Brevet FR2919019A1 — publié le 20090123

B08-2106FR 1 Société dite : NUOVO PIGNONE HOLDINGS, S.P.A. Aube mobile de turbine à vapeur Invention de : RIAZ Muhammad SLEPSKI Jonathon Priorité d'une demande de brevet déposée aux Etats-Unis d'Amérique le 16 juillet 2007 sous le n 11/778.180 2 Aube mobile de turbine à vapeur La présente invention est relative à une aube mobile pour turbine à vapeur et, plus particulièrement, à une aube mobile pour turbine à vapeur à géométrie optimisée permettant d'atteindre de plus grandes vitesses de fonctionnement. Le trajet d'écoulement de vapeur d'une turbine à vapeur est constitué par un cylindre fixe et un rotor. Un certain nombre d'aubes fixes sont assujetties au cylindre sous la forme d'un ensemble circonférentiel et s'étendent vers l'intérieur en direction du trajet d'écoulement de vapeur. De même, un certain nombre d'aubes mobiles sont assujetties au rotor sous la forme d'un ensemble circonférentiel et s'étendent vers l'extérieur en direction du trajet d'écoulement de vapeur. Les aubes fixes et les aubes mobiles sont disposées en rangées alternées de façon qu'une rangée d'aubes fixes et la rangée d'aubes mobiles immédiatement en aval forment un étage. Les aubes mobiles servent à diriger l'écoulement de la vapeur afin qu'elle pénètre dans la rangée aval d'aubes mobiles suivant le bon angle. Les surfaces profilées des aubes mobiles extraient de l'énergie de la vapeur en développant de ce fait la puissance nécessaire à l'entraînement du rotor et de la charge fixée à celui-ci. La quantité d'énergie extraite par chaque rangée d'aubes mobiles dépend des dimensions et de la forme des surfaces profilées des aubes mobiles ainsi que de la quantité d'aubes mobiles de la rangée. Ainsi, les formes des surfaces profilées des aubes mobiles constituent un important facteur dans les performances thermodynamiques de la turbine, et déterminer la géométrie des surfaces profilées des aubes mobiles représente une importante partie de la conception de la turbine. Lorsque la vapeur s'écoule dans la turbine, la pression chute en traversant chaque étage successif jusqu'à l'obtention de la pression de refoulement voulue. Ainsi, les propriétés de la vapeur û à savoir la température, la pression, la vitesse et la teneur en humidité û varient d'une rangée à l'autre à mesure que la vapeur se détend le long du trajet d'écoulement. Par conséquent, chaque rangée d'aubes mobiles emploie des aubes mobiles ayant une forme profilée qui est optimisée pour les états de la vapeur associés à cette rangée. Cependant, dans une rangée donnée, la forme des parties profilées des aubes mobiles est la même, sauf dans certaines turbines dans lesquelles la forme des parties profilées varie entre les aubes appartenant à la rangée afin de modifier les fréquences de résonance. Les parties profilées des aubes mobiles s'étendent depuis une emplanture d'aubes servant à fixer l'aube mobile au rotor. Dans la technique antérieure, cela se 3 fait en donnant une forme de sapin à l'emplanture en formant des queues et des gorges alternées s'étendant de manière approximativement axiale sur les côtés de l'emplanture d'aubes mobiles. Des encoches contenant des queues et des gorges accouplées sont formées dans le disque du rotor. Lorsqu'on fait coulisser l'emplanture d'une aube mobile pour l'introduire dans l'encoche du disque, la charge centrifuge exercée sur l'aube mobile, qui est très forte du fait de la grande vitesse de rotation du rotor, est répartie sur des parties des queues sur lesquelles l'emplanture et le disque sont en contact. En raison de la forte charge centrifuge appliquée, les contraintes sont très élevées dans l'emplanture de l'aube mobile et dans l'encoche de disque. Par conséquent, il importe de limiter le plus possible les concentrations de contraintes formées par les queues et les gorges et d'agrandir au maximum les surfaces porteuses sur lesquelles apparaissent les forces de contact entre l'emplanture d'aube et l'encoche de disque. Cela est particulièrement important dans lesdites rangées d'une turbine à vapeur basse pression en raison des grandes dimensions et du poids élevé des aubes mobiles dans ces rangées et de la présence de corrosion sous contraintes résultant de l'humidité dans le flux de vapeur. Outre les charges centrifuges régulières, les aubes mobiles sont également sujettes à des vibrations. Les aubes mobiles de la section basse pression d'une turbine sont ordinairement conçues et optimisées pour couvrir une vitesse de fonctionnement donnée nécessitée par les différentes applications. Les principaux paramètres de fonctionnement sont la superficie de la zone annulaire, la vitesse de rotation, la possibilité de débit massique et, pour les aubes mobiles du dernier étage, la pression de condensation. La difficulté associée à la conception d'une aube mobile de turbine à vapeur est accentuée par le fait que la forme de la partie profilée détermine, pour une grande part, à la fois les forces