Brevet FR2719627A1 — publié le 19951110

UNITE DE PRODUCTION D'ENERGIE ELECTRIQUE A CYCLE COMBINE COMPORTANT UNE TURBINE A GAZ ET UNE TURBINE A VAPEUR A PLUSIEURS MODULES La présente invention concerne une unité de production d'énergie électrique à cycle combiné comportant, montés successivement sur une même ligne d'arbres par l'intermédiaire d'accouplements rigides, le rotor d'une turbine à gaz, les rotors d'une turbine à vapeur à plusieurs modules et le rotor d'un générateur électrique, la turbine à10 gaz étant montée mobile en translation axiale et étant équipée d'une butée fixée aux parties non tournantes de la turbine à gaz. L'association des deux turbomachines à écoulement axial sur une même ligne d'arbres permet de réduire les dimensions de la salle des machines par rapport au cas o chaque turbomachine entraîne son propre générateur électrique, de plus, cela permet de n'utiliser qu'un seul alternateur. Par contre, cela conduit à des lignes d'arbres très longues; les dilatations des rotors sont excessives et nécessitent de prévoir des jeux axiaux trop importants dans les veines des deux turbomachines, ce qui diminue le rendement. La présente invention a pour objet une unité de production d'énergie électrique à cycle combiné du type précité qui permet de limiter les jeux axiaux des veines des turbomachines à une faible valeur. Elle est caractérisée en ce que les parties statiques de la turbine à gaz et du premier module de la turbine à vapeur sont reliées entre elles par au moins deux bielles, en ce que lesdites bielles et les extrémités correspondantes des rotors de la turbine à gaz et du premier module de la turbine à vapeur sont enfermées dans une enceinte remplie d'un fluide conducteur de la chaleur et en ce que les35 extrémités en regard des parties statiques des deux derniers modules de la turbine à vapeur sont reliées chacune à un point fixe. Grâce à cette disposition, les jeux dans les veines de la turbine à gaz et du premier module de la turbine à vapeur sont pratiquement les mêmes que dans le cas d'une unité de production d'énergie électrique à deux lignes d'arbres et les jeux axiaux dans les veines du deuxième module de la turbine à vapeur sont faiblement augmentés. Dans le cas d'une unité de production d'énergie électrique comportant une turbine à vapeur à trois modules, les parties statiques des deux premiers modules de la turbine à vapeur sont également reliées par au moins deux bielles et lesdites bielles et les extrémités correspondantes des rotors des deux premiers modules de la15 turbine à vapeur sont enfermées dans une enceinte remplie d'un fluide conducteur de la chaleur. De cette manière, les jeux des veines de la turbine à gaz et du premier module de la turbine à vapeur sont toujours les mêmes que dans le cas d'une unité de production20 d'énergie à une seule ligne d'arbres et les jeux axiaux des deux derniers modules de la turbine à vapeur sont faiblement augmentés. Avantageusement, les enceintes précitées sont des carters en tôle contenant de l'huile de lubrification des paliers adjacents de la ligne d'arbres. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront de la description ci-après de deux exemples de réalisation de l'invention, avec référence aux dessins ci- annexés sur lesquels:30 - les figures 1 à 5 représentent schématiquement des unités de production d'énergie électrique de type connu, - la figure 6 représente schématiquement une unité de production selon l'invention, comprenant une turbine à gaz et une turbine à vapeur à deux modules, - la figure 7 représente schématiquement une unité de production selon l'invention, comprenant ne turbine à gaz et une turbine à vapeur à trois modules, - la figure 8 représente schématiquement une vue agrandie d'une partie de la figure 7. La figure 1 représente une unité de production d'énergie électrique associant une turbine à gaz et une turbine à vapeur; une telle association constitue une centrale électrique à cycle combiné qui peut être réalisé de10 plusieurs façons. Dans le cas de la figure 1, on utilise deux lignes d'arbres séparées, chaque turbomachine entraînant son générateur électrique tel qu'un