Brevet FR2978201A1 — publié le 20130125

Dispositif d'échappement de turbine La présente invention concerne un dispositif d'échappement pour turbine et, plus particulièrement, un dispositif d'échappement pour une turbine ayant une structure d'échappement pour guider un flux de vapeur jusque dans un condenseur. La vapeur sortant des ailettes du dernier étage d'une turbine à vapeur emprunte un passage dans une enveloppe de turbine jusqu'à un collecteur ou une hotte d'évacuation. La vapeur entre ensuite dans un condenseur. Dans un type de turbine à vapeur ayant une hotte d'évacuation du type à flux descendant, le condenseur se trouve sous la hotte d'évacuation et la vapeur est dirigée jusque dans le condenseur dans une direction globalement descendante. Ordinairement, la hotte d'évacuation comporte une hotte supérieure d'évacuation et une hotte inférieure d'évacuation. Une partie de la vapeur est guidée jusque dans la hotte inférieure d'évacuation et s'écoule directement vers le bas et jusque dans le condenseur. Le reste de la vapeur présent dans la hotte supérieure d'évacuation est généralement guidé par un guide de vapeur situé dans la hotte supérieure d'évacuation et jusque dans le condenseur. En particulier, la vapeur située dans la hotte supérieure d'évacuation est guidée par le guide de vapeur depuis une direction verticalement montante jusqu'à une direction verticalement descendante sur une enveloppe intérieure de la turbine. Cet agencement a tendance à créer un écoulement tourbillonnaire en aval du guide de vapeur dans la hotte supérieure d'évacuation. Le flux tourbillonnant réduit la section d'écoulement effective entre le guide de vapeur et une paroi extérieure de la hotte d'évacuation. L'écoulement tourbillonnaire accroît en outre la contre-pression dans la partie supérieure de la hotte d'évacuation, ce qui réduit à son tour le rendement de la turbine. Dans le but d'améliorer le rendement de la turbine, la vapeur sortant de la hotte d'évacuation et entrant dans le condenseur doit avoir un écoulement globalement régulier. Cependant, obtenir un écoulement relativement régulier jusque dans le condenseur peut être difficile, car la vapeur s'écoule dans une direction axiale pour sortir des ailettes du dernier étage, mais change de direction et s'écoule dans une direction radiale jusque dans le condenseur. Il existe plusieurs solutions pour réduire ou sensiblement supprimer la survenance d'un écoulement tourbillonnaire dans la hotte supérieure d'évacuation et créer un écoulement globalement régulier de la vapeur jusque dans le condenseur. Par exemple, dans une solution, une structure d'échappement est placée à l'intérieur de la hotte d'évacuation. La structure d'échappement comporte un canal aval qui guide jusque dans le condenseur la vapeur située dans la hotte supérieure d'évacuation. Cependant, cette solution implique une plus grande longueur de l'arbre de la turbine et réduit également la base du cône porteur. Dans une autre solution, de multiples séries d'aubes fixes sont placées dans la hotte d'évacuation. Les aubes fixes dirigent globalement la vapeur sortant des ailettes du dernier étage pour qu'elle passe d'une direction axiale à une direction radiale. Cependant, dans certaines conditions de fonctionnement, les aubes fixes peuvent ne pas être efficaces pour amener le flux de vapeur à passer dans la direction radiale. Par conséquent, il serait souhaitable de proposer un dispositif d'échappement peu coûteux et efficace, qui dirige jusqu'au condenseur la vapeur présente dans la hotte supérieure d'évacuation. Selon un aspect de l'invention, un dispositif d'échappement pour turbine est proposé, comportant une enveloppe intérieure de turbine, un condenseur, une structure d'échappement et un cône porteur. L'enveloppe intérieure de turbine comprend une pluralité d'ailettes de dernier étage. Un flux de vapeur passe dans l'enveloppe intérieure de turbine et sort de la pluralité d'ailettes de dernier étage. Le condenseur reçoit le flux de vapeur. La structure d'échappement comprend un diffuseur, une section inférieure et une section supérieure. La section inférieure possède une section d'échappement. La section inférieure reçoit le flux de vapeur provenant des ailettes de dernier étage de l'enveloppe intérieure de turbine via le diffuseur et guide globalement vers le condenseur la vapeur sortant de la section d'échappement. La section supérieure comprend une section de réception et une section de guidage. La section de réception reçoit le flux de vapeur issu des ailettes du dernier étage de l'enveloppe intérieure de turbine via le diffuseur. La section de guidage est orientée dans une direction globalement radialement vers l'extérieur d'un axe central de la turbine et se trouve en communication fluidique avec la section de réception. La section d'échappement de la section inférieure est en communication fluidique avec la section de guidage pour diriger le flux de vapeur jusque dans le condenseur. Le cône porteur est placé sur l'axe central de la turbine et définit partiellement la veine d'écoulement de vapeur dans la section inférieure et la section supérieure. 