Brevet FR2935736A1 — publié le 20100312

B09-3179FR Société dite : GENERAL ELECTRIC COMPANY Aube rotative de turbine à vapeur et section basse pression d'un moteur à turbine à vapeur Invention de : RIAZ Muhammad Saqib ZHANG Qingxuan Michael Priorité d'une demande de brevet déposée aux Etats-Unis d'Amérique le 8 septembre 2008 sous le n° 12/205.941 Aube rotative de turbine à vapeur et section basse pression d'un moteur à turbine à vapeur La présente invention est relative à une aube rotative pour turbine à vapeur et, plus particulièrement, à une aube rotative à géométrie permettant des vitesses de fonctionnement accrues pour une utilisation dans un étage ultérieur d'une section basse pression de turbine à vapeur. Le chemin d'écoulement de vapeur d'une turbine à vapeur est globalement constitué par un carter fixe et un rotor. Dans cette configuration, un certain nombre d'aubes fixes sont assujetties au carter en un ensemble périphérique et s'étendent vers l'intérieur jusque dans le chemin d'écoulement de vapeur. De même, un certain nombre d'aubes rotatives sont assujetties au rotor en un ensemble périphérique et s'étendent vers l'extérieur jusque dans le chemin d'écoulement de vapeur. Les aubes fixes et les aubes rotatives sont disposées en rangées alternées de façon qu'une rangée d'aubes fixes et la rangée d'aubes rotatives immédiatement en aval forment un étage. Les aubes fixes servent à diriger le flux de vapeur de façon qu'il entre suivant le bon angle dans la rangée aval d'aubes rotatives. Les pales profilées des aubes rotatives 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. Pendant la circulation de la vapeur dans la turbine à vapeur, sa pression chute lors de son passage dans chaque étage successif jusqu'à l'obtention de la pression de refoulement souhaitée. Ainsi, des propriétés de la vapeur telles que la température, la pression, la vitesse et le degré d'humidité varient d'une rangée à une autre à mesure que la vapeur se détend dans le chemin d'écoulement. Par conséquent, chaque rangée d'aubes rotatives emploie des aubes à forme profilée optimisée pour les états de la vapeur associés à cette rangée. Outre les états de la vapeur, les aubes rotatives sont également conçues pour tenir compte de charges centrifuges subies pendant le fonctionnement. En particulier, de grands efforts centrifuges s'exercent sur les aubes rotatives du fait de la grande vitesse de rotation du rotor qui soumet à son tour les aubes rotatives à des contraintes. Réduire la concentration de contraintes sur les aubes rotatives représente une difficulté de conception, en particulier dans les rangées ultérieures d'aubes rotatives d'une section basse pression de turbine à vapeur où les aubes rotatives sont plus grandes et pèsent plus lourd du fait de leurs grandes dimensions et sont soumises à une corrosion sous contraintes en raison de l'humidité dans le flux de vapeur. Cette difficulté, associée à la conception d'aubes rotatives pour la section basse pression de la turbine, est exacerbée par le fait que la forme des pales profilées des aubes rotatives détermine globalement les forces imposées aux aubes rotatives, la résistance mécanique des aubes rotatives, les fréquences de résonance des aubes rotatives et les performances thermodynamiques des aubes rotatives. Ces considérations imposent des obligations quant au choix de la forme des pales profilées des aubes rotatives. Par conséquent, la forme optimale des pales profilées des aubes rotatives pour une rangée donnée est une affaire de compromis entre les propriétés mécaniques et aérodynamiques associées à la forme. Selon un premier aspect de la présente invention, il est proposé une aube rotative de turbine à vapeur. L'aube rotative comprend une partie formant pale profilée. Une section emplanture est fixée à une extrémité de la pale profilée. Une section queue d'aronde