alternateur. La turbine à vapeur comporte généralement plusieurs modules tels qu'un15 module à haute pression 1 et un module à basse pression 2 dont les parties tournantes ou rotors sont assemblés par un accouplement rigide 3 avec une butée fixe 4, et qui entraînent un premier alternateur 5. La turbine à gaz 6 entraîne un deuxième alternateur 7 auquel elle est reliée20 par un accouplement rigide 8 avec une butée fixe 9. Dans les dessins, le graphisme référencé "t" désigne une liaison entre les parties non tournantes d'une machine et le massif en béton sur lequel sont placées les machines. Cette lettre t peut aussi désigner une liaison entre une butée fixe et le25 massif de béton. Une unité comme celle schématisée dans la figure 1 nécessite une salle des machines de dimensions importantes et deux générateurs électriques séparés. On a donc conçu des unités comportant une seule ligne d'arbres. Dans le cas30 représenté schématiquement dans la figure 2, les différentes machines, à savoir la turbine à gaz 6, le module haute pression 1, le module basse pression 2 et l'alternateur 11 sont montées successivement sur une même ligne d'arbres de l'avant (situé à gauche dans la figure) à l'arrière (à35 droite dans la figure); les rotors sont assemblés par l'intermédiaire d'accouplements rigides 12, 13 et 14, une butée 15 étant fixée sur la partie statique de la turbine à gaz 6. Le module turbine à gaz est fixé au massif en béton par l'intermédiaire des parties statiques; cette liaison t se situe à l'arrière du module. 5 L'utilisation d'une seule ligne d'arbres conduit à des lignes d'arbres très longues; les dilatations des rotors sont excessives et il est nécessaire de prévoir des jeux axiaux importants dans les veines des deux turbomachines, ce qui diminue le rendement du fait des décalages entre les tuyères et les aubes. Une autre réalisation est représentée schématiquement dans la figure 3; l'alternateur 11 est disposé entre la turbine à gaz 6 et le premier module 1 de la turbine à vapeur; le rotor de l'alternateur 11 est assemblé avec la15 turbine à gaz 6 par un accouplement rigide 16 et au premier module 1 de la turbine à vapeur par un accouplement flexible 18; les rotors de l'alternateur et de la turbine à gaz sont positionnés axialement par la butée interne 17 de la turbine à gaz. Le module turbine à gaz est fixé au massif en béton par l'intermédiaire des parties statique, cette liaison t se situant à l'arrière de la turbine à gaz; les rotors des deux modules 1 et 2 de la turbine à vapeur sont assemblés par un accouplement rigide 19 avec une butée 21 fixe par rapport au massif en béton et solidaire de l'arbre du premier module 1.25 Cette disposition permet de réduire les jeux axiaux dans les veines des deux turbomachines mais elle pose un problème de maintenance pour le générateur électrique en particulier pour la dépose du rotor de l'alternateur. Dans la réalisation représentée schématiquement dans la figure 4, on utilise deux butées et un accouplement flexible 22 entre la turbine à gaz 6 et le premier module 1; les autres machines sont assemblées par un accouplement rigide 23, respectivement 24. Une première butée 25 est reliée à la partie statique de la turbine à gaz 6 et une35 deuxième butée 26, fixe par rapport au massif en béton, est prévue entre les deux modules 1 et 2 de la turbine à vapeur; elle correspond à la butée 21 de la figure 3. Dans ce cas, l'accouplement flexible 22 doit supporter des couples permanents et transitoires élevés quand la puissance de la turbine à gaz est élevée (par exemple supérieure à 200 MW) et cette solution est donc limitée en puissance. Une autre possibilité est représentée schématiquement dans la figure 5: la turbine à gaz 6 est montée sur des bielles articulées bl, b2 permettant un déplacement axial des parties non tournantes (chutes statiques); d'autre part, par l'intermédiaire de la butée interne 27 de la turbine à gaz, solidaire des parties statiques, le rotor de ladite turbine à gaz suit le déplacement axial du module; tous les15 rotors des machines, à savoir la turbine à gaz 6, les deux modules 1 et 2 de la turbine à vapeur et l'alternateur 11 