Brevet FR2919017A1 — publié le 20090123

B08-1900FR 1 Société dite : NUOVO PIGNONE HOLDING S.p.A. Turbine à vapeur et aube mobile Invention de : MUJEZINOVIC Amir DELESSIO Steven Priorité d'une demande de brevet déposée aux Etats-Unis d'Amérique le 16 juillet 2007 sous le n 11/778.184 2 Turbine à vapeur et aube mobile La présente invention est relative à une aube mobile et un rotor pour turbine à vapeur et, plus particulièrement, à un système de fixation pour fixer une aube d'une turbine à vapeur à rotor en limitant les contraintes locales et moyennes. Le circuit de vapeur d'une turbine à vapeur est constitué par un cylindre fixe et un rotor. Un certain nombre d'aubes fixes sont fixées au cylindre en un ensemble périphérique et s'étendent vers l'intérieur dans le circuit de vapeur. De même, un certain nombre d'aubes mobiles sont fixées au rotor en un ensemble périphérique et s'étendent vers l'extérieur dans le circuit 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 située juste en aval forment un étage. Les aubes fixes servent à diriger le flux de vapeur afin qu'il pénètre dans la rangée aval d'aubes mobiles suivant le bon angle. Les sections profilées des aubes mobiles extraient 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. Les sections profilées des aubes mobiles s'étendent depuis une emplanture d'aube mobile servant à fixer l'aube mobile au disque de rotor. Dans la technique antérieure, cela s'obtient en donnant une forme de sapin à l'emplanture en formant en alternance des pointes et des creux qui s'étendent de manière approximativement axiale le long des côtés de l'emplanture d'aube mobile. Des fentes comportant des pointes et des creux accouplés sont formées dans le disque de rotor. Lorsqu'on fait glisser l'emplanture d'aube pour l'introduire dans la fente du disque, la charge centrifuge exercée sur l'aube mobile, qui est très grande du fait de la grande vitesse de rotation du rotor û ordinairement 3600 tours/min pour une turbine à vapeur employée en production d'électricité, est répartie le long de parties des pointes sur lesquelles l'emplanture et le disque sont en contact. Du fait de la forte charge centrifuge appliquée, les contraintes sont très élevées dans l'emplanture d'aube mobile et la fente de disque. Il est souhaitable, par conséquent, de limiter le plus possible les concentrations de contraintes formées par les pointes et les creux et de porter à un maximum les surfaces d'appui sur lesquelles les forces de contact entre l'emplanture d'aube mobile et la fente de disque surviennent. Cela est particulièrement souhaitable dans les dernières rangées d'une turbine à vapeur basse pression en raison de l'encombrement et du poids des aubes mobiles de ces rangées et de la présence d'une corrosion sous contraintes résultant de l'humidité dans le flux de 3 vapeur. Les derniers étages subissent de plus fortes contraintes locales qui risquent de provoquer une diminution de la tenue à la fatigue du rotor et des aubes mobiles. I1 y a également une demande croissante d'aubes mobiles plus longues, ce qui nécessite que le rotor et les aubes mobiles fonctionnent sous des charges encore plus fortes. En plus des charges centrifuges constantes, les aubes mobiles sont également soumises à des vibrations. Par conséquent, il est souhaitable de proposer une configuration de fixation pour un rotor et des aubes qui possède une capacité de support de charges centrifuges, des contraintes locales réduites sur le rotor (la roue) et les congés des aubes mobiles tout en maintenant de faibles contraintes moyennes et de cisaillement. Dans une première forme de réalisation de l'invention, une aube mobile montable sur un disque comprend une