Brevet FR2914349A1 — publié le 20081003

B08-0169FR 1 Société dite : GENERAL ELECTRIC COMPANY Interface distributeur couronne à aubes/support pour turbine à vapeur Invention de : BURDGICK Steven Sebastian ADIS William Edward Priorité d'une demande de brevet déposée aux Etats-Unis d'Amérique le 9 février 2007 sous le n 11/704.317 2 Interface distributeur couronne à aubes/support pour turbine à vapeur Les turbines à gaz comportent des segments de distributeur statiques qui dirigent le flux de vapeur vers des ailettes rotatives qui sont montées sur un rotor. Dans les turbines à vapeur, la structure de distributeur est fréquemment appelée étage à diaphragme. Les étages à diaphragmes habituels sont construits suivant l'un de deux procédés. Le premier procédé est un procédé à "bandes/couronnes" qui utilise un ensemble composé d'une pluralité d'aubages profilés contenus dans des bandes intérieure et extérieure, puis cet ensemble d'aubages profilés contenu dans des bandes est soudé dans des couronnes intérieure (bandage) et extérieure. Le second procédé comporte un soudage d'aubages profilés directement sur des couronnes intérieure et extérieure à l'aide de soudures à congé à l'interface. Ordinairement, le second procédé est employé pour les aubages profilés les plus grands, qui permettent un accès pour créer la soudure. Cependant, l'utilisation de ces procédés présente des inconvénients. Un premier inconvénient est la déformation inhérente de la soudure de la veine d'écoulement ainsi que des parois latérales de la veine de vapeur. A cet égard, les procédés actuels de construction des distributeurs de turbines à vapeur consistent en soudures à grand apport de chaleur utilisant de grandes quantités de métal d'apport ou des soudures profondes par faisceaux d'électrons. Cet apport de matière et de chaleur provoque une déformation de la veine d'écoulement, et il est souvent nécessaire de régler les aubages profilés après soudage et relâchement des contraintes. La déformation a pour conséquence des pertes de rendement de la turbine dans la veine d'écoulement d'une turbine à vapeur. D'autres procédés utilisant la construction d'un seul distributeur dans des couronnes ont encore des soudures et des interfaces mécaniques difficiles à modéliser et analyser. Ils ne donnent pas non plus assez de robustesse pour résister au niveau de contraintes résultant de l'interface de soudures et d'interfaces entre les distributeurs. Un autre procédé consiste à placer des "crochets" sur le distributeur et à faire coulisser chaque distributeur jusque dans une gorge périphérique présente dans le support. Ce procédé est également délicat et long à analyser à l'aide de méthodes par éléments finis pour les contraintes. De plus, l'analyse des fréquences n'est pas aussi fiable en raison de conditions aux limites non déterminantes et changeantes entre les distributeurs et le support. 3 Ainsi, de façon générale, les procédés actuels de construction de diaphragmes de distributeurs sont coûteux et longs au stade des études ainsi que de la fabrication, et tous les procédés actuels consistent en un certain type de soudures ou d'interfaces mécaniques entre le distributeur et les couronnes. Des distributeurs du type à "couronne à aubes" sont actuellement très peu utilisés dans la conception des turbines à vapeur. Une couronne à aubes est pour l'essentiel une veine d'écoulement entière d'un distributeur, qui est usinée à partir de deux demi-couronnes, mais sans système de soudage ou d'assemblage. La couronne à aubes offre de nombreuses qualités précieuses pour la conception. Premièrement, les couronnes à aubes ont des niveaux de contraintes très inférieurs, car elles ne comportent ni joints de soudures ni discontinuités mécaniques sur le trajet de charges. Deuxièmement, les tolérances des aubages profilés peuvent être fortement améliorées par rapport aux techniques à soudures. Troisièmement, elles sont plus faciles à concevoir et ont des caractéristiques de fréquences plus déterminantes. A cet égard, la modélisation en 3D et l'analyse par éléments finis des contraintes et des fréquences est plus simple, plus rapide et plus fiable du fait de la simplicité de la conception. Un problème posé par les structures actuelles