sont montées successivement de l'avant vers l'arrière au moyen d'accouplements rigides 28, 29 et 31 et une butée fixe 32 est solidaire de l'arbre du premier module 1 de manière analogue à la butée fixe 21 de la figure 3. Cette réalisation présente l'inconvénient que les efforts sur les butées sont mal connus et peuvent atteindre des valeurs inacceptables. En effet, la butée mobile 27 assure le positionnement axial de la turbine à gaz (rotor et25 stator) dont la masse peut atteindre 400 tonnes; la butée fixe 30 assure le positionnement axial du module turbine à gaz et de l'ensemble de la ligne d'arbres. Ainsi ces masses importantes peuvent, par exemple lors d'un séisme, engendrer des efforts destructeurs sur ces deux butées.30 La présente invention a pour objet une unité de production d'énergie électrique à cycle combiné à une seule ligne d'arbres, équipée de moyens simples et robustes qui permettent de limiter les jeux axiaux dans les veines des deux turbomachines et, par suite, d'obtenir un bon35 rendement. Un premier exemple de réalisation est représenté schématiquement dans la figure 6; la succession des machines est identique à celle de l'installation de la figure 5; les rotors sont également assemblées au moyen d'accouplements 5 rigides 27, 28 et 31. La turbine à gaz 6 est montée mobile en translation axiale et comporte une butée 27 comme dans le cas de la figure 5. Selon l'invention, les parties statiques de la turbine à gaz 6 et du premier module 1 de la turbine à vapeur sont reliées entre elles par un jeu de bielles montées à articulation à leurs deux extrémités et disposées de manière régulière autour des arbres des deux machines; ces bielles 32 sont au moins au nombre de deux et diamétralement opposées par rapport à la ligne d'arbres. La butée mobile 27 est donc solidaire de la turbine à gaz et du premier module de la turbine à vapeur. L'ensemble des deux bielles et des extrémités correspondantes des rotors de la turbine à gaz 6 et du premier module 1 est enfermé dans une enceinte schématisée20 en 33 remplie d'un fluide conducteur de la chaleur; ce fluide est avantageusement l'huile de lubrification des paliers des deux machines. Par ailleurs, les deux modules 1 et 2 de la turbine à vapeur comportent un point fixe 34, respectivement 35; ces points fixes sont solidaires des extrémités en regard des parties statiques des deux modules 1 et 2. La figure 7 représente un deuxième exemple de réalisation de l'invention dans lequel la turbine à vapeur comporte trois modules, par exemple un module à haute30 pression 41, un module de chauffage urbain 42 et un module à basse pression 43, assemblés successivement de l'avant vers l'arrière de la ligne d'arbres. Tous les rotors des machines sont assemblées au moyen d'accouplements rigides 44 à 47; la partie statique de la turbine à gaz 6 comporte une butée 4835 et est montée mobile en translation axiale. Les extrémités en regard des parties statiques des deux derniers modules 42 et 43 de la turbine à vapeur sont reliées chacune au massif en béton par un point fixe 49, respectivement 50. Les parties statiques du module turbine à gaz 6 et du module turbine à vapeur haute pression 41 sont reliés par des bielles 51 disposées dans une enceinte 52. De même, les parties statiques du module haute pression 41 et du module 42 de la turbine à vapeur sont reliés par des bielles 53 disposées dans un carter 54. La figure 8 est un schéma représentant plus en détail la liaison entre le module turbine à gaz 6 et le module haute pression 41. On distingue dans cette figure l'accouplement rigide 44 entre les deux arbres des machines et les deux bielles 51 fixées à articulation à chacune de leurs extrémités sur un axe perpendiculaire à la direction15 radiale et solidaires de la partie statique de chacun des modules. Le carter constituant l'enceinte 52 est également fixé sur les parties statiques des deux modules. La butée mobile 48 est fixée sur la partie statique du module 6 par des bielles 56 similaires aux bielles 51. La carter 52 est un carter un tôle dans lequel on réalise une projection d'huile de lubrification sur l'ensemble de l'assemblage, à savoir