Brevet FR2981683A1 — publié le 20130426

Rotor, turbine à vapeur et procédé pour fabriquer un rotor La présente invention concerne de façon générale les turbines à vapeur et, plus particulièrement, une turbine à vapeur ayant un arbre de rotor soudé. Une centrale à turbine à vapeur classique peut être équipée d'une turbine à vapeur haute pression, d'une turbine à vapeur moyenne pression et d'une turbine à vapeur basse pression. Chaque turbine à vapeur est faite de matières appropriées pour résister à un régime, une pression, une température, un débit, etc., pour cette turbine particulière. Récemment ont été conçues des centrales à turbine à vapeur d'un type visant une plus grande capacité et un plus grand rendement, dont des turbines qui fonctionnent à diverses pressions et températures. Les types ont inclus des rotors de turbines à vapeur haute-basse pression intégrées, haute-moyenne-basse pression intégrées, et moyenne-basse pression intégrées, intégrés d'un seul tenant et utilisant la même matière métallique pour chaque turbine à vapeur. Souvent, une pièce d'un seul tenant est plus coûteuse ou n'est pas disponible en temps opportun. Une turbine à vapeur comporte d'ordinaire un rotor et une enveloppe. Le rotor comprend un arbre de turbine monté de manière à pouvoir tourner, qui comprend des aubes. Lorsque de la vapeur chauffée et sous pression passe par l'espace d'écoulement entre l'enveloppe et le rotor, l'arbre de turbine se met à tourner du fait de la transmission d'énergie de la vapeur au rotor. Le rotor, et en particulier l'arbre de rotor, représente souvent la majeure partie du métal de la turbine. Si le rotor est fait d'une seule pièce forgée, son coût est encore accru. En conséquence, il serait souhaitable de proposer un rotor de turbine à vapeur haute pression/moyenne pression fait de plusieurs pièces forgées de coût réduit, soudées les unes aux autres. Selon un exemple de forme de réalisation de la présente invention, il est proposé un rotor. Le rotor comporte une première section en matière pour température basse, une deuxième section en matière pour température basse fixée à une première extrémité de la section en première matière pour température basse, et une troisième section en matière pour température basse assemblée avec une première extrémité de la deuxième section en matière pour température basse. Les première, deuxième et troisième sections en matière pour températures basses sont exposées à une pression inférieure à environ 180 bar. Selon un autre exemple de forme de réalisation de la présente invention, il est proposé une turbine à vapeur qui comporte un rotor. Le rotor comporte une première section en matière pour température basse, une deuxième section en matière pour température basse fixée à une première extrémité de la section en première matière pour température basse, et une troisième section en matière pour température basse assemblée avec une première extrémité de la deuxième section en matière pour température basse. Les première, deuxième et troisième sections en matière pour températures basses sont exposées à une pression inférieure à environ 180 bar. Selon un autre exemple de forme de réalisation de la présente invention, il est proposé un procédé de fabrication de rotor. Le procédé comporte la réalisation d'une première section en matière pour température basse, l'assemble de la première section en matière pour température basse avec une extrémité d'une deuxième section en matière pour température basse et l'assemblage de la deuxième section en matière pour température basse avec une extrémité d'une troisième section en matière pour température basse. Les première, deuxième et troisième sections en matières pour températures basses sont en acier allié forgé. L'invention sera mieux comprise à l'étude détaillée de quelques modes de réalisation pris à titre d'exemples non limitatifs et illustrés par la figure 1 annexée, qui est une vue en coupe d'une turbine à vapeur selon la présente invention. Il est proposé un rotor de turbine à vapeur haute pression/moyenne pression combinées, fait de multiples pièces forgées, d'un coût réduit, qui