) qui est un rotor tambour muni de rainures ( 16, 31) dans lesquelles sont fixées les pieds ( 17) des ailettes ( 3). 2/ Module haute pression de turbine selon la revendication 1, caractérisé en ce que le porte-garnitures ( 14) est monobloc en totalité. 3/ Module haute pression de turbine selon la revendication 1, caractérisé en ce que le porte-garnitures ( 14) comporte un tube externe ( 22 ') monobloc venant enserrer deux demi- couronnes ( 22) portant chacune une ou plusieurs garnitures escamotables ( 15). 4/ Module haute pression de turbine selon l'une des revendications précédentes caractérisé en ce que la turbine est à action, en ce que les rainures ( 31) du rotor tambour30 ( 1) situées dans la zone du corps interne antérieur ( 18) sont longitudinales et en ce que les roues mobiles ( 4) sont séparées par des entretoises ( 32) de même forme que les pieds ( 17) des ailettes ( 3) glissées dans les rainures longitudinales ( 31) et faisant face aux étages fixes qui35 sont constitués de diaphragmes monoblocs ( 8). / Module haute pression de turbine à action selon la revendication 4, caractérisé en ce que chaque diaphragme ( 8) d'un étage ( 40) est muni d'un segment d'étanchéité ( 41) assurant l'étanchéité entre ledit diaphragme ( 8) et le corps antérieur ( 18) et en ce que ledit diaphragme ( 8) est munie 5 d'une rainure ( 43) assurant l'envoi de la vapeur qui pourrait fuir dans l'étage suivant ( 40). 6/ Module haute pression de turbine selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que les rainures ( 16) du rotor tambour entouré par le corps interne antérieur ( 18) sont circonférentielles et en ce que le corps interne antérieur ( 18) enserre une ou deux paires de demi-couronnes ( 20) dans lesquelles sont montées des aubes directrices ( 9) indépendantes constituant les parties fixes des étages ( 40). 7/ Module haute pression de turbine selon la revendication 6, caractérisé en ce que les demi-couronnes ( 20) pour chaque étage ( 40) sont munies de segments d'étanchéité ( 41) assurant l'étanchéité entre lesdites demi-couronnes ( 20) et le corps antérieur ( 18) et en ce que lesdites demi-couronnes ( 20) sont munis de trous ( 42) assurant l'envoi de la vapeur qui pourrait fuir dans l'étage suivant ( 40). 8/ Module haute pression de turbine selon l'une des revendications précédentes caractérisé en ce que la partie du rotor ( 1) entourée par le corps interne postérieur ( 19) est un rotor tambour muni de rainures circonférentielles25 ( 16) dans lesquelles sont logées les pieds ( 17) des ailettes mobiles ( 3) constituant les roues mobiles ( 4). 9/ Module haute pression de turbine selon la revendication 6, caractérisé en ce que la dernière roue mobile ( 4) de la partie du rotor ( 1) entourée par le corps interne postérieur ( 19) qui est un rotor tambour est montée dans des rainures longitudinales ( 31 ') ménagées dans ledit rotor ( 1). / Module haute pression de turbine selon l'une des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que la turbine est à action et en ce que la partie du rotor située dans la zone35 du corps interne postérieur ( 19) est munie de disques ( 2) sur lesquels sont montées les ailettes mobiles ( 3) constituant les roues mobiles ( 4). 11/ Module haute pression de turbine selon l'une des revendications 8 à 10, caractérisé en ce que le corps interne postérieur ( 19) est constitué de deux parties 5 boulonnées dans le plan de joint dans lesquelles sont montés à libre dilation des diaphragmes ( 8) réalisés en deux parties constituant les étages fixes. 12/ Module haute pression de turbine selon l'une des revendications 8 à 10, caractérisé en ce que le corps interne postérieur ( 9) est constitué de deux parties frettées dans lesquelles sont enfilées des aubes fixes ( 9) constituant les étages fixes. 13/ Module haute pression de turbine selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il comporte des moyens ( 46, 47) de prélèvement de fuites de vapeur chaude s'échappant du porte-garnitures ( 14) et des moyens d'injection ( 48, 49) de cette vapeur chaude à l'intérieur du corps postérieur ( 19) et des moyens ( 44) de prélèvement de vapeur relativement froide à l'intérieur du corps postérieur20 ( 19) pour l'injecter dans l'espace interstatorique ( 44) situé entre corps intérieur ( 18) et postérieur ( 19) d'un part et corps externe ( 6), ladite vapeur froide pouvant être utilisée pour refroidir le rotor d'un autre module.