Brevet FR2919018A1 — publié le 20090123

B 08/2343 FR 1 Société dite : NUOVO PIGNONE HOLDINGS, S.P.A. PALE ROTATIVE DE TURBINE A VAPEUR Invention de : MUJEZINOVIC Amir SLEPSKI Jonathon DELESSIO Steven Priorité d'une demande de brevet déposée aux Etats-Unis d'Amérique le 16 juillet 2007 sous le N 11/778.187 2 PALE ROTATIVE DE TURBINE A VAPEUR La présente invention concerne une pale rotative pour une turbine à vapeur, et, plus particulièrement, une pale rotative pour une turbine à vapeur avec une géométrie optimisée susceptible d'accroître les vitesses de fonctionnement. Le trajet d'écoulement de vapeur d'une turbine à vapeur est formé par un cylindre fixe et un rotor. Un certain nombre d'aubes fixes sont fixées au cylindre en un groupement circonférentiel et s'étendent vers l'intérieur dans le trajet d'écoulement de vapeur. De façon similaire, un certain nombre de pales rotatives sont fixées au rotor en un groupement circonférentiel et s'étendent vers l'extérieur dans le trajet d'écoulement de vapeur. Les aubes fixes et les pales rotatives sont agencées en rangées alternées, de telle sorte qu'une rangée d'aubes et la rangée immédiatement aval de pales forment un étage. Les aubes servent à diriger l'écoulement de vapeur de telle sorte qu'il entre dans la rangée aval de pales selon l'angle correct. Les profils de pale extraient de l'énergie à partir de la vapeur, de façon à développer par conséquent la puissance nécessaire pour entraîner le rotor et la charge reliée à celui-ci. La quantité d'énergie extraite par chaque rangée de pales rotatives dépend de la taille et de la forme des profils de pale, ainsi que de la quantité de pales dans la rangée. Par conséquent, les formes des profils de pale sont un facteur important des performances thermodynamiques de la turbine, et la détermination de la géométrie des profils de pale est une partie importante de la conception de la turbine. Lorsque la vapeur s'écoule à travers la turbine, sa pression chute à travers chaque étage successif jusqu'à ce que la pression de décharge désirée soit atteinte. Par conséquent, les propriétés de la vapeur - à savoir, la 3 température, la pression, la vitesse et la proportion d'humidité -varient d'une rangée à l'autre lorsque la vapeur se dilate à travers le trajet d'écoulement. Par conséquent, chaque rangée de pales emploie des pales ayant une forme de profil qui est optimisée pour les conditions de vapeur associées à cette rangée. Cependant, à l'intérieur d'une rangée donnée, les formes de profil de pale sont identiques, sauf dans certaines turbines dans lesquelles les formes de profil varient entre les pales à l'intérieur de la rangée afin de faire varier les fréquences de résonance. Les profils de pale s'étendent à partir d'un pied de pale utilisé pour fixer la pale au rotor. De façon classique, ceci est accompli par le fait de communiquer une forme de sapin au pied en formant des tenons et des rainures alternés s'étendant approximativement axialement le long des côtés du pied de pale. Des fentes comportant des tenons et des rainures d'accouplement sont formées dans le disque de rotor. Lorsque l'on fait glisser le pied de pale dans la fente de disque, la charge centrifuge sur la pale, qui est très élevée du fait de la vitesse de rotation élevée du rotor, est répartie le long de parties de tenons sur lesquelles sont en contact le pied et le disque. Du fait de la charge centrifuge élevée, les contraintes dans le pied de pale et la fente de disque sont très élevées. Par conséquent, il est important de minimiser les concentrations de contraintes formées par les tenons et les rainures et de maximiser les zones de portée sur lesquelles les forces de contact entre le pied de pale et la fente de disque se produisent. Ceci est particulièrement important dans les dernières rangées d'une turbine à vapeur basse pression, du fait de la grande taille et du poids important des pales dans ces rangées et de la présence d'une corrosion de contrainte due à de l'humidité dans l'écoulement de vapeur. 4 En plus de la charge centrifuge stable, les pales sont également sujettes à une vibration. Les pales de turbine rotatives de la section basse pression sont, de façon caractéristique, conçues et optimisées de façon à couvrir une vitesse de fonctionnement donnée, comme cela est requis par les différentes applications. Les principaux paramètres de fonctionnement sont la surface d'anneau, la vitesse de rotation, la capacité de débit d'écoulement massique, et, pour les pales du dernier étage, la pression de condensation. La difficulté associée à la conception d'une pale de turbine à vapeur est exacerbée par le fait que la forme de profil détermine, en grande partie, tout à la fois les forces appliquées sur la pale et sa résistance mécanique et ses fréquences de résonance, ainsi que les performances thermodynamiques de la pale. Ces considérations imposent des contraintes au choix de la forme de profil de