Brevet FR2809764A1 — publié le 20011207

La présente invention concerne un étage turbine à vapeur axiale. machines tournantes telles que les turbines à vapeur axiales comportent des aubes profilées montées sur des parties fixes mobiles en rota tion qui entrent contact avec un fluide traversant la machine tournante à très grande vitesse, pendant le fonctionnement de cette machine tournante. Les aubes tournantes de ces machines comportent un bord d'at taque dirigé vers l'écoulement du fluide incident et un bord de fuite disposé vers l'arrière de l'aube en considérant le sens de circulation du fluide. Dans certains-cas, les aubes tournantes sont soumises au voisi nage de leur bord d'attaque, à une forte érosion de la part du fluide en circulation. particulier dans les turbines à vapeur, les aubes du ou des derniers étages la turbine ou, étages à basse pression, sont soumises à une forte érosion, au voisinage de leur bord d'attaque, du fait que vapeur présente alors une forte humidité et transporte des gouttelettes d'eau viennent s'écra ser sur le bord d'attaque de l'aube. Etant donné que la vitesse périphérique des aubes en partie haute peut dépasser 400m/s, le contact des gouttelettes d'eau avec le bord d'at taque des aubes produit un phénomène d'érosion qui se traduit par une perte de métal de ces aubes dans une partie voisine de son bord d'attaque. Ainsi, l'érosion conduit à une diminution du rendement des auba- ges et donc à une réduction significative de la puissance globale de la machine tournante. Cette érosion peut également entraîner une rupture d'une ou de plu sieurs aubes ou parties de ces aubes. plus, du fait de l'usure dissymétrique des aubes de rotor des étages basse pression des turbines à vapeur, on peut observer, après un certain temps de fonctionnement des turbines, un déséquilibre de l'ensemble formant le rotor. Ce déséquilibrage a pour effet de favoriser la naissance de vibra tions entraînant des sollicitations répétées sur le rotor qui peuvent devenir dange reuses. Si de telles vibrations se produisent, on est obligé d'arrêter la tur bine et, ce fait l'installation comportant cette turbine. Dans le cas de vastes installations telles des centrales nu cléaires thermiques, il peut en résulter de très lourdes pertes d'exploitation. Par ailleurs, il est nécessaire d'effectuer réparation ou un remplacement des aubes de rotor qui ont été détériorées, qui peut être une opération longue et coûteuse. Pour limiter l'érosion des bords d'attaque des aubes des machi nes tournantes et en particulier des aubes de turbines, il connu de revêtir l'aube dans la partie voisine de son bord d'attaque et sur fraction de la lon gueur dudit bord d'attaque, dans la partie externe de l'aube, d'un matériau résis tant à l'érosion telle que le stellite par exemple. Le revêtement d'une partie des aubes par un tel matériau s'avère coûteux difficile à mettre en couvre. Une autre solution consiste à effectuer un traitement thermique du bord d'attaque des aubes, mais l'efficacité d'un tel traitement est limité et il peut entraîner des déformations de l'aube. De plus et malgré la mise en couvre de ces dispositions, il peut s'avérer nécessaire de remplacer toute la rangée d'aubes après seulement quel ques milliers d'heures de service. L'invention a pour but de proposer un étage turbine à vapeur axiale qui évite les inconvénients précédemment mentionnés. L'invention a donc pour objet un étage de turbine à vapeur axiale, du type comprenant une série d'aubes profilées entraînant rotation un arbre, chaque aube comportant un corps et un bord d'attaque dirigé vers l'écoulement du fluide incident sur ladite aube, caractérisé en ce qu'au moins une aube de la série d'aubes a son bord d'attaque décalé en avant par rapport aux bords d'atta que des autres aubes. Selon d'autres caractéristiques de l'invention - le corps de ladite aube est réalisé en un premier matériau mé tallique et au moins une partie du bord d'attaque de cette aube est réalisée en un ----@.J @,.@@@_._.. .. @...+... ..,.....@....... .. il......-.. - ladite aube est monolithique et réalisée en un matériau à forte résistance 'l'usure, - ladite aube est décalée par rapport aux autres aubes d'une dis tance définie en fonction du diamètre de l'arbre et/ou de la vitesse de rotation des aubes et/ou du pas entre les aubes décalées en avant et/ou du nombre d'aubes décalées avant, - la distance entre ladite aube et les autres aubes est comprise entre 0,5 20mm. D'autres caractéristiques et avantages apparaîtront à la lecture de la description qui va suivre, donnée à titre d'exemple et faite en référence aux dessins annexés, sur lesquels - la Fig. 1 est une demi-vue en coupe axiale d'une partie d'une turbine à vapeur axiale munie d'un étage conforme à l'invention, - la Fig. 2 est une vue en perspective d'une aube l'étage re présenté a la Fig. 1. Sur la Fig. 1, on a représenté schématiquement une partie d'une turbine à vapeur axiale comprenant de manière classique un stator formé par une enveloppe cylindrique 1 et un rotor formé par un arbre 2 coaxial audit stator. L'arbre 2 comporte un disque 3 à la périphérique duquel est fixée une série d'aubes 10 s'étendant parallèlement les unes aux autres et qui consti tuent un étage et notamment un étage basse pression de la turbine à vapeur. Les aubes 10 entraînent en rotation l'arbre 2. A