fait saillie depuis la section d'emplanture, la section queue d'aronde étant constituée par une queue d'aronde à entrée tangentielle. Une section bout est fixée à la pale profilée en une extrémité opposée à l'emplanture. Une coiffe fait partie intégrante du bout. L'aube rotative a une zone annulaire de sortie d'une superficie d'environ 1,68 m2 (18,1 ft2) ou plus. La queue d'aronde à entrée tangentielle peut avoir une allure de triple crochet avec six surfaces de contact pour s'engager dans une roue de rotor de turbine. La coiffe peut être située suivant un angle composé par rapport au bout. La coiffe comporte une première partie et une seconde partie qui s'étend par-dessus le bout depuis un bord d'attaque de l'aube rotative jusqu'à un point situé à une distance prédéterminée à l'écart d'un bord de fuite de l'aube rotative. La première partie de la coiffe s'étend par-dessus un côté pression de la pale profilée et la seconde partie de la coiffe s'étend par-dessus un côté aspiration de la pale profilée. Selon un autre aspect de la présente invention, il est proposé une section basse pression de turbine à vapeur. Selon cet aspect de la présente invention, une pluralité d'aubes rotatives de turbine à vapeur d'un étage ultérieur sont disposées autour d'une roue de rotor de turbine. Chaque aube de la pluralité d'aubes rotatives de turbine à vapeur d'étage ultérieur comprend une partie formant pale profilée d'une longueur d'environ 30,48 centimètres (12 pouces) ou plus. Une section emplanture est fixée à une extrémité de la pale profilée. Une section queue d'aronde fait saillie depuis la section emplanture, la section queue d'aronde étant constituée par une queue d'aronde à entrée tangentielle. Une section bout est fixée à la pale profilée en une extrémité opposée à l'emplanture. Une coiffe fait partie intégrante du bout. La pluralité d'aubes rotatives de turbine à vapeur de l'étage ultérieur comporte une zone annulaire de sortie d'une superficie d'environ 1,68 m2 (18,1 ft2) ou plus. Les aubes de la pluralité d'aubes rotatives de turbine à vapeur d'étage ultérieur fonctionnent à une vitesse d'environ 1500 tours/minute à environ 3600 tours/minute. Les coiffes de la pluralité d'aubes rotatives de turbine à vapeur d'étage ultérieur peuvent être montées avec une interférence nominale par rapport aux coiffes adjacentes. Les coiffes pour la pluralité d'aubes rotatives de turbine à vapeur d'étage ultérieur peuvent former une structure unique à couplage continu. 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 figure 1 est une vue écorchée partielle en perspective d'une turbine à vapeur ; - la figure 2 est une vue en perspective d'une aube rotative de turbine à vapeur selon une forme de réalisation de la présente invention ; - la figure 3 est une vue agrandie en perspective d'une queue d'aronde à entrée tangentielle de l'aube rotative de turbine à vapeur représentée sur la figure 2 selon une forme de réalisation de la présente invention ; - la figure 4 est une vue plus détaillée d'une section coiffe et bout de l'aube rotative de turbine à vapeur représentée sur la figure 2 selon une forme de réalisation de la présente invention ; et - la figure 5 est une vue en perspective illustrant l'interrelation de coiffes adjacentes et d'aubes rotatives adjacentes de turbine à vapeur selon une forme de réalisation de la présente invention. Au moins une forme de réalisation de la présente invention est décrite ci-après en référence à son application dans le cadre du fonctionnement d'un moteur à turbine à vapeur. En outre, au moins une forme de réalisation de la présente invention est décrite ci-après en référence à un format nominal incluant un ensemble de dimensions nominales. Cependant, il doit apparaître aux spécialistes de la technique, à la lumière des explications fournies ici, que la présente invention peut s'appliquer de