Brevet FR2978200A1 — publié le 20130125

Diffuseur d'échappement de turbine basse pression avec turbulateurs La présente invention concerne le domaine des turbines à vapeur de façon générale et, en particulier, un diffuseur d'échappement de turbine à vapeur basse pression, à écoulement axial-radial. Une section basse pression (BP) de turbine à vapeur comporte ordinairement un domaine d'entrée, de multiples étages de turbine et un diffuseur de gaz d'échappement (parfois appelé hotte d'évacuation). Le diffuseur de gaz d'échappement se trouve ordinairement au niveau de la dernière rangée d'aubes ou ailettes rotatives et est conçu de manière à comporter un guide d'écoulement de vapeur entre une entrée à écoulement axial et une sortie à écoulement radial. La diffusion du flux a lieu dans la section initiale du diffuseur, constituée par le guide d'écoulement de vapeur du diffuseur, tandis que le reste des moyens du diffuseur recueillent le flux de gaz dans une chambre et guident celui-ci jusqu'au condenseur. Une des principales fonctions du diffuseur ou de la hotte d'évacuation consiste à récupérer la pression statique cependant qu'il guide le flux de gaz d'échappement depuis la rangée d'ailettes du dernier étage jusque dans le condenseur. En fait, les diffuseurs sont ordinairement conçus en fonction de performances optimisées de la turbine, qui peuvent être mesurées par rapport à la récupération maximale possible de pression statique. Le degré de récupération de pression statique dans le diffuseur d'échappement basse pression dépend dans une grande mesure de la section de passage formée par le profil du guide de vapeur ainsi que du profil de sortie des ailettes du dernier étage, dont l'intervalle à l'extrémité des ailettes. Globalement, une récupération maximale de pression a lieu à l'extrémité du guide de vapeur mais, après celle-ci, des pertes de pression se produisent par suite d'une section de passage mal préparée. D'autre part, afin de réduire les coûts de fabrication, il est souhaitable de réduire la longueur du rotor ou de l'arbre de turbine. Une longueur réduite de l'arbre a pour conséquence une réduction de la section de passage disponible à l'extrémité du guide de vapeur. Afin de compenser la perte de section de passage résultant d'une longueur réduite de l'arbre, il a été proposé de concevoir la section de guidage de vapeur du diffuseur d'une manière plus poussée, afin d'accroître la section de passage à la sortie du diffuseur. Cependant, la conséquence d'une telle conception poussée est une séparation du flux le long du guide de vapeur, c'est-à-dire le long de la partie extérieure de la paroi de guidage la plus proche de l'extrémité des ailettes du dernier étage, et surtout à l'extrémité de sortie de la partie extérieure de la paroi de guidage de vapeur. Par conséquent, il existe un besoin pour répondre au problème de l'obtention d'une récupération maximale de pression avec un guide de vapeur d'une conception poussée, mais sans provoquer une séparation de flux le long de la surface de guidage de vapeur du diffuseur. Selon un premier mode de réalisation, l'invention concerne un diffuseur d'échappement de turbine destiné à être utilisé de manière adjacente à une rangée d'ailettes de dernier étage fixées à un rotor de turbine, comportant une couronne annulaire intérieure de diffuseur et une couronne annulaire extérieure de diffuseur définissant une veine d'écoulement de vapeur sortant d'une rangée d'ailettes de dernier étage dans une direction sensiblement axiale à une entrée du diffuseur, et une courbure sensiblement à quatre-vingt-dix degrés vers une sortie de diffuseur ; la couronne extérieure du diffuseur ayant une surface de guidage de vapeur courbée s'étendant entre l'entrée du diffuseur et la sortie du diffuseur et ayant une première partie s'étendant depuis l'entrée du diffuseur et une seconde partie s'étendant jusqu'à la sortie du diffuseur, la seconde partie présentant une forme de manière à s'étendre au-delà de la verticale et à revenir vers l'entrée du diffuseur de manière à établir une composante d'écoulement dans une seconde direction axiale opposée, la seconde partie étant pourvue d'une pluralité de turbulateurs. Selon un autre mode de réalisation, l'invention concerne un diffuseur d'échappement de turbine adjacent à une rangée d'ailettes de dernier étage fixées à un rotor de turbine comportant une couronne annulaire intérieure de diffuseur et une couronne annulaire extérieure de diffuseur définissant une veine d'écoulement pour la vapeur sortant d'une rangée d'ailettes de dernier étage dans une première direction sensiblement axiale à une sortie du