sont soudées les unes aux autres. Dans des formes de réalisation de la présente invention, la configuration du système donne un rotor de turbine à vapeur d'un coût réduit. Un autre avantage d'une forme de réalisation de la présente invention est un temps de fabrication réduit, car le délai de fabrication pour obtenir un rotor en plusieurs pièces est inférieur à celui d'un rotor forgé réalisé à partir d'une pièce forgée d'un seul tenant. Des formes de réalisation de la présente invention permettent la fabrication du rotor à haute pression/moyenne pression à l'aide d'une série de pièces forgées plus petites faites de la même matière qui soit a) sont moins coûteuses, au poids, qu'une seule pièce forgée, soit b) permettent un gain de temps en ce qui concerne le cycle d'approvisionnement par rapport à une pièce forgée unique d'un seul tenant plus grande. De telles dispositions assurent une fabrication moins coûteuse. La figure 1 représente une coupe schématique d'une turbine à vapeur 10 selon une forme de réalisation de l'invention. La turbine à vapeur 10 comporte une enveloppe 12 à paroi unique dans laquelle un rotor 13 de turbine est monté de manière à pouvoir tourner autour d'un axe de rotation 14. La turbine à vapeur 10 comporte une première section 16 et une seconde section 18. La turbine à vapeur 10 fonctionne en régime subcritique. Dans une forme de réalisation, la turbine à vapeur 10 reçoit de la vapeur à une pression inférieure à environ 180 bar. Dans une autre forme de réalisation, la turbine à vapeur 10 reçoit de la vapeur à une pression environ 110 bar environ 180 bar. Dans une autre forme de réalisation, la turbine à vapeur 10 reçoit de la vapeur à une pression d'environ 120 à environ 175 bar. De plus, la turbine à vapeur 10 reçoit de la vapeur à une température d'environ 525°C à environ 600°C. Dans une autre forme de réalisation, la turbine à vapeur 10 reçoit de la vapeur à une température d'environ 535°C à environ 570°C. Dans une autre forme de réalisation, la turbine à vapeur 10 reçoit de la vapeur à une température d'environ 538°C à environ 565°C. L'enveloppe 12 est une enveloppe unique intégrée. Dans une autre forme de réalisation, l'enveloppe 12 peut être une enveloppe à double paroi. L'enveloppe 12 comprend une pluralité d'aubes directrices 22. Le rotor 13 comporte un arbre 24 et une pluralité d'aubes mobiles 25 fixées à l'arbre 24. L'arbre 24 est supporté dans l'enveloppe 12 par un palier (non représenté) de manière à pouvoir tourner. Dans une autre forme de réalisation, on peut utiliser diverses configurations de support par palier. Une veine principale 26 de vapeur est définie comme trajet d'écoulement de vapeur entre l'enveloppe 12 et le rotor 13. La veine principale 26 de vapeur comprend une première section 30 de veine principale de vapeur située dans la première section 16 de turbine ou section turbine HP et une deuxième section 36 de veine principale de vapeur située dans la deuxième section 18 de turbine ou section turbine MP. Dans la présente description, l'expression "veine principale de vapeur" désigne le trajet primaire d'écoulement de vapeur qui produit de l'énergie. De la vapeur est fournie à une première région d'entrée 32 de la veine principale 26 de vapeur. La vapeur emprunte la première section 30 de la veine principale 26 de vapeur entre les aubes directrices 22 et les aubes mobiles 25, la vapeur se détendant et se refroidissant durant cet écoulement. L'énergie thermique de la vapeur est convertie en énergie mécanique de rotation à mesure que la vapeur fait tourner le rotor 13 autour de l'axe 14. Après avoir circulé dans la première section 30 de veine principale de vapeur, la vapeur sort d'une première région de sortie 28 de vapeur pour entrer dans un surchauffeur (non représenté) où la vapeur est chauffée à une température plus élevée. La vapeur est introduite via des tubulures (non représentées) dans une deuxième région d'entrée 34 de vapeur. La vapeur emprunte la deuxième section 36 de la veine principale 26 de vapeur entre les aubes directrices 22 et les aubes mobiles 25, la vapeur se détendant et se refroidissant durant cet