Brevet FR2976969A1 — publié le 20121228

Systèmes et procédés pour refroidir des sections haute pression et moyenne pression d'une turbine à vapeur La présente invention concerne de façon générale des turbomachines telles que des turbines à vapeur ou analogues et, plus particulièrement, des systèmes et des procédés pour refroidir les étages initiaux de sections haute pression et moyenne pression d'une turbine à vapeur et un rotor s'étendant entre ceux-ci, tout en y limitant les flux de fuite. Les turbines à vapeur extraient un travail d'un flux de vapeur pour produire de l'électricité. Une turbine à vapeur classique peut comporter un rotor associé à un certain nombre de roues. Les roues peuvent être espacées les unes des autres le long du rotor et définir une série d'étages de turbine. Les étages d'une turbine sont conçus pour extraire d'une manière efficace un travail utile de la vapeur circulant dans une veine d'écoulement depuis une entrée jusqu'à une sortie de la turbine. Lorsque la vapeur circule le long de la veine d'écoulement, la vapeur amène les roues à entraîner le rotor. La vapeur peut se détendre progressivement et la température et la pression de la vapeur peuvent diminuer progressivement. La vapeur peut ensuite être rejetée à la sortie de la turbine pour être recyclée ou pour autre chose. Des turbines à vapeur à température plus haute peuvent avoir un plus grand rendement, car la température plus élevée de la vapeur accroît l'énergie globale disponible pour l'extraction. Généralement, une turbine à vapeur classique peut comporter une section haute pression, une section moyenne pression et une section basse pression. Les sections peuvent être disposées en série, chaque section comprenant n'importe quel nombre d'étages. A l'intérieur des sections, un travail est extrait de la vapeur pour entraîner le rotor. Entre les sections, la vapeur peut être réchauffée pour réaliser un travail dans la section suivante. Les sections haute pression et moyenne pression peuvent fonctionner à des températures relativement hautes de manière à accroître le rendement global de la turbine à vapeur. Bien que la majeure partie du flux de vapeur réalise un travail dans la turbine à vapeur en circulant dans les étages comme décrit ci-dessus, une partie du flux de vapeur risque d'être perdue en raison de fuites. La vapeur du flux de fuite ne fait pas tourner le rotor ou ne réalise aucun travail utile. Ainsi, les fuites de vapeur représentent une perte de couple de rotor et de rendement et efficacité globaux de la turbine à vapeur. On peut utiliser des éléments d'étanchéité dans la turbine à vapeur pour réduire le flux de fuite. Ainsi, le couple global du rotor peut être accru grâce à une réduction quantitative du flux de fuite. Une tête de garniture d'extrémité constitue un exemple d'élément d'étanchéité. La tête de garniture d'extrémité peut être placée près d'extrémités d'une section sous pression de la turbine à vapeur. Par exemple, une tête de garniture d'extrémité peut être disposée par- dessus une partie de rotor, en amont d'une ailette de premier étage. La tête de garniture d'extrémité peut être conçue pour réduire une quantité de vapeur s'écoulant entre la tête de garniture d'extrémité et le rotor en s'éloignant de l'ailette de premier étage. Cependant, une quantité mesurable de fuite de vapeur peut encore passer entre le rotor et la tête de garniture d'extrémité. I1 est donc souhaitable de disposer de systèmes et de procédés perfectionnés pour refroidir les espaces dans les roues de sections à haute température et réduire les fuites de vapeur, en particulier dans le cas de fuites de vapeur qui n'a pas réalisé de travail utile. De tels systèmes et procédés perfectionnés doivent améliorer l'efficacité et le rendement de l'ensemble du système. Ainsi, la présente invention propose un système de refroidissement de sections pour turbine à vapeur, servant à limiter le flux de fuite dans celle-ci. Le système de refroidissement de sections peut comporter une extraction d'un premier flux sous pression depuis une première section jusqu'à l'emplacement d'une garniture d'arbre entre la première section et une deuxième section et une ouverture de rotor s'étendant vers la première section. L'extraction du premier flux sous pression détourne le flux de fuite depuis la première section jusqu'à l'ouverture du rotor afin de limiter le flux de fuite