les bielles 51 et 56, les arbres des deux modules, la butée mobile 48 et l'accouplement rigide 44. De cette manière, on peut limiter la température de ces différents éléments à une faible valeur, par exemple 60 C, ce qui permet de limiter leur dilatation. Ceci est particulièrement important pour les bielles de liaison dont la longueur peut atteindre 3 à 4 mètres. L'assemblage par bielles de la turbine à gaz et du premier module de la turbine à vapeur, et, éventuellement des deux premiers modules de cette dernière permet de réduire dans de grandes proportions les jeux axiaux dans les veines des deux machines. En effet, si on se réfère à la figure 6, les références de dilatation étant prises par35 rapport au massif en béton qui est le repère absolu: - si on suppose que les parties statiques du module 1 se dilatent de 20mm, et si on admet que le rotor du module 1 se dilate de 22mm, ce qui correspond à un allongement de la distance entre les éléments référencés 27 et 29 de 22mm. 5 Dans ce cas on peut dire que: - la turbine à gaz 6 sera poussée par le module 1 à l'aide des bielles 32 de 20mm vers la gauche, - ce déplacement engendrera un déplacement de tous les rotors de 20mm vers la gauche, puisque la butée 27 est fixée à la turbine à gaz, - le rotor de la turbine à gaz étant immobile par rapport aux parties "statiques" de la turbine à gaz, les jeux axiaux entre le rotor et le stator de la turbine à gaz sont identiques à ceux de l'installation de la figure 1,15 donc optimaux, - de même le rotor du module 1 étant positionné par la butée fixe 27 sera fixe par rapport à l'extrémité gauche du module 1; donc les jeux axiaux dans le module 1 sont optimaux,20 - l'accouplement 29 se déplace par rapport au béton de -20mm + 22mm = 2mm - le rotor du module basse pression 2 se déplace donc au niveau de l'accouplement 29 de 2mm. Il faut donc augmenter les jeux des veines du module basse pression 2 de25 2 mm seulement par rapport à une installation idéale pour laquelle l'accouplement 29 aurait été immobile par rapport au massif en béton. En conclusion, on peut dire que dans l'installation représentée dans la figure 6, un partie de l'allongement thermique du rotor du module 1 est compensée par la dilatation des parties fixes de ce module. Ce n'est pas le cas par exemple de l'installation de la figure 2 o l'accouplement 13 se déplacerait de 22mm vers la droite par rapport au massif de béton. REVENDICATIONS 1/ Unité de production d'énergie électrique à cycle combiné comportant, montés successivement sur une même ligne d'arbres par l'intermédiaire d'accouplements rigides (28, 5 29, 31; 44-47), une turbine à gaz (6), une turbine à vapeur à plusieurs modules (1, 2; 41- 43) et un générateur électrique (11), la turbine à gaz (6) étant montée mobile en translation axiale et fixée à une butée mobile (27; 48), caractérisée en ce que les parties statiques de la turbine à10 gaz (6) et du premier module (1; 41) de la turbine à vapeur sont reliées entre elles par au moins deux bielles (32; 51), en ce que lesdites bielles (32; 51) et les extrémités des rotors de la turbine à gaz (6) et du premier module (1; 41) de la turbine à vapeur sont enfermées dans une enceinte (33;15 52) remplie d'un fluide conducteur de la chaleur et en ce que les extrémités en regard des parties statiques de deux derniers modules (1, 2; 42, 43) de la turbine à vapeur sont reliées chacune à un point fixe (34, 35; 49, 50). 2/ Unité de production d'énergie électrique selon la revendication 1, comportant une turbine à vapeur à trois modules (41-43), caractérisée en ce que les parties statiques des deux premiers modules (41, 42) de la turbine à vapeur sont également reliées par au moins deux bielles (53) et en ce que lesdites bielles (53) et les extrémités25 correspondantes des rotors des deux premiers modules (41, 42) de la turbine à vapeur sont enfermées dans une enceinte (54) remplie d'un fluide conducteur de la chaleur. 3/ Unité de production d'énergie électrique selon la revendication 1 ou 2, caractérisée en ce que l'enceinte (33, 52, 54) est un carter en tôle contenant de l'huile de lubrification des paliers adjacents de la ligne d'arbres.