écoulement. Une quantité supplémentaire d'énergie thermique de la vapeur est convertie en énergie mécanique de rotation à mesure que la vapeur fait tourner le rotor 13 autour de l'axe 14. Après avoir circulé dans la deuxième section 36 de veine principale de vapeur, la vapeur sort d'une deuxième région de sortie 38 de vapeur de la turbine à vapeur 10. La vapeur peut servir dans d'autres opérations, non illustrées plus en détail. Revenant à la figure 1, l'arbre 24 comprend une première section 240 en matière pour basse température (MBT), une deuxième section 242 en MBT et une troisième section 262 en MBT. La première section en MBT et une première partie 242a de la deuxième section 242 en MBT sont disposées ou situées dans la première section 16 de la turbine à vapeur 10. Une deuxième partie 242b de la deuxième section 242 en MBT et la troisième section 262 en MBT sont disposées ou situées dans la deuxième section 18 de la turbine à vapeur 10. La première section 240 en MBT peut être assemblée avec une autre pièce (non représentée) à une première extrémité 232 par un assemblage boulonné, une soudure ou autre technique d'assemblage. Dans une forme de réalisation, la première section en MBT peut être montée par boulonnage sur un alternateur à la première extrémité 232. La troisième section 262 peut être assemblée avec une autre pièce (non représentée) à une deuxième extrémité 234 par un assemblage boulonné, une soudure ou autre technique d'assemblage. Dans une forme de réalisation, la troisième section 262 peut être montée sur une section basse pression d'une installation de production d'électricité (non représentée). Dans une forme de réalisation, la section basse pression d'une installation de production d'électricité peut comprendre une turbine basse pression. La première section 16 reçoit de la vapeur via la première région d'entrée 32 en régime subcritique. Dans une forme de réalisation, la première section 16 reçoit de la vapeur à une pression inférieure à environ 180 bar. Dans une autre forme de réalisation, la première section 16 reçoit de la vapeur à une pression d'environ 110 bar à environ 180 bar. Dans une autre forme de réalisation, la première section 16 reçoit de la vapeur à une pression d'environ 120 bar à environ 175 bar. De plus, la première section 16 reçoit de la vapeur à une température d'environ 525°C à environ 600°C. Dans une autre forme de réalisation, la première section 16 reçoit de la vapeur à une température d'environ 535°C à environ 570°C. Dans une autre forme de réalisation, la première section 16 reçoit de la vapeur à une température d'environ 538°C à environ 565°C. La deuxième section 18 reçoit de la vapeur à une pression inférieure à environ 70 bar. Dans une autre forme de réalisation, la deuxième section 18 peut recevoir de la vapeur à une pression d'environ 20 bar à 70 bar. Dans encore une autre forme de réalisation, la deuxième section 18 peut recevoir de la vapeur à une pression d'environ 20 bar à environ 40 bar. De plus, la deuxième section 18 reçoit de la vapeur à une température d'environ 525°C à environ 600°C. Dans une autre forme de réalisation, la deuxième section 18 reçoit de la vapeur à une température d'environ 535°C à environ 570°C. Dans une autre forme de réalisation, la deuxième section 18 reçoit de la vapeur à une température d'environ 538°C à environ 565°C. La première section 240 en MBT est assemblée avec la deuxième section 242 en MBT par une première soudure 250. Dans cet exemple de forme de réalisation, la première soudure 250 est située le long de la première section 30 de veine principale de vapeur. Dans une autre forme de réalisation, selon une autre possibilité, la première soudure 250 peut être située à l'extérieur de la première section 30 de veine principale de vapeur ou ne pas être au contact de ladite première section 30. Dans une forme de réalisation, la première soudure 250 peut être située à un emplacement "A" à l'extérieur de la première section 30 de veine principale de vapeur et ne pas être au contact de ladite première section 30, mais au contact de fuites de vapeur depuis un joint. Les deuxième et