de couronnes à aubes est l'interface entre le support et la couronne à aubes. Dans la plupart des types de diaphragmes, il y a des "doigts de sécurité" ou de petites entretoises pour maintenir une tolérance étroite entre le diaphragme et le carter dans la direction axiale. Les entretoises servent à maintenir le diaphragme sous charge dans la direction arrière contre la face où passe la vapeur. Cela facilite l'assemblage et sert également lors de la dépose du diaphragme après plusieurs années de fonctionnement. A cet égard, après quelques années de fonctionnement, une corrosion apparaît sur les surfaces et, si l'interface entre le diaphragme et le carter est étroite sur les deux faces axiales, il risque alors d'être très difficile de sortir le diaphragme car celui-ci risque d'avoir tendance à rester bloqué du fait de la corrosion. En outre, les couronnes à aubes "roulent" ou fléchissent vers l'aval plus que le glissement dans le type de distributeurs. Bien des diaphragmes n'utilisent les doigts de sécurité que sur la moitié inférieure (généralement 3) et la moitié supérieure présente un plus grand intervalle par rapport à la face avant. Par moment, cela permet à la moitié supérieure du diaphragme de se décoller de la face arrière et permet à des corps étrangers de se retrouver derrière la face et de créer un trajet de fuite.35 4 La présente invention est relative à une interface perfectionnée entre la couronne à aubes et le support afin d'améliorer le chargement, l'étanchéité et le démontage des couronnes à aubes tout en réduisant le fléchissement vers l'aval. Ainsi, l'invention peut être mise en oeuvre dans une turbine comprenant : un ensemble de distributeur de turbine ayant au moins un aubage statorique profilé et comportant une paroi latérale interne à une extrémité radialement interne de l'aubage statorique profilé et une structure de paroi latérale extérieure à l'extrémité radialement extérieure dudit aubage profilé statorique ; et un support de couronne extérieure ayant une gorge débouchant radialement vers l'intérieur ; ladite structure de paroi latérale extérieure étant agencée pour s'engager de manière coulissante dans ladite gorge dans une direction radiale tout en étant empêchée de se déplacer dans une direction radiale par rapport à celle-ci, une zone de contact avant entre ladite structure de paroi latérale extérieure et ledit support de couronne extérieure comportant un intervalle circonférentiel avant défini sur une surface de ladite gorge orientée vers l'arrière et/ou sur une face axiale amont de la structure de paroi latérale extérieure, ledit intervalle circonférentiel avant ayant une dimension radiale sensiblement plus petite qu'une dimension radiale de ladite gorge, et une zone de contact arrière entre ladite structure de paroi latérale extérieure et ledit support de couronne extérieure comportant un intervalle circonférentiel arrière défini sur une surface de ladite gorge orientée vers l'avant ou une face axiale aval de la structure de paroi latérale extérieure, ledit intervalle circonférentiel arrière ayant une dimension radiale sensiblement plus petite que la dimension radiale de ladite gorge. L'invention peut également être mise en oeuvre dans une turbine comprenant : un ensemble de distributeur de turbine ayant au moins un aubage statorique profilé et comprenant une paroi latérale interne à une extrémité radialement interne de l'aubage statorique profilé et une structure de paroi latérale externe à l'extrémité radialement externe dudit aubage statorique profilé ; et un support de couronne extérieure ayant une gorge débouchant radialement vers l'intérieur ; ladite structure de paroi latérale extérieure étant conçue pour s'engager de manière coulissante dans ladite gorge dans une direction radiale tout en étant empêchée de bouger dans une direction radiale par rapport à celle-ci, et une interface avant entre ladite gorge et ladite structure de paroi latérale extérieure étant construite et agencée pour un contact entre celles-ci uniquement au voisinage immédiat d'une paroi d'extrémité radialement externe de ladite gorge, et l'interface arrière entre ladite gorge et ladite structure de paroi latérale externe étant construite et agencée pour un contact exclusivement au voisinage immédiat d'une partie radialement interne de ladite gorge, à distance de ladite paroi d'extrémité radialement externe de ladite gorge, grâce à quoi le chargement, l'étanchéité et la dépose de l'ensemble de distributeur peuvent se faire sans adhérence au support de couronne extérieure, tout en réduisant le fléchissement 5 de l'ensemble de distributeur vers l'aval. 