diffuseur, et une courbure sensiblement à quatre-vingt-dix degrés jusqu'à une sortie de diffuseur ; la couronne extérieure de diffuseur ayant une surface de guidage de vapeur courbée s'étendant entre l'entrée du diffuseur et la sortie du diffuseur et ayant une première partie s'étendant depuis l'entrée du diffuseur et une seconde partie s'étendant jusqu'à la sortie du diffuseur, la seconde partie présentant une forme de manière à s'étendre au-delà de la verticale et à revenir vers l'entrée du diffuseur de manière à établir une composante d'écoulement dans une seconde direction axiale opposée, la seconde partie étant pourvue d'une pluralité de turbulateurs disposés en au moins deux rangées circonférentielles à espacement radial. Selon encore un autre mode de réalisation, l'invention concerne un procédé pour agrandir une section de sortie d'un diffuseur d'échappement de turbine et limiter la séparation du flux le long d'une partie extérieure de paroi dudit diffuseur d'échappement de turbine, comportant le formage de la partie extérieure de paroi s'étendant entre une entrée de diffuseur à orientation axiale et une sortie de diffuseur à orientation sensiblement radiale de façon qu'elle s'étende au-delà de la verticale et qu'elle revienne vers l'entrée du diffuseur de façon à établir une composante d'écoulement vers l'amont ; et la disposition d'une pluralité de turbulateurs sur la paroi extérieure de paroi afin de générer des tourbillons localisés pour limiter la séparation du flux le long de la partie extérieure de paroi. 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 est une vue en coupe d'une partie supérieure ou radialement extérieure d'un diffuseur d'échappement de turbine à gaz selon un mode de réalisation de l'invention ; - la figure 2 est une vue en perspective de la partie du diffuseur représentée sur la figure 1 ; - la figure 3 est un détail agrandi pris sur la figure 2 ; - la figure 4 illustre le degré de séparation de flux dans un diffuseur selon l'invention, mais sans turbulateurs ni générateurs de tourbillons ; et - la figure 5 représente un diffuseur illustré sur la figure 4, mais illustrant une réduction de séparation de flux obtenue grâce à l'apport de turbulateurs ou générateurs de tourbillons selon l'invention. La figure 1 illustre une partie radialement extérieure d'une hotte d'évacuation ou d'un diffuseur 10 qui peut faire partie d'une turbine à vapeur basse pression. Le diffuseur 10 guide le flux d'échappement du moteur à turbine depuis les aubes ou ailettes mobiles 12 du dernier étage jusque dans un compartiment (non représenté) de vapeur d'échappement, puis jusqu'à un condenseur (non représenté). Le diffuseur 10 se présente globalement sous la forme d'un tore creux, seul un profil ou une section transversale de la partie radialement extérieure du diffuseur étant représenté sur la figure 1. Le diffuseur 10 est globalement constitué par une couronne extérieure 14 et une couronne intérieure 16 réunies pour créer la forme toroïdale creuse, une entrée 18 du diffuseur 10 étant immédiatement adjacente à la dernière rangée d'aubes ou ailettes mobiles, représentées par l'unique aube mobile 12. La couronne extérieure 14 et la couronne intérieure 16 peuvent avoir une section transversale de forme sensiblement en canal et peuvent être réunies par soudage ou par un autre moyen approprié afin de former le tore annulaire creux. Le diffuseur 10 forme un guide ou une veine d'écoulement pour la vapeur sortant de la rangée d'aubes ou ailettes du dernier étage qui s'étend initialement dans une direction sensiblement axiale au niveau du dernier étage 12, puis tourne sensiblement à quatre-vingt-dix degrés, aboutissant à la sortie 20 du diffuseur. Adjacente à la sortie 20, une partie extérieure de couronne, appelée partie de guidage de vapeur, d'un diffuseur classique, la plus proche de l'extrémité des aubes s'étend sensiblement verticalement, c'est-à-dire sensiblement à la perpendiculaire de l'axe du rotor de turbine, qui s'étend sensiblement parallèlement à la surface 23 du diffuseur. Cette partie de guidage de vapeur du diffuseur est représentée, au niveau du repère 22, en pointillé sur la figure 1. Autrement dit, à la sortie 20, les deux couronnes, intérieure 16 et extérieure 14, sont orientées sensiblement verticalement. Afin de compenser la longueur réduite de l'arbre et de maintenir une récupération maximale de pression, la section de passage à la sortie 20, le long de la partie ou surface 24 de paroi de guidage de vapeur du diffuseur 10, est accrue en faisant tourner la couronne intérieure 16 au-delà de la verticale, en la faisant revenir vers l'étage de