pale, ce qui fait que, par nécessité, la forme de profil de pale optimale pour une rangée donnée est une question de compromis entre ses propriétés mécaniques et aérodynamiques. Il est par conséquent souhaitable de procurer une rangée de pales de turbine à vapeur qui procure de bonnes performances thermodynamiques tout en minimisant les contraintes sur le pied et le profil de pale dues à la force centrifuge et en évitant une excitation de résonance. Dans un exemple de réalisation, une pale rotative pour une turbine à vapeur comprend une section de pied et une section de profil contiguë à la section de pied. La section de profil est conformée de façon à optimiser les performances aérodynamiques tout en produisant une distribution d'écoulement optimisée et des contraintes centrifuges et de courbure minimales. La pale comprend également une section de pointe continue avec la section de profil, et un capot formé sous la forme d'une partie de la section de pointe. Le capot définit un joint d'étanchéité radial qui sert à minimiser les pertes de 5 pointe. Ladite pale peut être une pale conçue pour un fonctionnement de pale de dernier étage. Dans un autre exemple de réalisation, une pale rotative pour une turbine à vapeur comprend une section de pied et une section de profil contiguë à la section de pied. La section de profil est conformée de façon à optimiser les performances aérodynamiques tout en produisant une distribution d'écoulement optimisée et des contraintes centrifuges et de courbure minimales. La pale comprend également une section de pointe continue avec la section de profil et ayant une certaine largeur de pointe, et un capot formé sous la forme d'une partie de la section de pointe. Le capot est plus large que la largeur de pointe, de telle sorte qu'à une certaine vitesse, le capot vienne en prise avec un capot adjacent d'une pale adjacente. Le capot définit également un joint d'étanchéité radial qui sert à minimiser les pertes de pointe. La pale est configurée de telle sorte qu'une surface d'anneau de sortie de la pale soit de 0,461 m2, et qu'une plage de vitesse de fonctionnement de la pale soit comprise entre 5625 et 11.250 rotations par minute, et qu'un débit d'écoulement massique maximal de la pale soit de 30,9 kg/s. La présente invention sera mieux comprise à la lecture de la description détaillée suivante, faite en référence aux dessins joints, dans lesquels : la figure 1 est une vue de face de la pale rotative de turbine à vapeur ; la figure 2 est une vue en perspective ; la figure 3 est une vue de dessus du capot de pale ; et la figure 4 montre la pointe de pale et le capot. 6 Si l'on se réfère aux figures 1 et 2, une pale rotative pour une turbine à vapeur comprend une section de pied 2 reliée à une queue d'aronde d'entrée axiale 3 pour la liaison avec le rotor de turbine. Comme représenté, la queue d'aronde 3 comprend une forme de sapin à deux crochets. Le sujet d'une demande de brevet US simultanément pendante, la géométrie de queue d'aronde d'entrée axiale, a été optimisé pour obtenir une répartition de contraintes moyenne et locale qui garantit une protection adéquate pour les marges de survitesse et de fatigue de faible cycle. Un profil 10 s'étend à partir de la section de pied 2, et une section de pointe 4 est continue avec la section de profil 10. Comme représenté dans les figures 3 et 4, un capot 5 est formé sous la forme d'une partie de la section de pointe 4. Pour s'adapter aux vitesses de fonctionnement, qui s'étendent de 5625 à 11.250 rotations par minute, avec un débit d'écoulement massique maximal de 30,9 kg/s et une surface d'anneau de sortie de 0,461 m2, une dynamique des fluides calculée a été effectuée afin d'optimiser la géométrie du profil. Le débit d'écoulement massique et la surface d'anneau sont des paramètres de conception importants, comme cela est apprécié par les personnes ayant une connaissance ordinaire de la technique. Une "surface d'anneau de sortie" est une surface de forme annulaire formée sur le bas par le sommet de la queue d'aronde de pale et sur le haut par la face inférieure du capot. La géométrie optimisée peut permettre une adaptation aux vitesses de fonctionnement plus élevées tout en évitant des augmentations associées des problèmes de contraintes et de fréquence. En particulier, la section de profil 10 comprend un rapport pas sur largeur optimal. De plus, une répartition d'épaisseur le long de la section de profil 10 est modifiée par rapport à une structure classique de façon à optimiser les performances. Egalement, de plus, la courbure de la section de profil 10 est ajustée à une pression plus basse et à des pertes de choc en résultat du fonctionnement à grande vitesse. L'empilement de sections de profil est optimisé de façon à minimiser une contrainte locale de pied d'aube provoquée par la torsion centrifuge de la pale. Les figures 3 et 4 montrent le capot de pale 5 en vues de dessus et