la même manière à diverses échelles du format nominal et/ou des dimensions nominales. Considérant les dessins, la figure 1 représente une vue écorchée partielle en perspective d'une turbine 10 à vapeur. La turbine 10 à vapeur comprend un rotor 12 qui comporte un arbre 14 et une pluralité de roues 18 de rotor à espacement axial. Une pluralité d'aubes rotatives 20 sont montées mécaniquement sur chaque roue 18 de rotor. Plus particulièrement, les aubes rotatives 20 sont disposées en rangées qui s'étendent dans la direction circonférentielle autour de chaque roue 18 de rotor. Une pluralité d'aubes fixes 22 s'étendent dans la direction circonférentielle autour de l'arbre 14 et sont placées axialement entre des rangées adjacentes d'aubes rotatives 20. Les aubes fixes 22 coopèrent avec les aubes rotatives 20 pour former un étage de turbine et pour définir une partie d'un chemin d'écoulement de vapeur passant dans la turbine 10. En fonctionnement, de la vapeur 24 entre par une entrée 26 de la turbine 10 et est canalisée via les aubes fixes 22. Les aubes fixes 22 dirigent la vapeur 24 vers l'aval contre les aubes rotatives 20. La vapeur 24 passe par les autres étages en communiquant aux aubes rotatives 20 une force qui fait tourner l'arbre 14. Au moins une extrémité de la turbine 10 peut s'étendre axialement à l'écart du rotor 12 et peut être assujettie à une charge ou une machine (non représentée) telle que, à titre d'exemple nullement limitatif, un générateur et/ou une autre turbine. De la sorte, un grand système de turbine à vapeur peut en réalité comprendre plusieurs turbines toutes montées d'une manière coaxiale sur le même arbre 14. Un tel système peut, par exemple, comprendre une turbine haute pression couplée à une turbine moyenne pression couplée à une turbine basse pression. Dans une forme de réalisation de la présente invention représentée sur la figure 1, la turbine 10 comporte cinq étages désignés par LO, L1, L2, L3 et L4. L'étage L4 est le premier étage et est le plus petit (dans une direction radiale) des cinq étages. L'étage L3 est le deuxième étage et est l'étage suivant dans une direction axiale. L'étage L2 est le troisième étage et est représenté au milieu des cinq étages. L'étage L1 est le quatrième et avant-dernier étage. L'étage LO est le dernier étage et est le plus grand (dans une direction radiale). I1 doit être entendu que cinq étages sont représentés uniquement à titre d'exemple et qu'une turbine basse pression peut avoir plus ou moins de cinq étages. La figure 2 est une vue en perspective d'une aube rotative 20 de turbine à vapeur selon une forme de réalisation de la présente invention. L'aube rotative 20 comporte un côté pression 30 et un côté aspiration 32 reliés l'un à l'autre au niveau d'un bord d'attaque 34 et d'un bord de fuite 36. Une distance de corde d'aube rotative est une distance mesurée, du bord de fuite 36 au bord d'attaque 34, en n'importe quel point sur une longueur radiale 38. Dans un exemple de forme de réalisation, la longueur radiale 38 ou longueur d'aube rotative est d'environ 30,48 centimètres (12 pouces). Bien que, dans l'exemple de forme de réalisation, la longueur d'aube rotative soit d'environ 30,48 centimètres (12 pouces), les spécialistes de la technique comprendront que les explications fournies ici sont applicables à diverses échelles de ce format nominal. Par exemple, un spécialiste de la technique pourrait modifier l'échelle de l'aube rotative 20 par un facteur d'échelle tel que 1,2, 2 et 2,4 afin de produire une longueur d'aube rotative respectivement de 36,58 centimètres (14,40 pouces), 60,96 centimètres (24,0 pouces) et 73,15 centimètres (28,8 pouces). L'aube rotative 20 est formée d'une section queue d'aronde 40, d'une partie formant pale profilée 42 et d'une section emplanture 44 s'étendant entre celles-ci. La pale profilée 42 s'étend radialement vers