vers la deuxième section. La présente invention propose en outre un procédé pour limiter un flux de fuite entre une section haute pression et une section moyenne pression d'une turbine à vapeur. Le procédé peut comporter les étapes d'orientation d'extraction de vapeur à haute pression depuis la section haute pression jusqu'à l'emplacement d'une garniture d'arbre, la division de l'extraction de la vapeur à haute pression en un flux à haute pression dirigé vers la section haute pression et un flux à moyenne pression dirigé vers la section moyenne pression, le détournement du flux de vapeur vers la section haute pression avec le flux à haute pression, et le refroidissement de la section moyenne pression avec le flux à moyenne pression s'écoulant dans celle-ci. La présente invention propose en outre un système de refroidissement de sections pour turbine à vapeur, servant à limiter un flux de fuite dans celle-ci. Le système de refroidissement de sections peut comprendre une extraction de flux à haute pression depuis une section haute pression jusqu'à l'emplacement d'une garniture d'arbre entre la section haute pression et une section moyenne pression et une ouverture de rotor s'étendant à travers un rotor vers la section haute pression. L'extraction de flux à haute pression détourne le flux de fuite depuis la section haute pression jusqu'à l'ouverture du rotor de manière à limiter le flux de fuite jusque dans la section moyenne pression. L'invention sera mieux comprise à l'étude détaillée de quelques modes de réalisation pris à titre d'exemples non limitatifs et illustrés par les dessins annexés sur lesquels : - la figure 1 représente une vue schématique d'une turbine à vapeur. - la figure 2 est une vue schématique de l'emplacement d'une garniture d'arbre entre une section haute pression et une section moyenne pression d'une turbine à vapeur ; - la figure 3 est une vue schématique d'un système de refroidissement selon la présente invention, destiné à servir avec un emplacement de garniture d'arbre entre une section haute pression et une section basse pression d'une turbine à vapeur ; et - la figure 4 est une vue schématique d'une autre forme de réalisation possible d'un système de refroidissement selon la présente invention, destiné à servir avec un emplacement de garniture d'arbre entre une section haute pression et une section basse pression d'une turbine à vapeur. Considérant maintenant les dessins, sur lesquels les mêmes repères désignent sur toutes les différentes vues des éléments identiques, la figure 1 représente une turbine à vapeur 10 selon la présente invention. Dans ses grandes lignes, la turbine à vapeur 10 comporte une section haute pression (HP) 15, une section moyenne pression (MP) 20 et une section basse pression (BP) 25. Les sections 15, 20, 25 peuvent être placées sur un rotor 30 pour tourner avec celui-ci. La section 15, 20, 25 peut entraîner le rotor 30 et une charge 35 telle qu'un alternateur ou autre. Un flux de vapeur 40 peut entrer dans la section HP 15 depuis une chaudière, un générateur de vapeur ou analogue. Le flux de vapeur 40 peut traverser la section HP 15 en y produisant un travail utile, puis sortir vers un réchauffeur ou analogue. Le flux de vapeur 40 peut ensuite être introduit dans la section MP 20 pour y produire un travail utile. Le processus peut alors se répéter pour la section BP 25. D'autres organes et d'autres configurations peuvent être utilisés dans la présente invention. La figure 2 représente une vue schématique d'un emplacement 45 d'une garniture d'arbre. Dans cet exemple, un emplacement N2 de garniture d'arbre est représenté. Cet emplacement N2 de garniture d'arbre s'étend entre la section HP 15 et la section MP 20 le long du rotor 30. Une tête 50 de garniture d'extrémité s'étend le long du rotor 30 sur lequel se trouvent un certain nombre d'éléments d'étanchéité 55. Les éléments d'étanchéité 55 peuvent comprendre un certain nombre de types de construction d'étanchéité pour réduire un flux de fuite 60 le long du rotor 30. Une ailette 65 de premier étage, un diaphragme 70, une cloison 72 et des parties d'une cuvette à haute pression 74 de la section HP 15 sont représentés. Au voisinage immédiat de l'ailette 65 de premier étage se trouve un espace 76 pour roue. De même, une ailette 80 de premier étage, un diaphragme 82, une cloison 84 et des parties d'une cuvette à moyenne pression 86 de