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 schématique en élévation d'un étage selon la technique antérieure ayant un diaphragme de distributeur formé à l'aide du procédé à bandes/couronnes ; la Fig. 2 est une vue schématique en élévation d'un étage selon la technique antérieure ayant un diaphragme de distributeur formé à l'aide de la structure du type à couronne à aubes ; la Fig. 3 est une vue schématique en élévation d'un type d'interface distributeur/support à couronne à aubes selon un premier exemple de forme de réalisation de l'invention ; la Fig. 4 est une vue schématique agrandie en élévation de l'interface couronne à aubes/support de la Fig. 3 ; la Fig. 5 est une vue schématique agrandie en élévation de l'interface couronne à aubes/support avec un joint d'étanchéité avant selon un autre exemple de forme de réalisation de l'invention ; et la Fig. 6 est une vue schématique en élévation d'une structure monobloc selon encore un autre exemple de forme de réalisation de l'invention. Comme indiqué plus haut, avec le type de distributeur à couronne à aubes, les aubages profilés sont découpés en deux couronnes couvrant 180 , pour former l'étage à couronne à aubes. Cela supprime les ajustements mécaniques et la partie soudée de la fabrication, en apportant une solution aux problèmes évoqués plus haut. L'invention concerne en particulier un type perfectionné d'interface entre la couronne extérieure de la couronne à aubes et le support. Ce type remplit plusieurs fonctions. Il améliore l'assemblage en permettant un dégagement dans des zones appropriées pour faciliter la mise en place de la couronne à aubes dans le carter. De plus, il améliore la dépose future après quelques années, lorsqu'une corrosion sera apparue entre la couronne à aubes et le carter. Il réduit le risque de fléchissement de la couronne à aubes vers l'aval grâce à des zones de contact placées de manière adéquate. En outre, 6 il améliore la pression de contact entre la couronne à aubes et le carter, ce qui améliore l'étanchéité des faces au contact de vapeur. La Fig. 1 représente la structure classique d'un étage de turbine du type à impulsion qui utilise une cloison, des bandes et des couronnes soudées en un ensemble. Plus particulièrement, cette structure classique utilise un ensemble de diaphragme 10 composé d'une pluralité d'aubages profilés 12 logés dans des bandes intérieure et extérieure 14, 16 qui sont soudées, en 18, 20, 22, 24, sous la forme d'une couronne (bandage) interne 26 et d'une couronne externe 28. La Fig.2 représente la structure d'une couronne à aubes selon la technique antérieure. Plus particulièrement, cette structure de couronne à aubes selon la technique antérieure utilise un doigt de sécurité ou une petite entretoise 130 pour conserver une étroite tolérance entre le diaphragme 132 et le carter 134 dans la direction axiale, comme représenté, au niveau de la face de passage de vapeur ou face de contact axial 136. Comme indiqué plus haut, cela facilite l'assemblage et sert également lors de la dépose du diaphragme après plusieurs années de fonctionnement. Sont également représentés un trou horizontal 138 de boulon d'assemblage et la garniture d'étanchéité 140 disposée à l'interface entre la couronne à aubes 110 et le rotor 142. Comme indiqué plus haut, la présente invention porte de façon générale sur les caractéristiques de l'interface mécanique entre un distributeur du type à couronne à aubes et le support (enveloppe ou carter) dans lequel il est monté. L'aspect essentiel de cette conception est la mise en place judicieuse de moyens d'interfaçage avec l'enveloppe et la suppression des "doigts de sécurité". La première particularité de l'interface est une zone de contact extérieure avant (ou amont) définie, par exemple, par une dépouille (dégagement) du côté du carter. Cette dépouille