troisième sections 242, 262 en MBT sont assemblées par une deuxième soudure 266. La deuxième soudure 266 est située le long de la deuxième section 36 de veine principale de vapeur. Dans une forme de réalisation, la deuxième soudure 266 peut être située le long de la deuxième section 36 de veine principale de vapeur, où la température de la vapeur est inférieure à 455°C. Dans une autre forme de réalisation, la deuxième soudure 266 peut être située à l'extérieur de la deuxième section 36 de veine principale de vapeur ou ne pas être au contact de ladite première section 36. Par exemple, selon une autre possibilité, la deuxième soudure 266 peut être située à un emplacement "B" à l'extérieur de la deuxième section 36 de veine principale de vapeur et ne pas être au contact de ladite deuxième section 36. Dans une forme de réalisation, les première, deuxième et troisième sections 240, 242, 262 en MBT sont faites d'un seul morceau ou bloc, d'un seul tenant, de matière pour basse température. Dans une autre forme de réalisation, les première, deuxième et troisième sections 240, 242, 262 en MBT peuvent être faites de deux ou de plus de deux morceaux ou blocs de matière pour basse température qui ont été assemblés les uns avec les autres. Dans encore une autre forme de réalisation, les première, deuxième et troisième sections 240, 242, 262 en MBT peuvent être faites chacune d'un ou de plusieurs morceaux ou blocs de matière pour basse température soudés les uns avec les autres. La matière pour basse température (MBT) peut être un acier allié forgé. Dans une forme de réalisation, l'acier allié forgé peut être un acier faiblement allié. Dans une forme de réalisation, la matière pour basse température peut être un acier allié au CrMoVNi. Dans une forme de réalisation, Cr peut être présent à raison d'environ 0,5 % en poids à environ 2,2 % en poids. Dans une autre forme de réalisation, Cr peut être présent à raison d'environ 0,5 % en poids à environ 2,0 % en poids. Dans une autre forme de réalisation, Cr peut être présent à raison d'environ 0,9 % en poids à environ 1,3 % en poids. Dans une forme de réalisation, Mo peut être présent à raison d'environ 0,5 % en poids à environ 2,0 % en poids. Dans une autre forme de réalisation, Mo peut être présent à raison d'environ 1,0 % en poids à environ 1,5 % en poids. Dans une forme de réalisation, V peut être présent à raison d'environ 0,1 % en poids à environ 0,5 % en poids. Dans une autre forme de réalisation, V peut être présent à raison d'environ 0,2 % en poids à environ 0,3 % en poids. Dans une forme de réalisation, Ni peut être présent à raison d'environ 0,2 % en poids à environ 1,0 % en poids. Dans une autre forme de réalisation, Ni peut être présent à raison d'environ 0,3 % en poids à environ 0,6 % en poids. Dans une forme de réalisation, Mn peut être présent à raison d'environ 0,5 % en poids à environ 1,0 % en poids. Dans une autre forme de réalisation, Mn peut être présent à raison d'environ 0,65 % en poids à environ 0,85 % en poids. Dans une forme de réalisation, le carbone peut être présent à raison d'environ 0,2 % en poids à environ 0,4 % en poids. Dans une autre forme de réalisation, le carbone peut être présent à raison d'environ 0,25 % en poids à environ 0,33 % en poids. Le reste de l'acier allié est essentiellement composé de Fe et d'impuretés accidentelles. Dans une forme de réalisation, les première, deuxième et troisième sections 240, 242, 262 en MBT peuvent avoir la même composition. Dans une autre forme de réalisation, les première, deuxième et troisième sections 240, 242, 262 en MBT peuvent avoir des compositions différentes. Comme représenté sur la figure 1, la première section 240 en MBT définit au moins partiellement la première section 30 de veine principale de vapeur. La deuxième section 242 en MBT définit en outre au moins partiellement la première section 30 de veine principale de vapeur. Dans une autre forme de réalisation, la soudure 250 peut être déplacée, par exemple jusque dans la position "A", de façon que la première section 240 en MBT ne définisse pas au moins partiellement la première section 30 de veine principale