sortie de la turbine, ce qui crée une composante d'écoulement dans une seconde direction axiale ou amont, par exemple d'environ 15°(se reporter à la figure 1 et comparer la ligne en pointillé 22 avec la ligne continue 24). Comme indiqué plus haut, cette solution a tendance à provoquer une séparation non souhaitable de la couche limite le long de la surface 24 de la paroi de guidage de vapeur, en particulier la partie la plus proche de la sortie 20, comme représenté sur la figure 4. L'ajout de turbulateurs ou de générateurs de tourbillons 26 à l'intérieur de la surface 24 de paroi de guidage de vapeur contribue à ce que le flux d'échappement reste fixé le long de cette section de la paroi du diffuseur. En référence aux figures 2 et 3, les turbulateurs ou générateurs de tourbillons 26 sont représentés sous la forme de saillies hémisphériques avec deux rangées circonférentielles à espacement radial ménagées autour de la couronne intérieure 14, surtout autour de la partie de la surface 24 de paroi de guidage de vapeur agencée de façon à s'étendre au-delà de la verticale et à revenir vers les ailettes du dernier étage. Cependant, on notera que l'invention ne se limite pas à des turbulateurs ou des générateurs de tourbillons à forme hémisphérique, mais envisage également des dépressions ou des évidements hémisphériques. La forme peut également varier d'une forme ronde à ovale ou rectangulaire, etc., et la hauteur ou la profondeur peut également varier. En variante, le nombre de rangées de turbulateurs ou de générateurs de tourbillons peut être différent et les turbulateurs ou générateurs de tourbillons peuvent être disposés en rangées adjacentes alignés dans la direction circonférentielle avec ou en décalé par rapport aux rangées adjacentes. L'utilisation décrite de turbulateurs ou générateurs de tourbillons 26 sur la surface interne 24 de la sortie du diffuseur a été présentée afin d'accroître notablement la récupération de pression. En particulier, les turbulateurs ou générateurs de tourbillons 26 stimulent la couche limite en raison de l'accroissement des turbulences ou de tourbillons localisés, ce qui contribue à maintenir le flux au contact de la surface 24 et donc d'accroître la récupération de pression statique. Dans un exemple dans lequel l'intervalle entre le carénage ou le bout des aubes de turbine du dernier étage et l'enveloppe environnante est de 0,279 mm (11 mils), la récupération de pression, améliorée d'un facteur 0,07 (si on donne une valeur de 1,0 à une récupération de pression à 100%, la récupération de pression a été améliorée, passant de 0,64 à 0,71). Cette différence est illustrée schématiquement sur les figures 4 et 5 avec une séparation de flux indiquée par des hachures sur la surface de guidage de vapeur 24. Des améliorations spécifiques de récupération de pression dépendront de la configuration de la turbine, de l'intervalle au bout des ailettes, etc. Ainsi, l'invention permet une diffusion très efficace de flux qui donne une réduction de ce qu'on appelle la contre-pression pour la turbine, en permettant à la turbine d'avoir un plus grand rapport global de pression pour le même réservoir thermique du cycle thermodynamique ou de délivrer la même puissance avec un plus grand rendement (c'est-à-dire pour un apport moindre de combustible). REVENDICATIONS1. Diffuseur d'échappement (10) de turbine destiné à être utilisé de manière adjacente à une rangée d'ailettes (12) de dernier étage fixées à un rotor de turbine, le diffuseur (10) comportant : une couronne annulaire intérieure (16) de diffuseur et une couronne annulaire extérieure (14) de diffuseur définissant une veine d'écoulement pour la vapeur sortant au niveau d'une rangée d'ailettes (12) de dernier étage dans une première direction sensiblement axiale à une entrée (18) du diffuseur (10), et tournant sensiblement à quatre-vingt-dix degrés jusqu'à une sortie (20) du diffuseur (10), la couronne extérieure (14) du diffuseur ayant une surface courbée (24) de guidage de vapeur s'étendant entre l'entrée (18) du diffuseur et la sortie (20) du diffuseur et ayant une première partie s'étendant depuis l'entrée (18) du diffuseur et une seconde partie, s'étendant jusqu'à ladite sortie (20) du diffuseur, ladite seconde partie présentant une forme de manière à s'étendre au-delà de la verticale et à revenir vers ladite entrée (18) du diffuseur afin d'établir une composante d'écoulement dans une seconde direction axiale opposée, ladite seconde partie étant pourvue d'une pluralité de turbulateurs (26). 2. Diffuseur (10) de turbine basse pression selon la revendication 1, dans lequel lesdits turbulateurs (26) sont disposés en rangées circonférentielles à espacement radial. 