plate-forme d'aube mobile et une emplanture d'aube mobile s'étendant depuis la plate-forme d'aube mobile. L'emplanture d'aube mobile comporte un premier, un deuxième et un troisième crochets et un premier, un deuxième et un troisième collets. Chaque crochet comporte une surface de contact et une surface sans contact, et un angle entre chaque surface de contact et chaque surface sans contact est optimisé afin de réduire les contraintes locales et moyennes. Dans une autre forme de réalisation de l'invention, une aube mobile montable sur un disque comporte une plate-forme d'aube mobile et une emplanture d'aube mobile s'étendant depuis la plate-forme d'aube mobile. L'emplanture d'aube mobile comporte un premier, un deuxième et un troisième crochets et un premier, un deuxième et un troisième collets. Chaque crochet comporte une surface de contact et une surface sans contact, et un angle entre chaque surface de contact et chaque surface sans contact est d'environ 70,6 . Dans encore une autre forme de réalisation de l'invention, une turbine comprend une emplanture d'aube mobile s'étendant depuis la plate-forme d'aube mobile. L'emplanture d'aube mobile comporte un premier, un deuxième et un troisième crochets d'aube mobile et un premier, un deuxième et un troisième collets d'aube mobile. Chaque crochet d'aube mobile comporte une surface de contact et une surface sans contact, et un angle entre chaque surface de contact et chaque surface sans contact. La turbine comprend en outre un disque de rotor comportant une fente. La fente comporte un premier, un deuxième et un troisième crochets de rotor et un premier, un deuxième et un troisième collets de rotor. Chaque crochet de rotor comporte une surface de contact au contact d'une surface de contact correspondante 4 de l'aube mobile et une surface sans contact espacée par rapport à une surface sans contact correspondante de l'aube mobile. Les surfaces de contact du rotor sont inclinées, par rapport à la surface sans contact du rotor, suivant le même angle que l'angle entre les surfaces de contact des aubes mobiles et les surfaces sans contact des aubes mobiles. L'angle est optimisé afin de réduire les contraintes locales et moyennes entre les surfaces de contact. 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 latérale d'une aube mobile de turbine à vapeur comportant une emplanture d'aube mobile ; la Fig. 2 est une vue latérale d'un rotor de la turbine à vapeur comportant une fente pour l'emplanture d'aube mobile ; la Fig. 3 est une vue latérale de l'aube mobile et du rotor assemblés ; la Fig. 4 est une vue latérale détaillée du rotor, comportant la fente ; la Fig. 5 est une vue latérale détaillée de l'aube mobile, comportant l'emplanture d'aube mobile ; la Fig. 6 représente le détail D-4 de la Fig. 4 ; la Fig. 7 représente le détail C-3 de la Fig. 4 ; et la Fig. 8 représente le détail C-1 de la Fig. 4. Considérant la Fig. 1, une aube mobile 2 de turbine à vapeur comprend une emplanture 4 d'aube mobile. L'emplanture 4 d'aube mobile peut également être appelée queue d'aronde mâle ou queue d'aronde d'ailette. La queue d'onde 4 d'ailette est symétrique autour d'un axe central Y de queue d'aronde. La queue d'aronde 4 d'ailette comporte un collet supérieur 6 de queue d'aronde, un crochet supérieur 8, un collet médian 10 de queue d'aronde, un crochet médian 12, un collet inférieur 14 de queue d'aronde et un crochet inférieur 16. Les collets peuvent également être appelés creux et les crochets peuvent également être appelés pointes. Le crochet supérieur 8 comporte une surface supérieure de contact, ou d'écrasement, oblique 18. Le crochet supérieur 8 comporte également une surface supérieure sans contact 