de vapeur ou, autrement dit, que la première section 240 en MBT soit à l'extérieur de la première section 30 de veine principale de vapeur et ne soit pas au contact de la veine principale 26 de vapeur. De même, la troisième section 262 en MBT définit au moins partiellement la deuxième section 36 de veine principale de vapeur. La deuxième section 242 en MBT définit en outre au moins partiellement la deuxième section 36 de veine principale de vapeur. Dans une autre forme de réalisation, la soudure 266 peut être déplacée, par exemple jusque dans la position "B", de façon que la troisième section 262 en MBT ne définisse pas au moins partiellement la deuxième section 36 de veine principale de vapeur ou, autrement dit, que la troisième section 262 en MBT soit à l'extérieur de la deuxième section 36 de veine principale de vapeur et ne soit pas au contact de la veine principale 26 de vapeur. REVENDICATIONS1. Rotor (13), comportant : une première section (240) en matière pour basse température ; une deuxième section (242) en matière pour basse température, fixée à une première extrémité (232) de la première section (240) en matière pour basse température ; une troisième section (262) en matière pour basse température assemblée avec une première extrémité (232) de la deuxième section (242) en matière pour basse température ; les première (240), deuxième (242) et troisième (262) sections en matière pour basse température étant exposées à de la vapeur à une pression inférieure à environ 180 bar. 2. Rotor (13) selon la revendication 1, dans lequel les première (240), deuxième (242) et troisième (262) sections en matière pour basse température sont en acier allié forgé. 3. Rotor (13) selon la revendication 2, dans lequel l'acier allié forgé contient : d'environ 0,5 % à environ 2,2 % de Chrome ; d' environ 0,5 % à environ 2,0 % de Molybdène ; d' environ 0,1 % à environ 0,5 % de Vanadium ; d'environ 0,2 % à environ 1,0 % de Nickel ; et d'environ 0,5 % à environ 1,0 % en poids de Manganèse. 4. Rotor (13) selon la revendication 2, dans lequel l'acier allié forgé contient : d'environ 0,5 % à environ 2,0 % de Chrome ; d' environ 0,5 % à environ 2,0 % de Molybdène ; d'environ 0,1 % à environ 0,5 % de Vanadium ;d'environ 0,2 % à environ 1,0 % de Nickel ; et d'environ 0,65 % à environ 0,85 % en poids de Manganèse. 5. Rotor (13) selon la revendication 2, dans lequel l'acier allié forgé contient : d'environ 0,9 % à environ 1,3 % de Chrome ; d' environ 0,5 % à environ 2,0 % de Molybdène ; d'environ 0,1 % à environ 0,5 % de Vanadium ; d'environ 0,2 % à environ 1,0 % de Nickel ; d'environ 0,65 % à environ 0,85 % de Manganèse ; d'environ 0,25 % à environ 0,33 % en poids de Carbone ; le complément étant composé de Fer et d'impuretés accidentelles. 6. Rotor (13) selon la revendication 1, dans lequel les première (240), deuxième (242) et troisième (262) sections en matière pour basse température ont la même composition. 7. Turbine à vapeur (10), comportant : un rotor (13), comportant : une première section (240) en matière pour basse température ; une deuxième section (242) en matière pour basse température, fixée à une première extrémité (232) de la première section (240) en matière pour basse température ; une troisième section (262) en matière pour basse température assemblée avec une première extrémité (232) de la deuxième section (242) en matière pour basse température ; les première (240), deuxième (242) et troisième (262) sections en matière pour basse température étant exposées à de la vapeur à une pression inférieure à environ 180 bar. 8. Turbine à vapeur (10) selon la revendication 7 comportant en outre :une enveloppe (12) à paroi unique entourant le rotor (13). 9. Turbine à vapeur (10) selon la revendication 8, dans laquelle la première section (240) en matière à basse température définit au moins partiellement la veine principale (26) de vapeur entre le rotor (13) et l'enveloppe (12) à paroi unique. 10. Turbine à vapeur (10) selon la revendication 7, dans laquelle les première (240), deuxième (242) et troisième (262) sections en matière pour basse température sont en acier allié forgé.