cet étage est associé un distributeur désigné par la référence générale 4 et qui est formé par une série d'aubes fixes 5 reliées à l'enveloppe 1 du stator par un anneau externe 6. Les aubes 5 du distributeur 4 sont également reliées entre elles par un anneau interne 7 qui comporte à sa périphérie un joint d'étanchéité 8 de type labyrinthe qui assure un jeu minimum avec l'arbre 2 et donc une fuite de va peur minimale. Ainsi que représenté à la Fig. 2, chaque aube 10 comporte un pied 11 ayant une forme profilée permettant la fixation de l'aube sur le disque 3 de l'arbre 2 ainsi qu'une ailette 12, solidaire du pied 11 et généralement venue de matière avec ce pied 11. L'ailette 12 présente une forme complexe courbe, cintrée et vril lée. L'ailette 12 de l'aube 10 comporte un bord d'attaque 13 et un bord de fuite 14, au niveau duquel l'ailette présente une épaisseur minimale. Entre le bord d'attaque 13 et le bord de fuite 14, les sections transversales de l'ailette 12 de l'aube 10 présentent une forme fuseau effilé. La vapeur circule dans la turbine selon la direction représentée par la flèche F à la Fig. 1 et les gouttelettes d'eau entraînées par l'écoulement de cette vapeur sont frappées violemment par aubes 10 entraînant en rotation l'arbre 2. Selon l'invention, au moins aube 10a de la série d'aubes 10 a son bord d'attaque 13 décalé en avant rapport aux bords d'attaque des au tres aubes 10, ainsi que représenté à la Le nombre d'aubes 10a placees en 'avant par rapport aux autres aubes est plus ou moins important et est fonction des conditions de service de l'étage de la turbine. Dans le cas de plusieurs aubes 10a placées en avant, ces aubes 10a peuvent être disposées les unes à côté des autres ou réparties uniformé ment ou de manière aléatoire parmi les autres aubes. Les aubes 10 entraînent en rotation l'arbre 2 et se déplacent à une vitesse circonférentielle élevée alors que les gouttelettes d'eau contenues dans la vapeur et qui se forment le plus souvent sur le bord de fuite des aubes 5 du distributeur 4 ont une vitesse de déplacement dans le sens axial faible vis à vis de la vitesse circonférentielle des aubes. La ou les aubes 10a placées en avant par rapport aux autres aubes, éclatent les gouttelettes d'eau et uniquement cette ou ces aubes ont à subir les phénomènes d'érosion. La ou les aubes 10a placées en avant sont décalées par rapport aux autres aubes d'une distance définie en fonction du diamètre de l'arbre 2 et/ou de la vitesse rotation des aubes et/ou du pas entre les aubes décalées en avant et/ou nombre d'aubes 10a décalées en avant. La ou les aubes 10a sont décalées par rapport autres aubes d'une distance d comprise entre 0,5 et 20mm. Le corps constitué par le pied 11 et l'ailette 12 de ou des aubes 10a placées avant, est réalisé en un premier matériau métallique et au moins une partie bord d'attaque 13 de ladite aube 10a est réalisé en second ma tériau à forte résistance à l'usure. D'une manière générale, on peut utiliser pour le bord d'attaque de l'aube des aubes placées en avant tout matériau présentant une forte ré sistance à l'usure, par exemple des matériaux comportant une matrice métallique dans laquelle sont dispersés des composites durcissant. Dans ce cas, le matériau à forte résistance à l'usure peut être constitué par stellite ou de la céramique comme par exemple carbures de chrome ou carbures de tungstène ou des oxydes de titane ou oxydes de chrome. Le matériau à forte résistance à l'usure peut aussi être constitué par des composés non métalliques, comme par exemple des fibres de carbone ou des polymeres. Selon une variante I 'aube 10a située en avant est monolithique et réalisée un matériau à forte résistance à l'usure. L'étage de turbine à vapeur axiale selon l'invention permet ainsi de limiter le coût d'investissement car uniquement un nombre limité d'aubes ont une protection spécifique contre l'érosion, mais aussi les coûts de maintenance puisque seulement la ou les aubes décalées doivent être remplacées en cas d'usure. REVENDICATIONS 1. Etage de turbine à vapeur axiale, du type comprenant série d'aubes (10) profilées et entraînant en rotation un arbre (2), chaque aube comportant un corps (11, 12) et un bord d'attaque (13) dirigé vers l'écoulement du fluide incident sur ladite aube (10), caractérisé en ce qu'au moins une aube (10a) la série d'aubes (10) a son bord d'attaque décalé en avant par rapport aux bords d'attaque des autres aubes (10). 2. Etage selon la revendication 1, caractérisé en ce que le corps (11, 1 de ladite aube (10a) est réalisé en un premier matériau métallique au moins une partie du bord d'attaque de cette aube (10a) est réalisée en un second matériau à forte résistance à l'usure. 3. Etage selon la revendication 1, caractérisé en ce que ladite aube (10a) est monolithique et réalisée en un matériau à forte résistance à l'usure. 4. Etage selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, carac térisé ce que ladite aube (10a) est décalée par rapport aux autres aubes d'une distance définie en fonction du diamètre de l'aube (2) et/ou de la vitesse de rotation des aubes et/ou du pas entre les aubes (10a) décalées en avant et/ou nombre d'aubes (10a) décalées en avant. 5. Etage selon la revendication 4, caractérisé en ce que dis tance entre ladite aube (10a) et les autres aubes est comprise entre 0,5 et 20mm.