20. Le crochet médian 12 comporte une surface médiane de contact 22, ou d'écrasement, oblique et une surface médiane sans contact 24. Le crochet inférieur 16 comporte une surface inférieure de contact, ou d'écrasement, oblique 26 et une surface inférieure sans contact 28. Comme représenté sur la Fig. 2, le disque 44 de rotor comporte une fente, ou queue d'aronde 46 de rotor. La queue d'aronde 46 de rotor peut également être 5 appelée queue d'aronde femelle ou queue d'aronde de roue. La queue d'aronde 46 de rotor est également symétrique autour de l'axe central Y de queue d'aronde. La queue d'aronde 46 de rotor comporte un crochet supérieur 48, un collet supérieur 50, un crochet médian 52, un collet médian 54, un crochet inférieur 56 et un collet inférieur 58. Le crochet supérieur 48 comporte une surface supérieure oblique, ou d'écrasement 72 et une surface supérieure sans contact 74. Le crochet médian 52 comporte une surface médiane de contact, ou d'écrasement, oblique 76 et une surface médiane sans contact 78. Le crochet inférieur 56 comporte une surface inférieure de contact, ou d'écrasement, oblique 80 et une surface inférieure sans contact 82. Considérant la Fig. 3, la queue d'aronde 4 d'ailette est assemblée avec le disque 44 de rotor en faisant glisser la queue d'aronde 4 d'ailette pour l'introduire dans la queue d'aronde 46 de rotor dans une direction axiale, c'est-à-dire dans une direction perpendiculaire à l'axe central Y de queue d'aronde en direction du plan de la figure du dessin. Dans l'état assemblé représenté sur la Fig. 3, la surface supérieure d'écrasement oblique 18 de la queue d'aronde 4 d'ailette est au contact de la surface supérieure d'écrasement oblique 72 de la queue d'aronde 46 de rotor. La surface médiane d'écrasement oblique 22 de la queue d'aronde 4 d'ailette est au contact de la surface médiane d'écrasement oblique 76 de la queue d'aronde 46 de rotor. La surface inférieure d'écrasement oblique 26 de la queue d'aronde 4 d'ailette est au contact de la surface inférieure d'écrasement oblique 80 de la queue d'aronde 46 de rotor. Comme également représenté sur la Fig. 3, les surfaces sans contact 20, 24, 28 de la queue d'aronde 4 d'ailette sont en regard, mais sans contact, des surfaces sans contact, respectivement 74, 78, 82, de la queue d'aronde 46 de rotor. Considérant les figures 4 et 5, un angle d'inclinaison 86 est créé entre la surface supérieure sans contact 20 et la surface médiane d'écrasement oblique 22 de la queue d'aronde 4 d'ailette. L'angle d'inclinaison 86 est également créé entre la surface médiane sans contact 24 et la surface inférieure d'écrasement oblique 26. De même, dans la queue d'aronde 46 de rotor représentée sur la Fig. 4, l'angle d'inclinaison 86 est créé entre la surface supérieure sans contact 74 et la surface médiane d'écrasement oblique 76. L'angle d'inclinaison 86 est également créé entre la 6 surface médiane sans contact 78 et la surface inférieure d'écrasement oblique 80 de la queue d'aronde 46 du rotor. Les surfaces d'écrasement tournent, ou sont orientées, de façon que l'angle de transition entre les surfaces d'écrasement et les surfaces sans contact soit d'environ 70,6 . L'angle d'inclinaison est globalement sensiblement symétrique autour de l'axe X. Des contraintes concentrées apparaissent lorsque des trajectoires de charges sont contraintes à changer de direction. Grâce à la présence des surfaces d'écrasement obliques, le changement de direction est atténué et la concentration des contraintes est moindre. Les surfaces d'écrasement obliques permettent également un plus grand rayon de congé sur la distance de transition. Le rayon de congé plus grand a également pour effet une