exercées sur l'aube mobile et la résistance mécanique et les fréquences de résonance de celle-ci, ainsi que les performances thermodynamiques de l'aube mobile. Ces considérations imposent des obligations quant au choix de la forme de la partie profilée d'une aube mobile, de telle sorte que la forme optimale de la partie profilée d'une aube mobile pour une rangée donnée est forcément le résultat d'un compromis entre ces propriétés mécaniques et aérodynamiques. Par conséquent, il est souhaitable de proposer une rangée d'aubes mobiles de turbine à vapeur qui assure de bonnes performances thermodynamiques tout en limitant le plus possible les contraintes exercées sur la partie profilée et l'emplanture des aubes mobiles du fait de la force centrifuge et en évitant une excitation résonnante. Dans un exemple de forme de réalisation, une aube mobile pour turbine à vapeur comprend une section d'emplanture et une section profilée contigüe à la section emplanture. La section profilée est formée de manière à optimiser les performances aérodynamiques tout en assurant une répartition optimisée de l'écoulement et des contraintes centrifuges et de flexion minimes. L'aube mobile comporte également une section bout qui prolonge la section profilée, et un capot qui fait partie de la section bout. Le capot définit un joint d'étanchéité radial qui sert à limiter le plus possible les pertes en bout. L'aube mobile peut être conçue pour servir d'aube de deuxième à dernier étage. Dans un autre exemple de forme de réalisation, une aube mobile pour turbine à vapeur comprend une section d'emplanture et une section profilée contigüe à la section emplanture. La section profilée est formée de manière à optimiser les performances aérodynamiques tout en assurant une répartition optimisée de l'écoulement et des contraintes centrifuges et de flexion minimes. L'aube mobile comprend également une section bout dans le prolongement de la section profilée et ayant une largeur de bout, et un capot faisant partie de la section bout. Le capot est plus large que la largeur du bout, de façon que, sous l'effet de la vitesse, le capot vienne contre un capot adjacent d'une aube mobile adjacente. Le capot définit également un joint d'étanchéité radial qui sert à limiter le plus possible les pertes en bout. L'aube mobile est agencée de façon qu'une superficie de zone aire de sortie de l'aube mobile soit de 0,143 m2, un intervalle de vitesses de fonctionnement de l'aube mobile soit de 5625 à 11250 tours par minute et qu'un débit massique maximal de l'aube mobile soit de 30,9 kg/s. L'invention sera mieux comprise à l'étude de la description détaillée d'un mode de réalisation pris à titre d'exemple non limitatif et illustré par les dessins annexés sur lesquels : la Fig. 1 est une vue de face de l'aube mobile de turbine à vapeur ; la Fig. 2 est une vue en perspective ; la Fig. 3 est une vue de dessus du capot d'aube mobile ; et la Fig. 4 représente le bout et le capot d'une aube mobile. En référence aux figures 1 et 2, une aube mobile pour turbine à vapeur comprend une section d'emplanture 2 reliée à une queue d'aronde d'entrée axiale 3 pour son montage sur le rotor de turbine. Comme représenté, la queue d'aronde 3 présente une forme de sapin à deux crochets. Objet d'une demande de brevet des 5 E.U.A. conjointement déposée, la géométrie de la queue d'aronde d'entrée axiale, a été optimisée afin d'obtenir une répartition des contraintes moyennes et locales qui garantisse une bonne protection pour les marges de surrégime et de fatigue oligocyclique. Une partie profilée 10 s'étend depuis la section d'emplanture 2, et une section de bout 4 prolonge la section profilée 10. Comme représenté sur les figures 3 et 4, un capot 5 fait partie de la section bout 4. Pour permettre des vitesses de fonctionnement allant de 5625 à 11250 tours par minute avec un débit massique maximal de 30,9 kg/s et une superficie de zone annulaire de sortie de 0,143 m2, un écoulement dynamique informatisé du fluide a été réalisé de manière à optimiser la géométrie de la partie profilée. Le débit massique et la superficie de la zone annulaire sont d'importants paramètres théoriques, comme le comprendront les spécialistes ordinaires de la technique. Une "zone annulaire de sortie" est une zone de forme annulaire créée dans le bas par le haut de la queue d'aronde d'une aube mobile et dans le haut par la face inférieure du capot. La géométrie optimisée peut permettre les vitesses de fonctionnement supérieures tout en évitant l'accentuation correspondante de problèmes de contraintes et de fréquences. En particulier, la section profilée 10 présente un rapport optimal entre l'écartement et la largeur. De plus, une répartition d'épaisseur le long de la section profilée 10 est modifiée par rapport à une construction classique afin d'optimiser les performances. En outre, la courbure de la section profilée 10 est réglée pour atténuer les pertes liées à la pression et aux chocs du fait de la grande vitesse de fonctionnement. L'empilement de sections profilées est optimisé pour limiter le plus possible les contraintes locales de l'emplanture des aubes fixes, provoquées par la torsion centrifuge de l'aube mobile. Les figures 3 et 4 représentent respectivement une vue de dessus et une vue latérale du capot 5 d'aube mobile. De préférence, le capot 5 est usiné avec l'aube mobile et fait donc corps avec la section bout 4. Le capot 5 comporte au moins un, de préférence deux joints d'étanchéité 12 de bout et des surfaces cylindriques usinées sur l'aube mobile afin d'assurer une prévention de fuites. 