la section MP 20 sont représentés. D'autres pièces et d'autres configurations peuvent être utilisées dans la présente invention. Au voisinage immédiat de l'ailette 80 de premier étage se trouve un espace 88 pour roue. En service, le flux de vapeur 40 entre dans la section HP 15 autour de la cuvette à haute pression 74. Une partie d'un flux de vapeur 40 s'échappe en tant que flux de fuite 60 de la cuvette à haute pression 74, ainsi que depuis l'amont et l'aval de l'ailette 65 de premier étage près du diaphragme 70, et s'étend le long du rotor 30 vers 1 a section moyenne pression 20. Ce flux de fuite 60 peut donc servir à refroidir l'espace 88 pour roue autour de l'ailette 80 de premier étage de la section MP 20. Ce flux de fuite 60 peut être aidé par une extraction de flux à haute pression 90 de la section HP 15. Cette extraction de flux à haute pression 90 peut se faire depuis le sixième étage ou un autre endroit de la section HP 15. Ce flux à haute pression extrait 90 se mélange au flux de fuite 60 et refroidit le flux de fuite 60 venant du diaphragme 70 de la section haute pression avant d'entrer dans l'ailette 80 de premier étage de la section MP 20. D'autres pièces et configurations peuvent être utilisées dans la présente invention. Comme décrit ci-dessus, le flux de fuite 60 peut avoir une forte enthalpie, étant donné que le flux de fuite 60 n'a réalisé aucun travail utile avec les sections de la turbine. Ainsi, le flux de fuite 60 réduit les performances et le rendement globaux de la turbine à vapeur. Par ailleurs, le flux de fuite 60 nécessite un refroidissement supplémentaire par l'extraction 90 de flux à haute pression, ce qui induit de nouvelles pertes de performances, avant de servir à refroidir les ailettes 80 des étages initiaux de la section MP 20. La figure 3 représente une partie d'une turbine à vapeur 100 selon la présente invention. Des parties d'une section haute pression 110 sont représentées avec, dans celle-ci, un certain nombre d'étages à haute pression 120. Chaque étage à haute pression 120 comprend un certain nombre d'ailettes à haute pression 130 placées sur un rotor 140 pour tourner avec celui-ci et un distributeur fixe 150. Dans le présent exemple, cinq (5) étages à haute pression 120 sont représentés : un premier étage 121, un deuxième étage 122, un troisième étage 123, un quatrième étage 124 et un cinquième étage 125. Cependant, n'importe quel nombre d'étages à haute pression 120 peuvent être utilisés dans la présente invention. Le flux de vapeur 40 entre dans la section HP 110 par une cuvette à haute pression 160 autour d'une cloison 165 et de l'ailette 130 du premier étage à haute pression 121. La turbine à vapeur 100 comporte en outre une section MP 170. La section MP 170 comprend aussi un certain nombre d'étages à moyenne pression 180, une ailette de premier étage et une roue 190 étant représentées. N'importe quel nombre d'étages à moyenne pression 180 peuvent être utilisés dans la présente invention. Le flux de vapeur 40 peut entrer dans la section MP 170 par une cuvette à moyenne pression 200 autour de la roue 190 à ailettes du premier étage à moyenne pression 180 à travers une cloison 195 du premier étage. La turbine à vapeur 100 comporte également un emplacement 210 de garniture d'arbre s'étendant entre la section HP 110 et la section MP 170. Dans le présent exemple est représenté l'emplacement N2 de garniture d'arbre. D'autres emplacements 210 de garniture d'arbre peuvent être utilisés dans la présente invention. Une tête 220 de garniture d'extrémité peut être placée autour du rotor 140. La tête 220 de garniture d'extrémité comprend un certain nombre d'éléments d'étanchéité 230 sur celle-ci. N'importe quel nombre et type d'éléments d'étanchéité 230 peuvent être utilisés dans la présente invention. La longueur et la configuration de la tête 220 de garniture d'extrémité peuvent varier dans la présente invention. La turbine à vapeur 100 peut également comporter un système de refroidissement 240 de sections. Le système de refroidissement 240 de sections peut comprendre une extraction de flux à haute pression 250. L'extraction de flux à haute pression 250 peut se faire autour du deuxième étage 122 ou de n'importe quel autre étage de la section HP 110 en fonction de la température et de la pression. L'extraction de flux à haute pression 250 peut se diviser en un flux à haute pression 260 et un