Brevet FR2934312A1 — publié le 20100129

B09-2444FR Société dite : GENERAL ELECTRIC COMPANY Système et procédé pour fournir de la vapeur de refroidissement surcritique dans l'espace de passage de roue d'une turbine Invention de : PARRY William T. TOMASO Christopher M. Priorité d'une demande de brevet déposée aux Etats-Unis d'Amérique le 24 juillet 2008 sous le n° 12/178.788 Système et procédé pour fournir de la vapeur de refroidissement surcritique dans l'espace de passage de roue d'une turbine L'invention concerne l'utilisation de vapeur de refroidissement fournie par une chaudière pour limiter les contraintes sur le métal dans une turbine d'une turbomachine. WO 01/86121 Al décrit un procédé de refroidissement d'un arbre dans une partie d'expansion à haute pression d'une turbine à vapeur. Un générateur de vapeur est prévu pour fournir de la vapeur vive à une température et à une pression respectivement supérieure et inférieure à celles de la vapeur de refroidissement qui est extraite du générateur de vapeur pour refroidir l'arbre. Une partie d'expansion à haute pression est prévue avec une alimentation pour la vapeur de refroidissement. La publication de la demande de brevet japonais 9-250306 décrit que la vapeur produite par un étage intermédiaire d'une chaudière est mélangée avec la vapeur de fuite de sortie d'un injecteur de l'étage initial à haute pression pour empêcher la diminution de la force matérielle d'une partie de talon d'aube de l'étage initial à pression intermédiaire. Dans un mode de réalisation de l'invention, un système de refroidissement d'une section à haute pression d'une turbomachine comprend une conduite configurée pour transporter la vapeur de refroidissement d'une chaudière vers un espace situé en amont d'un injecteur de premier étage de la turbomachine. La conduite s'étend à travers le carter de la turbomachine et un diaphragme d'injecteur de l'injecteur du premier étage. Le système comprend en outre une vanne de commande dans la conduite, configurée pour réguler l'écoulement de vapeur de refroidissement. Dans un autre mode de réalisation de l'invention, une turbomachine comprend un carter ; un arbre de turbine supporté en rotation dans le carter ; et une pluralité d'étages de turbine disposés le long de l'arbre de turbine et contenus à l'intérieur du carter. Chaque étage de turbine comprend un diaphragme fixé au carter. Le diaphragme comprend une pluralité d'injecteurs. Un trou est prévu dans le diaphragme en amont d'un premier étage de la pluralité d'étages pour l'introduction de la vapeur de refroidissement. Dans un autre mode de réalisation de l'invention, un procédé de refroidissement d'une section à haute pression d'une turbomachine est fourni. La turbomachine comprend un carter, un arbre de turbine supporté en rotation dans le carter et une pluralité d'étages de turbine situés le long de l'arbre de turbine et contenus à l'intérieur du carter. Chaque étage de turbine comprend un diaphragme fixé au carter. Le diaphragme comprend une pluralité d'injecteurs et au moins un trou prévu dans le diaphragme en amont d'un premier étage de la pluralité d'étages. Le procédé comprend l'introduction de vapeur de refroidissement dans la turbomachine à travers le trou. La figure 1 représente schématiquement un mode de réalisation d'un système de refroidissement à haute pression ; - la figure 2 représente schématiquement un espace de roue en amont du premier étage d'une turbine alimentée par de la vapeur dans un mode de réalisation de l'invention ; et - la figure 3 représente schématiquement le parcours de l'écoulement de refroidissement à travers les étages d'une turbine dans un mode de réalisation de l'invention. En se référant à la figure 1, une chaudière est configurée de manière à fournir de la vapeur à une turbine 24 d'une turbomachine. La chaudière 2 comporte une pluralité de surchauffeurs et de réchauffeurs. Comme représenté sur la figure 1, une conduite ou tuyau 8 est prévue au niveau du surchauffeur final 4 de la chaudière 2 pour fournir de la vapeur de refroidissement à la turbine 24. Le tuyau 8 comporte une vanne de commande 6 permettant de régler l'écoulement de vapeur de refroidissement en fonction des exigences de charge de la turbine 24. L'écoulement de la vapeur de refroidissement chemine le long du tuyau 8 et il est délivré à la turbine 24 à travers le carter externe ou coque 20 de la turbine 24. Le tuyau 8 est dérivé en une première branche 8a et une deuxième branche 8b. En se référant à la figure 2, la vapeur de refroidissement est introduite dans l'espace de roues amont du premier étage à travers la coque externe 20 de la turbine 24 le long des première et deuxième branches 8a et 8b. Bien que seule la deuxième branche 8b soit représentée sur la figure 2, on comprendra que la première branche 8a est prévue dans la moitié inférieure de la coque externe 20 de la turbine 24. En se référant à la figure 2, la turbine 24 comporte une pluralité d'injecteurs de direction de vapeur. Comme représenté sur la figure 2, l'injecteur du premier étage 30 est disposé juste en aval de la deuxième branche 8b du tuyau de vapeur de refroidissement 8. L'injecteur de direction de vapeur 30 comporte un diaphragme d'injecteur 26 incluant une partie annulaire externe de diaphragme d'injecteur 28 et une partie annulaire interne de diaphragme d'injecteur 22. Le diaphragme d'injecteur 26 est fixé au carter ou coque 20 et il entoure les aubes ou ailettes de turbine 14 et l'injecteur 30. Les ailettes de turbine 14 sont supportées sur des roues 12 du rotor 10 de la turbine 24. La partie annulaire interne de diaphragme d'injecteur 22 supporte des joints 16 prévus entre la partie annulaire interne de diaphragme d'injecteur 22 et la surface externe du rotor 10. La partie annulaire externe de diaphragme d'injecteur 28 supporte des bagues d'étanchéité de bande de déversement 18 entourant les ailettes