diminution de la concentration des contraintes tout en accroissant la surface de contact à écrasement. Considérant les figures 1 et 5, le collet supérieur 6 de queue d'aronde comporte un congé 30 de collet supérieur, le collet médian 10 de queue d'aronde comporte un congé 34 de collet médian et le collet inférieur 14 de queue d'aronde comporte un congé 38 de collet inférieur. L'angle d'inclinaison 86 entre les crochets 8, 12, 16 permet un plus grand rayon de congé de collet, ce qui aboutit à une réduction des contraintes locales dans la queue d'aronde 4 d'ailette. Les rayons 34r, 38r respectivement du congé 34 de collet médian et du congé 38 de collet inférieur sont égaux. Le rayon 30r du congé 30 de collet supérieur est plus grand que les rayons 34r, 38r pour permettre une transition progressive avec la plate-forme 42 de queue d'aronde d'ailette. Les rayons 30r, 34r, 38r sont optimisés afin de réduire la concentration des contraintes locales. Le crochet supérieur 8 de la queue d'aronde 4 d'ailette comporte un congé 32 de crochet supérieur. Le congé 32 de crochet supérieur comporte deux rayons 32r1, 32r2 et une surface plane 32f. Le crochet médian 12 de la queue d'aronde 4 d'ailette comporte également un congé 36 de crochet médian qui comporte un premier rayon 36r1 et un second rayon 36r2 réunis par une surface plane 36f. Le crochet inférieur 16 de la queue d'aronde 4 d'ailette comporte un congé 40 de crochet inférieur qui comporte un rayon composé 40r se terminant par un replat 40f dans le bas de la queue d'aronde 4 d'ailette. Considérant les figures 2, 4 et 6-8, le collet supérieur 50 de la queue d'aronde 46 de rotor comporte un congé 62 de collet supérieur et le collet médian 54 comporte un congé 66 de collet médian. Le congé de collet supérieur comporte un seul rayon 62r et le congé 66 de collet médian comporte un seul rayon 66r. Les 7 rayons 62r et 66r sont égaux. Le collet inférieur 58 de la queue d'aronde 46 de rotor comporte un congé 70 de collet inférieur qui comporte un rayon composé 70r1, 70r2 choisi de manière à se fondre progressivement avec le bas 70f de la queue d'aronde 46 de rotor. Le crochet supérieur 48 de la queue d'aronde 46 de rotor comporte un congé 60 de crochet supérieur. Le congé 60 de crochet supérieur comporte un seul rayon 60r. Le crochet médian 62 comporte un congé 64 de crochet médian et le crochet inférieur 56 comporte un congé 68 de crochet inférieur. Le congé 64 de crochet médian comporte deux rayons 64r1, 64r2. Comme représenté sur la Fig. 7, le premier l0 rayon 64r1 est plus petit que le second rayon 64r2. Le congé 64 de crochet médian comporte également une surface plane 64f. Comme représenté sur la Fig. 8, le congé 68 de crochet inférieur comporte deux rayons 68r1, 68r2. Le premier rayon 68r1 est plus petit que le second rayon 68r2. Le congé 68 de crochet inférieur comporte également une surface plane 68f. 15 Le congé 60 de crochet supérieur, d'une part, et les congés 64 et 68 de crochets médian et inférieur, d'autre part, sont différents et sont optimisés pour porter des charges de manière égale. Le congé 60 de crochet supérieur a un rayon 60r plus grand que ceux du congé 64 de crochet médian et du congé 68 de crochet inférieur pour assurer une transition progressive avec la surface supérieure 84 du rotor. 20 L'épaisseur des crochets et la longueur des collets déterminent la répartition des charges entre les crochets, ainsi que la rigidité/les contraintes de flexion et de cisaillement dans les crochets. Tout cela contribue au degré de concentration des contraintes et des déformations. L'épaisseur des crochets et la longueur des collets sont optimisées afin de limiter le plus possible les contraintes locales et moyennes. 