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'un exemple d'une turbine à vapeur munie d'une structure d'échappement ; - la figure 2 est une vue en coupe de la structure d'échappement représentée sur la figure 1 ; - la figure 3 est une vue en perspective de la structure d'échappement représentée sur la figure 1 ; - la figure 4 est une vue de dessous d'une partie de la structure d'échappement représentée sur la figure 1 ; - la figure 5 est une vue en perspective de la structure d'échappement représentée sur la figure 1 ; et - la figure 6 est une autre forme possible de réalisation de la structure d'échappement représentée sur la figure 5. La description détaillée explique, à titre d'exemples en référence aux dessins, des formes de réalisation de l'invention, ainsi que des avantages et des caractéristiques. La figure 1 illustre un exemple de turbine à vapeur 10 ayant un rotor 12, une pluralité d'ailettes 14 de turbine, une enveloppe intérieure 16 de turbine, une entrée 20 de vapeur, un condenseur 22 et une plaque de guidage qui constitue une structure d'échappement 30. Dans la forme de réalisation représentée, la turbine à vapeur 10 est une turbine à vapeur du type à flux descendant, dans laquelle le condenseur 22 se trouve sous la structure d'échappement, et la vapeur est guidée jusque dans le condenseur 22 dans une direction globalement descendante. Dans un exemple de forme de réalisation, la turbine à vapeur 10 pourrait également être une turbine à vapeur à double flux, dans laquelle des ailettes de turbine opposées pourraient se trouver axialement de part et d'autre de la turbine 10 afin d'entraîner le rotor 12. L'enveloppe intérieure 16 de turbine comprend la pluralité d'ailettes 14 de turbine qui créent un écoulement de vapeur dans l'enveloppe intérieure 16 de turbine. La vapeur sort de l'enveloppe intérieure 16 de turbine par une pluralité d'ailettes 32 de dernier étage. La structure d'échappement 30 est montée sur l'enveloppe intérieure 16 de turbine. En particulier, dans la forme de réalisation représentée, la structure d'échappement 30 est fixée à une extrémité aval 34 de l'enveloppe intérieure 16 de turbine. Le condenseur 22 est monté à un endroit globalement en dessous de la structure d'échappement 30 pour recevoir le flux de vapeur. Un diffuseur 40 est créé entre un cône porteur 44 et des guides 46 de vapeur. Le diffuseur 40 est situé après l'extrémité aval 34 de l'enveloppe intérieure 16 de turbine et fait partie de la structure d'échappement 30. Le diffuseur 40 sert à guider la vapeur pour la faire sortir de l'enveloppe intérieure 16 de turbine et la faire entrer dans la structure d'échappement 30. Le cône porteur 40 est placé dans une direction axiale globalement parallèle à un axe central A-A de turbine 10 et est placé sur le rotor 12 et situé dans la structure d'échappement 30. La structure d'échappement 30 sert à guider un flux de vapeur 50 sortant des ailettes 32 de dernier étage de l'enveloppe intérieure 16 de turbine pour le faire entrer dans le condenseur 22. La structure d'échappement 30 comprend une section inférieure 54 et une section supérieure 56, une paroi avant 57 et une paroi d'extrémité 58. Dans la forme de réalisation représentée, une partie de la paroi avant 57 crée le diffuseur 40. Le flux de vapeur 50 sort des ailettes 32 du dernier étage en s'écoulant dans une direction axiale qui peut être sensiblement parallèle à l'axe central A-A de la turbine 10. Le flux de vapeur 50 est ensuite réorienté par la section inférieure 54 et la section supérieure 56 de la structure d'échappement 30 pour prendre une direction globalement radiale vers le condenseur 22. En particulier, la section inférieure 54 de la structure d'échappement 50 guide le flux de vapeur 50 sortant des ailettes 32 du dernier étage dans une direction globalement radiale par rapport à l'axe central A-A de la turbine 10, et vers le condenseur 22. Une partie inférieure 60 du diffuseur 40 et les guides 46 de vapeur coopèrent pour guider la vapeur sortant des ailettes 32 du dernier étage et la faire entrer dans la section inférieure 54 de la structure d'échappement 30. Une surface extérieure inférieure 62 du cône porteur 44 et la partie inférieure du diffuseur créent un passage 64 qui définit une veine pour le flux de vapeur 50. Le flux de vapeur 50 est guidé pour emprunter le passage 64 et sortir de la structure d'échappement 30 pour entrer