de turbine 14. On comprendra que les ailettes de turbine 14 peuvent être munies d'un recouvrement sur la surface radiale externe des ailettes de turbine 14. Comme représenté sur la figure 2, la vapeur de refroidissement est fournie depuis la conduite ou tuyau 8 dans la deuxième branche 8b à travers le carter ou coque 20 d'une turbine 24 vers l'espace de roue amont du premier étage. La vapeur de refroidissement est fournie en amont de l'injecteur du premier étage 30 à la fois dans les moitiés supérieure et inférieure de la coque 20 en perçant par exemple un trou dans la coque 20 et le diaphragme d'injecteur 26 et en utilisant un agencement d'ajustement en stellite. En se référant à la figure 3, l'écoulement de vapeur de refroidissement entre dans la partie à haute pression (HP) de la coque 20 d'une turbine 24 à travers les deux branches 8a et 8b et il est ensuite dirigé dans l'espace de passage de roue en amont du premier étage de façon à noyer de vapeur de refroidissement l'espace de passage de roue en amont du premier étage. L'écoulement de refroidissement chemine ensuite à travers les trous d'équilibrage de vapeur des espaces de roue en aval puis à travers les bagues d'étanchéité 16 dans l'espace de roue en amont du deuxième étage. Les bagues d'étanchéité de bande de déversement 18 sont utilisées pour isoler le circuit de refroidissement de l'écoulement de vapeur principal. Ceci constitue un agencement de refroidissement en serpentin comme représenté sur la figure 3. En utilisant le premier étage � full arc � à forte réaction dans la turbine d'expansion à haute pression 24, la vapeur de refroidissement limite les contraintes sur le métal dans la turbine 24 car la vapeur de refroidissement est fournie dans la zone à haute pression de la turbine 24, l'écoulement de refroidissement est fourni depuis la chaudière 2 à mesure que la pression doit être supérieure à la pression d'étranglement de la turbine 24. La vanne de commande 6 est utilisée pour réguler l'écoulement de refroidissement en permettant de régler l'écoulement de refroidissement avec les exigences de charge de la turbine 24. Ceci permet d'utiliser un premier étage à faible réaction à haut rendement sans compromettre les performances de la turbine 24. La configuration représentée sur les figures 1 à 3 permet ainsi à la turbine 24 de fonctionner sur une gamme de charges et l'utilisation de l'écoulement de refroidissement de vapeur externe provenant de la chaudière 2 autorise un rendement maximum sur la gamme de la turbine 24 . REVENDICATIONS1. Système de refroidissement d'une section à haute pression d'une turbomachine, le système comprenant : une conduite (8) configurée pour transporter la vapeur de refroidissement d'une chaudière (2) vers un espace situé en amont d'un injecteur de premier étage (30) de la turbomachine, dans lequel la conduite s'étend à travers un carter (20) de la turbomachine et un diaphragme d'injecteur (26) de l'injecteur du premier étage ; et une vanne de commande (6) dans la conduite, configurée pour réguler l'écoulement de vapeur de refroidissement. 2. Système selon la revendication 1, dans lequel la conduite comprend une première branche (8a) et une deuxième branche (8b) et chacune des première et deuxième branches s'étend à travers le carter et le diaphragme d'injecteur et la première branche et la deuxième branche s'étendent à travers le carter et le diaphragme d'injecteur à des emplacements opposés. 3. Système selon la revendication 2, dans lequel la vanne de commande est située en amont des première et deuxième branches. 4. Système selon la revendication 1, comprenant en outre des bagues d'étanchéité de bande (18) prévues sur une partie annulaire externe (28) du diaphragme d'injecteur, configurées pour isoler l'écoulement de vapeur de refroidissement de l'écoulement de vapeur principal de la turbomachine. 5. Système selon la revendication 1, dans lequel la vanne de commande est configurée pour réguler l'écoulement de vapeur de refroidissement en fonction de la charge de la turbomachine. 6. Turbomachine comprenant : un carter (20) ; un arbre de turbine (10) supporté en rotation dans le carter ; et une pluralité d'étages de turbine disposés le long de l'arbre de turbine et contenus à l'intérieur du carter, chaque étage de turbine comprenantun diaphragme (26) fixé au carter, le diaphragme comprenant une pluralité d'injecteurs (30), dans laquelle au moins un trou est prévu dans le diaphragme en amont d'un premier étage de la pluralité d'étages pour l'introduction de vapeur de refroidissement. 7. Turbomachine selon la revendication 6, dans laquelle le trou comprend deux trous disposés à des emplacements opposés sur le diaphragme et comprenant en outre deux conduites traversant les deux trous. 8. Procédé de refroidissement d'une section à haute pression d'une turbomachine, la turbomachine comprenant un carter (20), un arbre de turbine (10) supporté en rotation dans le carter et une pluralité d'étages de turbine situés le long de l'arbre de turbine et contenus à l'intérieur du carter, chaque étage de turbine comprenant un diaphragme (26) fixé au carter, le diaphragme comprenant une pluralité d'injecteurs (30) et au moins un trou prévu dans le diaphragme en amont d'un premier étage de la pluralité d'étages, le procédé comprenant : l'introduction de vapeur de refroidissement dans la turbomachine à travers le trou. 9. Procédé selon la revendication 8, comprenant en outre : la régulation de l'introduction de la vapeur de refroidissement en fonction d'une charge sur la turbomachine, dans lequel la pression de la vapeur de refroidissement est supérieure à la pression d'un écoulement de vapeur principal de la turbomachine à travers les injecteurs. 10. Procédé selon la revendication 8, comprenant en outre l'isolation de la vapeur de refroidissement par rapport à un écoulement de vapeur principal à travers la turbomachine.