25 Comme représenté sur les figures des dessins, l'épaisseur des crochets est la différence entre les dimensions à partir de l'axe X sur l'axe central Y de la queue d'aronde. Par exemple, le crochet supérieur 24 a une épaisseur de 14,466 ù 8,817 = 7,643. Comme décrit ici, l'emplacement des rayons, les valeurs des rayons et les 30 autres aspects de la forme de la queue d'aronde d'ailette et de la queue d'aronde de rotor, dont, mais de manière nullement limitative, les épaisseurs des crochets et les longueurs des collets, sont optimisés afin de limiter le plus possible les contraintes locales et moyennes. Comme représenté sur les figures des dessins, les valeurs de l'emplacement des rayons, les valeurs des rayons, les épaisseurs des crochets et les 35 longueurs des collets sont indiquées en millimètres, et les dimensions 8 correspondantes en pouces sont indiquées entre crochets. Cependant, il doit être entendu que la queue d'aronde d'ailette et la queue d'aronde de rotor peuvent être réalisées avec des dimensions plus grandes ou plus petites à condition que les formes restent les mêmes. Les valeurs indiquées sur les figures des dessins peuvent donc être considérées comme non-dimensionnelles. LISTE DES REPERES Aube mobile de turbine à vapeur Emplanture d'aube mobile/queue d'aronde mâle/queue d'aronde d'ailette Collet supérieur (queue d'aronde d'ailette) Crochet supérieur (queue d'aronde d'ailette) Collet médian (queue d'aronde d'ailette) Crochet médian (queue d'aronde d'ailette) Collet inférieur (queue d'aronde d'ailette) Crochet inférieur Surface supérieure d'écrasement oblique (queue d'aronde d'ailette) Surface supérieure sans contact (queue d'aronde d'ailette) Surface médiane d'écrasement oblique (queue d'aronde d'ailette) Surface médiane sans contact (queue d'aronde d'ailette) Surface inférieure d'écrasement oblique (queue d'aronde d'ailette) Surface inférieure sans contact (queue d'aronde d'ailette) Rayon de congé Congé de crochet supérieur (queue d'aronde d'ailette) Congé de collet médian (queue d'aronde d'ailette) Congé de crochet médian (queue d'aronde d'ailette) Rayon de congé Congé de crochet inférieur (queue d'aronde d'ailette) Plate-forme de queue d'aronde d'ailette Disque de rotor Queue d'aronde de rotor Crochet supérieur (queue d'aronde de rotor) Collet supérieur (queue d'aronde de rotor) Crochet médian (queue d'aronde de rotor) Collet médian (queue d'aronde de rotor) Crochet inférieur (queue d'aronde de rotor) Collet inférieur (queue d'aronde de rotor) Congé de crochet supérieur (queue d'aronde de rotor) Congé de collet supérieur (queue d'aronde de rotor) Congé de crochet médian (queue d'aronde de rotor) Congé de collet médian (queue d'aronde de rotor) 2 4 6 30r 32 ; 32r1 ; 32r2 ; 32f 34 ; 34r 38 3 8r ; 40r ; 40f 42 44 46 48 50 52 54 56 58 60 ; 60r 62 ; 62r 64 ; 64r1 ; 64r2 ; 64f 66 ; 66r 10 Congé de crochet inférieur (queue d'aronde de rotor) 68 ; 68r1 ; 68r2 ; 68f Congé de collet inférieur (queue d'aronde de rotor) 70 ; 70r1 ; 70r2 ; 70f Surface supérieure d'écrasement oblique (queue d'aronde de rotor) 72 Surface supérieure sans contact (queue d'aronde de rotor) 74 Surface médiane d'écrasement oblique (queue d'aronde de rotor) 76 Surface médiane sans contact (queue d'aronde de rotor) 78 Surface d'écrasement inférieure oblique (queue d'aronde de rotor) 80 Surface inférieure sans contact (queue d'aronde de rotor) 82 Surface supérieure du rotor 84 Angle d'inclinaison 8615 REVENDICATIONS , 1. Aube mobile (2) montable sur un disque (44), l'aube mobile (2) comprenant : une plate-forme (42) d'aube mobile ; et une emplanture (4) d'aube mobile s'étendant depuis la plate-forme (42) d'aube mobile, l'emplanture (4) d'aube mobile comportant un premier, un deuxième et un troisième crochets (8, 12, 16) et un premier, un deuxième et un troisième collet (6, 10, 14), caractérisée en ce que chaque crochet comporte une surface de contact (18, 22, 26) et une surface sans contact (20, 24, 28), et un angle (86) entre chaque surface de contact (18, 22, 26) et chaque surface sans contact (20, 24, 28) est optimisé afin de réduire les contraintes locales et moyennes. 