flux à moyenne pression 270. Le flux à haute pression 260 peut empêcher le flux de fuite 60 d'atteindre la section MP 170 en arrivant du premier étage 121 de la section HP. En revanche, le flux de fuite 60, ainsi que le flux à haute pression 260, peuvent être détournés vers l'aval jusque dans la section HP 110 via une ouverture 280 du rotor. L'ouverture 280 du rotor peut s'étendre à travers le rotor 140 ou autrement jusqu'à n'importe quel étage 120 de la section HP 110. L'ouverture 280 du rotor peut communiquer, par exemple, avec le quatrième étage 124 ou n'importe quel autre étage 120 de la section HP 110 en fonction de la température et de la pression. Par ailleurs, une partie du flux à moyenne pression 270 peut être détournée par une extraction de flux à moyenne pression 290. Le flux à moyenne pression extrait 290 peut être renvoyé dans le cinquième étage 125 ou dans n'importe quel autre étage 120 dans la section HP 110. Le reste du flux à moyenne pression 270 peut servir à refroidir les étages à MP 180, comme décrit plus haut. D'autres configurations et d'autres pièces peuvent être utilisées dans la présente invention. Déverser le flux à travers l'ouverture 280 du rotor et le moyen d'extraction 290 de flux à moyenne pression améliorera l'efficacité et le rendement globaux du système. L'extraction de fluide à moyenne pression 290 peut également être orientée vers la cuvette à moyenne pression 200 ou vers n'importe quel étage à moyenne pression 180 de la section MP 170. Le système de refroidissement 240 de sections selon la présente invention utilise ainsi de la vapeur plus froide issue du deuxième étage 122 ou de n'importe quel étage 120 de la section HP 110 en fonction de la pression et de la température comme extraction à haute pression 250 jusqu'à l'emplacement N2 de garniture d'arbre. L'utilisation de l'extraction 250 de flux HP ainsi que de l'ouverture 280 de rotor empêche en grande partie ou totalement le flux de fuite 60 d'atteindre la section MP 170. On s'attend donc à un obtenir un avantage pour les performances, étant donné que le flux de fuite 60 est repoussé dans la section HP 110 de manière à produire un travail utile au lieu de ne servir qu'au refroidissement. La quantité de vapeur s'échappant vers la section MP 170 peut également être réduite en raison de la température de la vapeur dans le moyen d'extraction 250 de flux à haute pression, à la différence du flux de vapeur 40 entrant dans la cuvette à moyenne pression 200. Ainsi, un plus grand rendement peut être obtenu selon la présente invention sans nuire à l'efficacité du refroidissement ni aux performances des étages MP 180 en utilisant des matières de rotor de qualité inférieure dans les sections à haute température. Une matière de rotor moins coûteuse peut également contribuer à abaisser le coût global du système. De plus, des températures de vapeur plus élevées peuvent être utilisées autour de la cuvette à haute pression 160 et de la section HP 110 pour encore renforcer et améliorer les performances. Une diminution de l'envergure globale du rotor 140 est éventuellement possible aussi. Les coûts globaux seront là encore réduits. La figure 4 représente une autre forme de réalisation possible d'un système de refroidissement 300 de sections selon la présente invention. Au lieu d'utiliser l'ouverture 280 de rotor à travers le rotor 140, le système de refroidissement 300 de sections peut comporter un moyen d'extraction 310 de flux de fuite placé autour de la tête 220 de garniture d'extrémité et sur le passage du flux à haute pression 260 issu du moyen d'extraction 250 de flux à haute pression. Ainsi, l'ouverture 280 de rotor selon la présente invention peut se présenter sous la forme d'un conduit 320, bien qu'il ne fasse pas partie du rotor. Le conduit 320 peut avoir n'importe quelles dimensions ou n'importe quelle forme. Le flux à haute pression 260 pousse le flux de fuite 60 dans le conduit 320 en tant qu'extraction 310 de flux de fuite. Le flux de fuite extrait 310 et le conduit 320 peuvent communiquer avec l'un quelconque des étages 120 de la section HP 110. Ainsi, le système de refroidissement 300 de sections peut aussi améliorer les performances et le rendement globaux d'une turbine à vapeur en limitant le flux de fuite 60 entrant dans la section MP 170 en réalisant le refroidissement requis des étages de la section MP 170. D'autres configurations et