du côté du carter permet une petite zone de contact qui n'est touchée que lorsque la couronne à aubes est presque entièrement introduite dans la gorge du carter. Cela permet de faciliter l'assemblage. En outre, la dépose est améliorée, car le contact est très faible et est supprimé dès qu'on soulève légèrement la couronne à aubes. La face arrière, ou face au contact de vapeur, a également une très petite surface de contact. Le fait de mettre l'évidement de la couronne à aubes dans cette situation permet un dégagement rapide d'avec la gorge du carter lors de la dépose du matériel. Cela réduit également le problème de corrosion seulement à un petit intervalle circonférentiel pour réduire le risque d'adhérence ou d'assemblage bloqué au moment de la dépose du matériel quelques années plus tard. Un autre grand 7 avantage de ce petit intervalle circonférentiel arrière est qu'il contribue à concentrer la charge axiale de la couronne à aubes dans une petite zone. Cela réduit à son tour les fuites par la face au contact de la vapeur. Un autre grand avantage, ou perfectionnement, de cette conception par rapport à des parois rectilignes, des doigts de sécurité et un plus grand espacement de la face avant selon la technique antérieure, consiste en l'aptitude de cette configuration à limiter le fléchissement de la couronne à aubes. Lorsque la couronne à aubes est soumise à des sollicitations par la veine de vapeur, elle a tendance à présenter un défaut en aval au niveau de la zone de la couronne intérieure en raison des charges aérodynamiques (de pression) exercées sur l'aubage mobile. Les types qui utilisent des crochets sur les distributeurs au moment de les faire coulisser pour les introduire dans une gorge de support, fléchissent très peu dans le sens d'écoulement de la vapeur du fait de l'interface avec les crochets. Lors de la mise en place d'une couronne à aubes dans la gorge, une partie du trajet de charges avantageux se perd pour réduire le fléchissement. La configuration de ce type, dans les exemples de formes de réalisation illustrés, comporte l'intervalle avant vers l'extérieur et l'intervalle interne vers l'intérieur. Ces deux intervalles, qui créent un espace relativement étroit au niveau de l'interface avant, limitent la possibilité pour la pièce de rouler à l'intérieur de la gorge. La séparation de ces deux faces permet au couple de charges de supprimer par réaction une partie du fléchissement de la couronne à aubes vers l'aval. Si toute la face était rectiligne avec un espacement étroit, il pourrait y avoir un gros problème de corrosion amenant les pièces à être grippées, ce qui rendrait la dépose difficile, voire impossible sans destruction du matériel. Si les faces entières étaient rectilignes et si l'avant présentait un grand espace et un doigt de sécurité, comme dans la structure illustrée sur la Fig. 2, il n'y aurait alors aucune possibilité de limiter le fléchissement (roulement) de la couronne à aubes. Les figures 3 et 4 illustrent un exemple de forme de réalisation de l'invention dans lequel, au lieu d'avoir un doigt de sécurité disposée entre la couronne à aubes 210 et le carter ou l'enveloppe 234, un petit intervalle circonférentiel 244 est ménagé dans le support. Plus particulièrement, la couronne à aubes est constituée d'un ou de plusieurs aubages profilés 212 et de parois latérales interne et externe 214, 216. Dans la forme de réalisation des figures 3 et 4, la paroi latérale extérieure est reçue dans une gorge périphérique 246 du carter ou de l'enveloppe 234. Un petit intervalle circonférentiel 244 est ménagé comme face de contact axiale en amont de 8 la gorge 246 au voisinage immédiat de la paroi d'extrémité 248 de la gorge, ce qui assure un contact limité avec le support 234 (carter, enveloppe), ce qui a pour effet à la fois de réduire le fléchissement (roulement) vers l'aval et de faciliter l'assemblage, puisque cela remplace une entretoise ou un doigt de sécurité 130 placée à cet endroit. La face 236 au contact de la vapeur crée elle aussi un contact limité, en comparaison, par exemple, de la structure de couronne à aubes de la Fig. 2. Plus particulièrement, comme illustré, un petit intervalle circonférentiel 250 est ménagé dans la face axiale aval