2. Aube mobile selon la revendication 1, caractérisée en ce que chacun des premier et deuxième crochets (8, 12) comporte un congé (32, 36), chaque congé comporte un premier rayon (32rl, 36r1) et un second rayon (32r2, 36r2), et les congés sont réunis par une surface plane (32f, 36f). 3. Aube mobile selon la revendication 2, caractérisée en ce que le deuxième rayon (32r2, 36r2) est plus grand que le premier rayon (32r1, 36r1). 4. Aube mobile selon la revendication 1, caractérisée en ce que le troisième 20 crochet (16) comporte un premier rayon et un second rayon, et le second rayon passe progressivement à bas plat (40f) de l'emplanture (4) d'aube mobile. 5. Aube mobile selon la revendication 1, caractérisée en ce qu'au moins une des épaisseurs des crochets (8, 12, 16) et des longueurs des collets (6, 10, 14) est optimisée afin de limiter le plus possible les contraintes locales et moyennes. 25 6. Aube mobile selon la revendication 1, caractérisée en ce que l'angle (86) est sensiblement symétrique autour d'un axe (X) perpendiculaire à un axe central (Y) de l'emplanture (4) d'aube mobile. 7. Aube mobile selon la revendication 1, caractérisée en ce que l'angle entre chaque surface de contact et chaque surface sans contact est d'environ 70,6 . 30 8. Turbine, comprenant : une aube mobile (2) comprenant une emplanture (4) d'aube mobile s'étendant depuis une plate-forme (42) d'aube mobile, l'emplanture (4) d'aube mobile comportant un premier, un deuxième et un troisième crochets (8, 12, 16) d'aube mobile et un premier, un deuxième et un troisième collets (6, 10, 14) d'aube mobile, 35 caractérisée en ce que chaque crochet (8, 12, 16) d'aube mobile comporte une surfacede contact (18, 22, 26) et une surface sans contact (20, 24, 28), et un angle (86) entre chaque surface de contact (18, 22, 26) et chaque surface sans contact (20, 24, 28) ; un disque (44) de rotor comportant une fente (46), la fente (46) comportant un premier, un deuxième et un troisième crochets (48, 52, 56) de rotor et un premier un deuxième et un troisième collets (50, 54, 58) de rotor, caractérisé en ce que chaque crochet (48, 52, 56) de rotor comporte une surface de contact (72, 76, 80) au contact d'une surface de contact correspondante (18, 22, 26) de l'aube mobile (2) et une surface sans contact (74, 78, 82) espacée d'une surface sans contact correspondante (20, 24, 28) de l'aube mobile (2), en ce que les surfaces de contact d'aube mobile et les surfaces sans contact (20, 24, 28) d'aube mobile, et l'angle (86) est optimisé afin de réduire les contraintes locales et moyennes entre les surfaces de contact. 9. Turbine selon la revendication 8, caractérisée en ce que le premier crochet de rotor comporte un rayon qui passe progressivement à une surface supérieure du disque de rotor, et les deuxièmes crochets de rotor et les troisièmes crochets de rotor comportent chacun des congés, chaque congé comportant un premier rayon et un second rayon, et les congés sont réunis par une surface plane. 10. Turbine selon la revendication 8, caractérisée en ce que l'angle est d'environ 70,6 . (72, 76, 80) du rotor sont inclinées par rapport aux surfaces sans contact (74, 78, 82) suivant le même angle (86) que l'angle (86) entre les surfaces de contact (18, 22, 26)