l'extérieur depuis l'emplanture 44 jusqu'à une section bout 46. Une coiffe 48 fait partie intégrante du bout 46 avec un rayon 50 de congé situé à une transition entre ceux-ci. Comme représenté sur la fig. 2, la coiffe 48 est placée suivant un angle composé par rapport au bout 46. En particulier, la coiffe 48 a une première partie 52 et une seconde partie 54 qui s'étend par-dessus le bout 46 depuis le bord d'attaque 34 jusqu'en un point situé à une distance prédéterminée à l'écart du bord de fuite 36. La première partie de la coiffe 48 s'étend par-dessus le côté pression 30 et la seconde partie 54 de la coiffe 48 s'étend par-dessus le côté aspiration 32. Dans un exemple de forme de réalisation, la section queue d'aronde 40, la partie formant pale profilée 42, la section emplanture 44, la section bout 46 et la coiffe 48 sont toutes fabriquées sous la forme d'une pièce monobloc en acier inoxydable à 12 % de chrome. Dans la présente forme de réalisation, l'aube rotative 20 est montée sur la roue 18 (représentée sur la figure 1) de rotor de turbine à l'aide de la queue d'aronde 40 et s'étend radialement vers l'extérieur depuis la roue 18 de rotor. La figure 3 est une vue agrandie en perspective d'une queue d'aronde à entrée tangentielle de l'aube rotative de turbine à vapeur illustrée sur la figure 2 selon une forme de réalisation de la présente invention. Dans la présente forme de réalisation, la section queue d'aronde 40 comporte une queue d'aronde à entrée tangentielle qui s'engage dans une rainure correspondante définie dans la roue 18 (représentée sur la figure 1) de rotor de turbine. Dans une forme de réalisation, la queue d'aronde à entrée tangentielle a une allure de triple crochet avec six surfaces de contact pour s'engager dans la roue 18 (représentée sur la figure 1) de rotor de turbine. La queue d'aronde à entrée tangentielle est préférable afin d'obtenir une répartition des contraintes moyennes et locales, une protection pendant les périodes de surrégime et des marges de fatigue oligocyclique (FOC) adéquates ainsi que pour recevoir la section emplanture 44 de la pale profilée. La figure 3 montre aussi que la section queue d'aronde 40 comporte un surplomb 41 d'aube fixe qui reçoit la partie formant pale profilée 42 par-dessus une plate-forme 58 de queue d'aronde. Les spécialistes de la technique comprendront que la queue d'aronde à entrée tangentielle peut avoir plus ou moins de trois crochets. En plus de présenter des détails supplémentaires de la section queue d'aronde 40, la figure 3 représente aussi une vue agrandie d'une zone de transition où la queue d'aronde 40 fait saillie depuis l'emplanture 44. En particulier, la figure 3 représente un rayon 56 de congé à l'endroit de la transition entre l'emplanture 44 et une plate-forme 58 de la queue d'aronde 40. La figure 4 représente une vue plus détaillée de la coiffe 48 et du bout 46 de l'aube rotative 20 de turbine à vapeur illustrée sur la figure 2 selon une forme de réalisation de la présente invention. Comme indiqué plus haut, la coiffe 48 est située suivant un angle composé par rapport au bout 46, de telle sorte que la coiffe 48 a une première partie 52 et une seconde partie 54 qui s'étend par-dessus le bout 46 depuis le bord de fuite 54 jusqu'à un point situé à une distance prédéterminé à l'écart du bord de fuite 36. En particulier, la première partie 52 de la coiffe 48 s'étend par-dessus le côté pression 30 et la seconde partie 54 de la coiffe s'étend par-dessus le côté aspiration 32. Comme la coiffe 48 est située suivant un angle composé par rapport au bout 46, la première partie 52 et la seconde partie 54 ont l'apparence d'une surface plane quand on les regarde suivant des angles différents. La figure 5 est une vue en perspective illustrant l'interrelation de coiffes adjacentes 48 d'aubes rotatives adjacentes de turbine à vapeur selon une