de la paroi latérale externe 216 pour la venue du carter ou de l'enveloppe 234. Dans cet exemple de forme de réalisation, le petit intervalle circonférentiel 244 de la gorge 246 du carter et le petit intervalle circonférentiel 250 de la face au contact de la vapeur sont ménagés en formant un évidement périphérique 252 dans le carter ou l'enveloppe 234 et en usinant la couronne à aubes 210 afin de créer un évidement circonférentiel 254 radialement à l'extérieur de l'intervalle 250 de la face au contact de la vapeur. La Fig. 5 est une illustration schématique similaire à la Fig. 4, mais illustrant l'inclusion d'un joint d'étanchéité 256 en V ou en W entre le support 234 de distributeur et la couronne extérieure 216 de la couronne à aubes. Un joint "en C" peut également être utilisé. L'étanchéité est impossible dans la plupart des cas dans les conceptions classiques dans la partie avant du diaphragme, où elle rencontre le carter, elle a un grand espace et elle présente une tolérance plus grande en raison de la présence du doigt de sécurité. Maintenant que l'espace est maintenu dans des tolérances plus strictes et constitue une surface continue, il est possible d'incorporer un joint sollicité par la pression ou par un ressort pendant l'utilisation de ce type de couronne à aubes. L'interface couronne/support proposée dans les formes de réalisation des figures 3 à 5 est également applicable à une structure "monobloc" illustrée sur la Fig. 6. Il s'agit d'un distributeur unique 310 dont les parois latérales interne et externe 314, 316 sont usinées avec l'aubage mobile 312. La paroi externe 316 du distributeur monobloc est ensuite soudée à une couronne extérieure massive 358 à l'aide de petites soudures axiales avant 360 et arrière 362 réalisées avec une faible application de chaleur pour ressembler à une configuration de couronne à aubes; L'ensemble constitué du distributeur monobloc et de la couronne extérieure est ensuite logé dans une gorge correspondante 346 du support 334 de distributeur. L'ensemble de distributeur (couronne externe 358 et distributeurs soudés à celle-ci) n'est pas soudé au support. L'ensemble de distributeur peut bouger radialement dans la gorge du 9 support. Comme dans la forme de réalisation selon les figures 3 et 4, un petit intervalle circonférentiel 344 est défini en creusant la gorge 346 du carter dans la direction circonférentielle, par exemple en 352, en amont de l'ensemble de distributeur, et en définissant un petit intervalle circonférentiel 350 dans la face au contact de la vapeur par usinage d'un évidement 354 dans la couronne massive 358 en aval de l'ensemble de distributeur. Les caractéristiques mécaniques de l'interface entre la structure monobloc et la couronne extérieure constituent un moyen d'assemblage et d'alignement et permettent une amélioration de la fiabilité et une diminution des risques. A cet égard, le blocage mécanique entre la couronne 358 et les distributeurs 310 signifie qu'en cas de rupture d'un aubage mobile, les couronnes et les distributeurs ne peuvent pas se détacher vers l'aval, puisqu'il y a une interface mécanique qui empêche l'ensemble de se détacher sous l'effet de la pression. En outre, le verrouillage mécanique a pour fonction de servir à arrêter une soudure d'une façon prédéterminée et reproductible. A cet égard, le faisceau de soudage (à priori un faisceau de soudage par électrons) doit s'arrêter lorsqu'il frappe l'interface d'accrochage radial. Un autre avantage de la forme de réalisation selon la Fig. 6 est que la face radialement externe de la paroi latérale externe 316 du distributeur se présente sous la forme d'une extrémité plane au lieu d'une extrémité circonférentielle coupée plus coûteuse. L'exemple de forme de réalisation de la Fig. 6 comporte une couronne interne 364 qui est verrouillée mécaniquement et fixée par brasage ou soudage à la paroi latérale interne 314 du distributeur, ou simplement accrochée mécaniquement au distributeur. LISTE DES REPERES Ensemble de diaphragme 10 Aubages profilés 12 Bandes interne et externe 14, 16 Soudures 18, 20, 22, 24 Couronne interne (bandage) 26 Couronne externe 28 Couronne à aubes 110 Doigt de sécurité ou petite entretoise 130 Diaphragme 132 Carter 134 Face de