d'autres pièces peuvent être utilisées dans la présente invention. Liste des repères 10 Turbine à vapeur 15 Section HP 20 Section MP 25 Section BP 30 Rotor 35 Charge 40 Flux de vapeur 45 Emplacement de garniture d'arbre 50 Tête de garniture d'extrémité 55 Eléments d'étanchéité 60 Flux de fuite 65 Ailette de premier étage 70 Diaphragme 72 Cloison 74 Cuvette à haute pression 76 Espace pour roue 80 Ailette de premier étage 82 Diaphragme 84 Cloison 86 Cuvette à moyenne pression 88 Espace pour roue 90 Extraction de flux à haute pression 100 Turbine à vapeur 110 Section HP 120 Etages 121 Premier étage 122 Deuxième étage 123 Troisième étage 124 Quatrième étage 125 Cinquième étage 130 Ailettes 140 Rotor 150 Distributeur 160 Cuvette à haute pression 165 Cloison 170 Section MP 180 Etages 190 Ailette 195 Cloison 200 Cuvette à moyenne pression 210 Emplacements de garniture d'arbre 220 Tête de garniture d'extrémité 230 Eléments d'étanchéité 240 Système de refroidissement de sections 250 Extraction de flux à haute pression 260 Flux à haute pression 270 Flux à moyenne pression 280 Ouverture du rotor 290 Extraction de flux à moyenne pression 300 Système de refroidissement de sections 310 Extraction de flux de fuite 320 Conduit REVENDICATIONS1. Système de refroidissement (240) de sections pour turbine à vapeur (100) servant à y limiter un flux de fuite (60), comportant : une extraction (250) de premier flux sous pression depuis une première section (110) jusqu'à un emplacement (210) de garniture d'arbre entre la première section et une deuxième section (170) ; et une ouverture (280) de rotor s'étendant vers la première section (110) ; l'extraction (250) de premier flux sous pression détournant le flux de fuite (60) depuis la première section (110) jusque dans l'ouverture (280) de rotor afin de limiter le flux de fuite (60) vers la deuxième section (170). 2. Système de refroidissement (240) de sections selon la revendication 1, dans lequel la première section (110) comprend une section haute pression (110) et l'extraction (250) de premier flux sous pression comprend une extraction (250) de flux à haute pression. 3. Système de refroidissement (240) de sections selon la revendication 1, dans lequel la deuxième section (170) comprend une section moyenne pression (170). 4. Système de refroidissement (240) de sections selon la revendication 1, dans lequel l'extraction (250) de premier flux sous pression comprend un flux à haute pression (260) dirigé vers la première section (110) et un flux à moyenne pression (270) se dirigeant vers la deuxième section (170). 5. Système de refroidissement (240) de sections selon la revendication 4, comportant en outre une extraction (290) du flux à moyenne pression (270) vers la première section (110). 6. Système de refroidissement (240) de sections selon la revendication 4, dans lequel la deuxième section (170) comprend une pluralité d'étages (180) et une pluralité d'ailettes (190) communiquant avec le flux à moyenne pression (270). 7. Système de refroidissement (240) de sections selon la revendication 4, dans lequel le flux à haute pression (260) détourne le flux de fuite (60) jusque dans l'ouverture (280) du rotor. 8. Système de refroidissement (240) de sections selon la revendication 1, dans lequel l'ouverture (280) du rotor s'étend à travers le rotor (140). 9. Système de refroidissement (240) de sections selon la revendication 8, dans lequel l'ouverture (280) du rotor s'étend à travers le rotor (140) jusqu'autour d'un étage (120) de la première section (110). 10. Système de refroidissement (240) de sections selon la revendication 1, dans lequel l'ouverture (280) du rotor s'étend à travers un conduit (320). 11. Système de refroidissement (240) de sections selon la revendication 10, dans lequel le conduit (320) s'étend jusqu'à un étage (120) de la première section (110). 12. Système de refroidissement (240) de sections selon la revendication 1, dans lequel l'emplacement (210) de garniture d'arbre comprend une tête (220) de garniture d'extrémité. 13. Système de refroidissement (240) de sections selon la revendication 12, dans lequel la tête (220) de garniture d'extrémité comprend une pluralité d'éléments d'étanchéité (230). 14. Système de refroidissement (240) de sections selon la revendication 1, dans lequel l'extraction (250) de premier flux sous pression s'étend depuis un étage (120) de la première section (110).5