6 Comme représenté sur la Fig. 4, le capot 5 est réalisé avec une largeur supérieure à la largeur de la section bout 4. Cette construction, ainsi qu'une torsion de l'aube mobile, définit un intervalle initial entre des faces de contact de capots d'aubes mobiles adjacentes. Cet intervalle se ferme sous l'effet de la vitesse du fait de la rotation du capot provoquée par le fait que l'aube mobile se détord. Une fois que les capots d'aubes mobiles adjacentes sont au contact les uns des autres, les capots se comportent comme une structure unique qui présente d'excellentes caractéristiques de rigidité et d'amortissement en comparaison d'une conception autonome, aboutissant à de très faibles contraintes de vibrations. Ainsi, les capots au contact les uns des autres entre des aubes mobiles adjacentes forment, sur le pourtour extérieur de la roue de turbine, une bande ou un anneau enveloppant afin d'enfermer le fluide de travail dans un trajet bien défini et d'accroître la rigidité des aubes mobiles. L'aube mobile de turbine à vapeur décrite ici présente des performances et des rendements aérodynamiques et mécaniques nettement améliorés tout en comportant également des capots possédant une étanchéité radiale afin de limiter les pertes en bout, des contraintes centrifuges et de flexion par vapeur minimes, une conception de capot à assemblage continu pour limiter le plus possible les contraintes de vibrations, des pertes de rendement réduites et une répartition optimisée de l'écoulement. De la sorte, les aubes mobiles de turbine peuvent être amenées à fonctionner de manière efficace à de plus grandes vitesses de fonctionnement. REVENDICATIONS 1. Aube mobile pour turbine à vapeur, comprenant : une section d'emplanture (2) ; une section profilée (10) contigüe à la section d'emplanture, la section profilée ayant une forme visant à optimiser les performances aérodynamiques tout en assurant une répartition optimisée de l'écoulement et des contraintes centrifuges et de flexion minimes ; une section bout (4) dans le prolongement de la section profilée ; et un capot (5) faisant partie de la section bout, le capot définissant un joint d'étanchéité radial qui limite les pertes en bout. 2. Aube mobile selon la revendication 1, ayant une superficie de zone annulaire de sortie de 0,143 m2. 3. Aube mobile selon la revendication 2, caractérisée en ce qu'un intervalle de vitesses de fonctionnement de l'aube mobile est compris entre 5625 et 11250 tours par minute. 4. Aube mobile selon la revendication 3, caractérisée en ce qu'elle comporte un débit massique maximal de 30,9 kg/s. 5. Aube mobile selon la revendication 1, caractérisée en ce qu'un intervalle de vitesses de fonctionnement de l'aube est compris entre 5625 et 11250 tours par minute. 6. Aube mobile selon la revendication 1, caractérisée en ce que l'aube est conçue pour servir d'aube de deuxième à dernier étage. 7. Aube mobile selon la revendication 6, caractérisée en ce que le capot (5) a des dimensions telles que, sous l'effet de la vitesse, le capot vient au contact d'un capot adjacent d'une aube mobile adjacente. 8. Aube mobile selon la revendication 1, caractérisée en ce que le capot (5) fait corps avec la section bout (4). 9. Aube mobile selon la revendication 1, caractérisée en ce que le joint radial est constitué par au moins un joint d'étanchéité (12) de bout. 10. Aube mobile pour turbine à vapeur, comprenant : une section d'emplanture (2) ; une section profilée (10) contigüe à la section d'emplanture, la section profilée ayant une forme visant à optimiser les performances aérodynamiques tout en 8 assurant une répartition optimisée de l'écoulement et des contraintes centrifuges et de flexion minimes ; une section bout (4) dans le prolongement de la section profilée et ayant une largeur de bout ; et un capot (5) faisant partie de la section bout, le capot définissant un joint d'étanchéité radial qui limite les pertes en bout, caractérisée en ce que le capot est plus large que la largeur du bout de façon que, sous l'effet de la vitesse, le capot vienne contre un capot adjacent d'une aube adjacente ; et en ce qu'une superficie de zone annulaire de sortie de l'aube est de 0,143 m2, 10 un intervalle de vitesses de fonctionnement de l'aube est compris entre 5625 et 11250 tours par minute et un débit massique maximal de l'aube est de 30,9 kg/s.