passage de vapeur ou face de contact axial 136 Trou de boulon d'assemblage 138 Garniture d'étanchéité 140 Rotor 142 Couronne à aubes 210 Aubage(s) profilé(s) 212 Parois latérales interne et externe 214, 216 Support (carter, enveloppe) 234 Face de passage de vapeur 236 Intervalle circonférentiel 244 Gorge à extension circonférentielle 246 Paroi d'extrémité 248 Intervalle circonférentiel 250 Evidement circonférentiel 252 Evidement circonférentiel 254 Joint d'étanchéité en V ou en W 256 Distributeur unique 310 Aubage profilé 312 Parois latérales interne et externe 314, 316 Support de distributeur 334 Intervalle circonférentiel 344 Gorge 346 Intervalle circonférentiel 350 Evidement 352 REVENDICATIONS 1. Turbine, comprenant : un ensemble de distributeur (210, 310) de turbine ayant au moins un aubage statorique profilé (212, 312) et comportant une paroi latérale interne (214, 314) à une extrémité radialement interne de l'aubage statorique profilé et une structure de paroi latérale externe (216, 316, 358) à l'extrémité radialement externe dudit aubage statorique profilé ; et un support (234, 334) de couronne externe ayant une gorge (246, 346) débouchant radialement vers l'intérieur ; dans laquelle ladite structure de paroi latérale externe est conçue pour s'engager de manière coulissante dans ladite gorge dans une direction radiale tout en étant empêchée de bouger dans une direction radiale par rapport à celle-ci, une zone de contact avant entre ladite structure de paroi latérale externe (216, 316, 358) et ledit support (234, 334) de couronne externe comportant un intervalle circonférentiel avant (244, 344) défini sur une surface de ladite gorge orientée vers l'arrière ou une face axiale amont de la structure de paroi latérale externe, ledit intervalle circonférentiel avant ayant une dimension radiale sensiblement plus petite qu'une dimension radiale de ladite gorge, et une zone de contact arrière entre ladite structure de paroi latérale externe et ledit support de couronne externe comportant un intervalle circonférentiel arrière (250, 350) ménagé sur une surface de ladite gorge orientée vers l'avant ou une face axiale aval de la structure de paroi latérale externe, ledit intervalle circonférentiel arrière ayant une dimension radiale sensiblement plus petite que la dimension radiale de ladite gorge. 2. Turbine selon la revendication 1, dans laquelle ledit intervalle circonférentiel avant (244, 344) est ménagé sur la surface de ladite gorge (246, 346) orientée vers l'arrière. 3. Turbine selon la revendication 2, dans laquelle ledit intervalle circonférentiel avant (244, 344) est défini par un évidement (252, 352) ménagé dans ledit carter extérieur. 4. Turbine selon la revendication 3, dans laquelle ledit intervalle circonférentiel avant (244, 344) est défini au voisinage immédiat d'une paroi d'extrémité radialement externe (248) de ladite gorge (246, 346). 13 5. Turbine selon la revendication 1, dans laquelle ledit intervalle circonférentiel arrière (250, 350) est défini sur la face axiale aval de la structure de paroi latérale externe (216, 316, 258). 6. Turbine selon la revendication 5, dans laquelle l'intervalle circonférentiel arrière (250, 350) est défini par un évidement (254, 354) usiné dans ladite structure de paroi latérale externe. 7. Turbine selon la revendication 6, dans laquelle ledit intervalle circonférentiel arrière (250, 350) est disposé de manière à venir contre une partie radialement interne de ladite gorge, distante d'une paroi d'extrémité radialement externe (248) de ladite gorge (246, 346). 8. Turbine selon la revendication 1, dans laquelle ladite structure de paroi latérale externe comprend un segment de paroi latérale externe (316) soudé à une couronne externe (358) reçue dans ladite gorge (346) avec ladite paroi latérale externe. 9. Turbine selon la revendication 8, dans laquelle ladite couronne externe (358) s'étend d'une manière partiellement circonférentielle et est soudée à une pluralité desdits segments (316) de paroi latérale externe. 10. Turbine selon la revendication 1, comprenant en outre un élément d'étanchéité (256) entre la surface de ladite gorge (246) orientée vers l'arrière et la face amont de la structure de paroi latérale externe (216).