latérale, respectivement. Le capot 5 est de préférence usiné avec la pale, et est par conséquent intégré à la section de pointe 4. Le capot 5, qui définit un joint d'étanchéité radial, comprend au moins un, et, de préférence, deux, joints d'étanchéité de pointe 12 et surfaces cylindriques usinés sur la pale pour assurer un contrôle des fuites. Comme représenté en figure 4, le capot 5 est construit avec une largeur supérieure à une largeur de la section de pointe 4. Cette construction, avec une torsion dans la pale, définit un espace initial entre des faces de contact de capots de pales adjacentes. Cet espace est fermé à une certaine vitesse en conséquence de la rotation du capot provoquée par la dé-torsion de la pale. Une fois que les capots de pales adjacentes viennent mutuellement en prise, les pales se comportent comme une structure couplée de façon continue unique qui présente d'excellentes caractéristiques de rigidité et d'amortissement par rapport à une configuration autonome, produisant de très faibles contraintes de vibration. Autrement dit, les capots en prise entre des pales adjacentes forment un écran ou une bande de capot autour de la périphérie extérieure de la roue de turbine, de façon à confiner le fluide de travail à l'intérieur d'un trajet bien défini et à augmenter la rigidité des pales. La pale rotative de turbine à vapeur décrite ici produit des rendements et des performances aérodynamiques 8 et mécaniques significativement améliorés, tout en comprenant également des capots ayant une étanchéité radiale afin de minimiser les pertes de pointe, des contraintes centrifuges et de courbure de vapeur minimales, une configuration de capot couplée de façon continue de façon à minimiser les contraintes de vibration, des pertes de rendement réduites, et une distribution d'écoulement optimisée. De ce fait, les pales de turbine peuvent fonctionner de façon efficace à des vitesses de fonctionnement plus élevées. LISTE DES PARTIES Section de pied : 2 Queue d'aronde d'entrée axiale : 3 Section de pointe : 4 Capot : 5 Profil : 10 Joints d'étanchéité de pointe : 12 REVENDICATIONS 1. Pale rotative pour une turbine à vapeur, caractérisée en ce qu'elle comprend : une section de pied (2) ; une section de profil (10) contigüe à la section de pied, la section de profil étant conformée de façon à optimiser les performances aérodynamiques tout en produisant une distribution d'écoulement optimisée et des contraintes centrifuges et de courbure minimales ; une section de pointe (4) continue avec la section de profil ; et un capot (5) formé sous la forme d'une partie de la section de pointe, le capot définissant un joint d'étanchéité radial qui minimise les pertes de pointe. 2. Pale rotative selon la revendication 1, caractérisée en ce qu'elle a une surface d'anneau de sortie de 0,461 m2. 3. Pale rotative selon la revendication 2, caractérisée en ce qu'une plage de vitesse de fonctionnement de la pale est comprise entre 5625 et 11.250 rotations par minute. 4. Pale rotative selon la revendication 3, caractérisée en ce qu'elle a un débit d'écoulement massique maximal de 30,9 kg/s. 5. Pale rotative selon la revendication 1, caractérisée en ce qu'une plage de vitesse de fonctionnement de la pale est comprise entre 5625 et 11.250 rotations par minute. 6. Pale rotative selon la revendication 1, caractérisée en ce que la pale est conçue pour un fonctionnement en pale de dernier étage. 7. Pale rotative selon la revendication 6, caractérisée en ce que le capot (5) est dimensionné de telle sorte qu'à une certaine vitesse, le capot vienne en prise avec un capot adjacent d'une pale adjacente. 11 8. Pale rotative selon la revendication 1, caractérisée en ce que le capot (5) est intégré à la section de pointe (4). 9. Pale rotative selon la revendication 1, caractérisée en ce que le joint d'étanchéité radial comprend au moins un joint d'étanchéité de pointe (12). 10. Pale rotative pour une turbine à vapeur, caractérisée en ce qu'elle comprend : une section de pied (2) ; une section de profil (10) contigüe à la section de pied, la section de profil étant conformée de façon à optimiser les performances aérodynamiques tout en produisant une distribution d'écoulement optimisée et des contraintes centrifuges et de courbure minimales ; une section de pointe (4) continue avec la section de profil et ayant une certaine largeur de pointe; et un capot (5) formé sous la forme d'une partie de la section de pointe, le capot définissant un joint d'étanchéité radial qui minimise les pertes de pointe, le capot étant plus large que la largeur de pointe, de telle sorte qu'à une certaine vitesse, le capot vienne en prise avec un capot adjacent d'une pale adjacente, et en ce qu'une surface d'anneau de sortie de la pale est de 0,461 m2, une plage de vitesse de fonctionnement de la pale est comprise entre 5625 et 11.250 rotations par minute, et un débit d'écoulement massique maximal de la pale est de 30,9 kg/s.