forme de réalisation de la présente invention. Comme illustré sur la figure 5, il y a une interférence 60 d'environ 0,127 millimètre (0,005 pouce) entre les coiffes adjacentes 48. Globalement, les coiffes 48 sont conçues pour avoir une interférence entre coiffes adjacentes au début de l'assemblage et/ou dans des conditions de vitesse nulle. A la vitesse de fonctionnement, les interférences 60 assurent un couplage suffisant au niveau des coiffes 48 pour obtenir une réponse en fréquence souhaitable. Par ailleurs, comme illustré sur la figure 5, chaque coiffe 48 s'étend par-dessus une partie d'un bout adjacent d'une autre aube rotative après assemblage. En particulier, chaque coiffe s'étendra par-dessus la partie d'un bout adjacent d'une autre aube rotative où sa coiffe ne s'étend pas entièrement par-dessus jusqu'à son bord de fuite. Lorsqu'une roue 18 (représentée sur la figure 1) de rotor de turbine est amenée à tourner, les aubes rotatives 20 commencent à se détordre. En particulier, à mesure que la vitesse de rotation des aubes 20, exprimée en nombre de tours par minute (tr/min), s'approche du niveau de fonctionnement, les aubes rotatives se détordent sous l'effet de la force centrifuge et les coiffes 48 se trouvent alignées les unes avec les autres, si bien qu'il y a une interférence nominale avec les coiffes adjacentes. I1 en résulte que les aubes rotatives forment une structure unique à couplage continu. La coiffe d'accouplement assure une meilleure rigidité des aubes rotatives, un meilleur amortissement des aubes rotatives et une meilleure étanchéité aux emplacements extérieurs radiaux des aubes rotatives 20. Dans un exemple de forme de réalisation, le niveau de fonctionnement pour les aubes rotatives 20 est de 3600 tr/min ; cependant, les spécialistes de la technique comprendront que les explications fournies ici sont applicables à diverses échelles de cette dimension nominale. Par exemple, un spécialiste de la technique pourrait adapter le niveau de fonctionnement à l'aide d'un facteur d'échelle de 1,2, 2 et 2,4 pour réaliser des aubes rotatives fonctionnant respectivement à 3000 tr/min, 1800 tr/min et 1500 tr/min. L'aube rotative selon une forme de réalisation de l'invention est de préférence utilisée dans un étage L2 d'une section basse pression de turbine à vapeur. Cependant, l'aube pourrait également être employée aussi bien dans d'autres étages ou d'autres sections (p.ex. haute ou moyenne pression). Comme indiqué plus haut, l'aube rotative 20 a de préférence une longueur d'environ 30,48 centimètres (12 pouces). Cette longueur d'aube rotative peut donner une zone annulaire de sortie d'étage L2 d'une superficie d'environ 1,68 m2 (18,1 ft2) ou plus. La superficie agrandie et améliorée de la zone annulaire de sortie permet de réduire les pertes d'énergie cinétique que subit la vapeur à sa sortie des aubes rotatives de l'étage L2. Ces pertes réduites assurent un plus grand rendement de la turbine. Comme indiqué plus haut, les spécialistes de la technique comprendront que si la longueur de l'aube rotative est changée pour passer à une autre longueur d'aube, ce changement de dimensions aboutira aussi à un changement de superficie de la zone annulaire de sortie. Par exemple, si on utilisait des facteurs d'échelle tels que 1,2, 2 et 2,4 pour réaliser une longueur d'aube rotative respectivement de 36,58 centimètres (14,40 pouces), 60,96 centimètres (24 pouces) et 73,15 centimètres (28,8 pouces), il en résulterait une superficie respective de 2,42 m2 (26,01 ft2), 6,71 m2 (72,26 ft2) et 9,67 m2 (104,05 ft2) de la zone annulaire de sortie. 