3. Diffuseur d'échappement (10) de turbine selon la revendication 2, dans lequel les turbulateurs (26) en rangées circonférentielles adjacentes à espacement radial sont alignés dans la direction circonférentielle. 4. Diffuseur d'échappement (10) de turbine selon la revendication 2, dans lequel les turbulateurs (26) en rangées circonférentielles adjacentes à espacement radial sont décalés dans la direction circonférentielle. 5. Diffuseur d'échappement (10) de turbine selon la revendication 2, dans lequel lesdites rangées circonférentielles à espacement radial comprennent au moins deux rangées. 6. Diffuseur d'échappement (10) de turbine selon la revendication 1, dans lequel lesdits turbulateurs (26) comprennent des saillies hémisphériques. 7. Diffuseur d'échappement (10) de turbine selon la revendication 1, dans lequel lesdits turbulateurs (26) comprennent des dépressions hémisphériques. 8. Diffuseur d'échappement (10) de turbine selon la revendication 1, dans lequel lesdits turbulateurs (26) ont une forme non ronde. 9. Diffuseur d'échappement (10) de turbine selon la revendication 8, dans lequel lesdits turbulateurs (26) sont disposés en rangées circonférentielles à espacement radial. 10. Diffuseur d'échappement (10) de turbine adjacent à une rangée d'ailettes (12) de dernier étage fixées à un rotor de turbine, comportant : une couronne annulaire intérieure (16) de diffuseur et une couronne annulaire extérieure (14) de diffuseur définissant une veine d'écoulement pour de la vapeur sortant d'une rangée d'ailettes de dernier étage dans une première direction sensiblement axiale à une entrée (18) du diffuseur, et tournant sensiblement à quatre-vingt-dix degrés jusqu'à une sortie (20) du diffuseur ; la couronne extérieure (14) du diffuseur ayant une surface de guidage de vapeur courbée (24) s'étendant entre l'entrée (18) du diffuseur et la sortie (20) du diffuseur et ayant une première partie s'étendant depuis l'entrée (18) du diffuseur et une seconde partie s'étendant jusqu'à ladite sortie (20) du diffuseur, ladite seconde partie présentant une forme de manière à s'étendre au-delà de la verticale et à revenir vers ladite entrée (18) du diffuseur de manière à établir une composante d'écoulement dans une seconde direction axiale opposée, ladite seconde partie étant pourvue d'une pluralité de turbulateurs (26) disposés sur au moins deux rangées circonférentielles à espacement radial. 11. Diffuseur d'échappement (10) de turbine selon la revendication 10, dans lequel les turbulateurs (26) en rangées circonférentielles adjacentes à espacement radial sont décalés dans la direction circonférentielle. 12. Diffuseur d'échappement (10) de turbine selon la revendication 10, dans lequel lesdits turbulateurs (26) comprennent des saillies hémisphériques. 13. Diffuseur d'échappement (10) de turbine selon la revendication 10, dans lequel lesdits turbulateurs (26) comprennent des dépressions hémisphériques. 14. Diffuseur d'échappement (10) de turbine selon la revendication 10, dans lequel lesdits turbulateurs (26) ont une forme non ronde. 15. Procédé pour accroître une section de sortie d'un diffuseur d'échappement (10) de turbine et limiter la séparation de flux sur une partie de la paroi extérieure dudit diffuseur d'échappement (10) de turbine, comportant : (a) l'agencement de la partie de paroi extérieure s'étendant entre une entrée (18) à orientation axiale du diffuseur jusqu'à une sortie (20) à orientation sensiblement radiale du diffuseur de façon qu'elle s'étende au-delà de la verticale et qu'elle revienne vers l'entrée (18) du diffuseur de manière à établir une composante d'écoulement dans une direction axiale amont ; et (b) la réalisation d'une pluralité de turbulateurs (26) sur ladite partie de paroi extérieure afin de créer des tourbillons localisés servant à limiter la séparation du flux sur ladite partie de paroi extérieure. 16. Procédé selon la revendication 15, dans lequel ladite pluralité de turbulateurs (26) sont disposés en rangées circonférentielles à espacement radial. 17. Procédé selon la revendication 15, dans lequel ladite pluralité de turbulateurs (26) ont une forme ronde. 18. Procédé selon la revendication 15, dans lequel ladite pluralité de turbulateurs (26) ont une forme non ronde. 19. Procédé selon la revendication 15, dans lequel lesdits turbulateurs (26) comprennent des saillies ou des dépressions. 20. Procédé selon la revendication 16, dans lequel ladite pluralité de turbulateurs (26) en rangées circonférentielles adjacentes à espacement radial sont alignés ou décalés dans la direction circonférentielle.