5 10 15 20 25 Légendes des repères 10 Turbine à vapeur 12 Rotor 14 Arbre 16 Turbine basse pression 18 Roue de rotor 20 Aube rotative 22 Aubes fixes 24 Vapeur 26 Entrée 30 Côté pression 32 Côté aspiration 34 Bord d'attaque 36 Bord de fuite 38 Longueur radiale 40 Section queue d'aronde 41 Surplomb d'aube fixe 42 Partie formant pale profilée 44 Section emplanture 46 Section bout 48 Coiffe 50 Rayon de congé entre la coiffe et le bout 52 Première partie de coiffe 54 Seconde partie de coiffe 56 Rayon de congé entre l'emplanture et la queue d'aronde 58 Plate-forme 60 Interférence REVENDICATIONS1. Aube rotative (20) de turbine à vapeur, comprenant : une partie formant pale profilée (42) ; une section emplanture (44) fixée à une extrémité de la pale profilée (42) ; une section queue d'aronde (40) faisant saillie depuis la section emplanture (44), la section queue d'aronde (40) étant constituée par une queue d'aronde à entrée tangentielle ; une section bout (46) fixée à la pale profilée (42) en une extrémité opposée à l'emplanture (44) ; une coiffe (48) faisant partie intégrante du bout (46) ; et la pale rotative (20) comportant une zone annulaire de sortie d'une superficie de 1,68 m2 (18,1 ft2) ou plus. 2. Aube rotative (20) de turbine à vapeur selon la revendication 1, dans laquelle la queue d'aronde (40) à entrée tangentielle a une allure de triple crochet avec six surfaces de contact pour s'engager dans une roue (18) de rotor de turbine. 3. Aube rotative (20) de turbine à vapeur selon la revendication 1, dans laquelle la pale profilée (42) a une longueur d'environ 30,48 centimètres (12 pouces) ou plus. 4. Aube rotative (20) de turbine à vapeur selon la revendication 1, dans laquelle la coiffe (48) est située suivant un angle composé par rapport au bout (46). 5. Aube rotative (20) de turbine à vapeur selon la revendication 4, dans laquelle la coiffe (48) comporte une première partie (52) et une seconde partie (54) qui s'étend par-dessus le bout (46) depuis un bord d'attaque (34) de l'aube rotative (20) jusqu'à un point situé à une distance prédéterminée à l'écart d'un bord de fuite (36) de l'aube rotative (20). 6. Aube rotative (20) de turbine à vapeur selon la revendication 5, dans laquelle la première partie (52) de la coiffe (48) s'étend par-dessus un côté pression (30) de la pale profilée (42) et la secondepartie (54) de la coiffe (48) s'étend par-dessus un côté aspiration (32) de la pale profilée (42). 7. Section basse pression de turbine (10) à vapeur, comprenant : une pluralité d'aubes (20) de turbine à vapeur d'étage ultérieur, disposées autour d'une roue (18) de rotor de turbine, chaque aube de la pluralité d'aubes rotatives (20) de turbine à vapeur d'étage ultérieur comportant : une partie formant pale profilée (42), d'une longueur de 30,48 centimètres (12 pouces) ou plus ; une section emplanture (44) fixée à une extrémité de la pale profilée (42) ; une section queue d'aronde (40) faisant saillie depuis la section emplanture (44), la section queue d'aronde (40) étant constituée par une queue d'aronde à entrée tangentielle ; une section bout (46) fixée à la pale profilée (42) en une extrémité opposée à l'emplanture (44) ; une coiffe (48) faisant partie intégrante du bout (46) ; et la pluralité de pales rotatives (20) de turbine à vapeur d'étage ultérieur comportant une zone annulaire de sortie d'une superficie de 1,68 m2 (18,1 ft2) ou plus. 8. Section basse pression de turbine (10) selon la revendication 7, dans laquelle les aubes de la pluralité d'aubes rotatives (20) de turbine à vapeur d'étage ultérieur fonctionnent à une vitesse d'environ 1500 tours/minute à environ 3600 tours/minute. 9. Section basse pression de turbine (10) selon la revendication 7, dans laquelle les coiffes (48) de la pluralité d'aubes rotatives (20) de turbine à vapeur d'étage ultérieur sont montées avec une interférence nominale par rapport aux coiffes adjacentes (48). 10. Section basse pression de turbine (10) selon la revendication 7, dans laquelle les coiffes (48) pour la pluralité d'aubes rotatives (20) de turbine à vapeur d'étage ultérieur forment une structure unique à couplage continu.