dans le condenseur 22. En particulier, une section d'échappement 74 de la partie inférieure 54 guide le flux de vapeur 50 dans une direction globalement radiale jusque dans le condenseur 22. La section supérieure 56 de la structure d'échappement 30 comprend une section de réception 70 et une section de guidage 72. La section supérieure 56 de la structure d'échappement 30 est en communication fluidique avec la partie inférieure 54 de la structure d'échappement 30. En particulier, la section d'échappement 74 de la partie inférieure 54 reçoit le flux de vapeur 50 issu de la section supérieure 56 et guide le flux de vapeur 50 dans une direction globalement radiale jusque dans le condenseur 22. Une partie supérieure 76 du diffuseur 40 et les guides 46 de vapeur coopèrent pour guider le flux de vapeur 50 sortant des ailettes 32 du dernier étage dans une direction axiale, jusque dans la section de réception 70 de la section supérieure 56 de la structure d'échappement 30. Une surface extérieure supérieure 78 du cône porteur 44 et la partie supérieure 76 du diffuseur 40 créent un passage 80. Comme représenté sur la figure 1, une partie du flux de vapeur 50 présent dans la section supérieure 56 est guidée pour emprunter le passage 80 et s'écoule en passant d'une direction globalement axiale à une direction globalement verticale en s'éloignant du condenseur 22. Ainsi, le flux de vapeur 50 s'écoulant dans une partie 81 située tout en haut de la partie supérieure 56 de la structure d'échappement 30 (représentée sur les figures 1 à 3) est orienté dans une direction globalement verticale en s'éloignant du condenseur 22. Considérant maintenant les figures 2 et 3, il y est illustré la structure d'échappement 30. La figure 2 est une vue latérale de la structure d'échappement 30. La structure d'échappement 30 comportant une extrémité avant 82 qui se fixe à l'extrémité aval 34 de l'enveloppe intérieure 16 de turbine (figure 1). La section inférieure 54 et la section supérieure 56 se trouvent chacune entre la paroi avant 57 et la paroi d'extrémité 58. La figure 3 est une vue en perspective de la structure d'échappement 30. Considérant maintenant les figures 1 à 3, la section de guidage 72 de la partie supérieure 56 est en communication fluidique avec la section de réception 70 et reçoit le flux de vapeur 50 issu de la section de réception 70. La section de guidage 72 est orientée de manière à guider le flux de vapeur 50 dans une direction radiale. En particulier, le flux de vapeur 50 est guidé dans une direction orientée globalement radialement vers l'extérieur depuis l'axe central A-A de la turbine 10. La section d'échappement 74 de la section inférieure 54 est en communication fluidique avec la section de guidage 72 de la section supérieure 56 et reçoit le flux de vapeur 50 issu de la section de guidage 72. La section de guidage 72 guide le flux de vapeur pour le faire entrer dans le condenseur 22 (représenté sur la figure 1). Les figures 2 et 3 illustrent elles aussi le guidage du flux de vapeur 50 sortant de la section inférieure 54 de la structure d'échappement 30. L'écoulement tourbillonnant qui survient dans les hottes d'évacuation à flux descendant selon la technique antérieure est réduit ou sensiblement supprimé dans le flux de vapeur 50 situé dans la section supérieure 56 de la structure d'échappement 30. Par ailleurs, la diffusion du flux de vapeur 50 dans la section supérieure de la structure d'échappement 30 est normalement accrue en comparaison de hottes d'évacuation classiques à flux descendant. Généralement, l'accroissement de la diffusion du flux provoque une diminution de la contre-pression de la turbine, ce qui aboutit à un meilleur rendement de la turbine. De plus, la structure d'échappement 30 peut être moins coûteuse et moins complexe en comparaison de certaines hottes à flux descendant existant actuellement. En effet, l'enveloppe extérieure de la hotte peut être absente, car la structure d'échappement 30 sert de guide pour recevoir le flux de vapeur issu des ailettes 32 de dernier étage de l'enveloppe intérieure 16 de turbine. La structure d'échappement 30 peut être supportée directement par une embase (non représentée) de la turbine 10, ce qui a pour effet une plus grande fiabilité de la machine. Certaines solutions qui existent actuellement peuvent réduire l'écoulement tourbillonnaire dans une hotte d'évacuation classique, cependant certaines de ces solutions impliquent un arbre de turbine plus long. L'augmentation de la longueur de l'arbre de la turbine accroît à son tour les dimensions axiales globales de la turbine. En revanche, la structure d'échappement 30 n'accroît que de manière modérée la longueur de la turbine 10. Considérant maintenant la figure 4, il y est représenté une vue de dessous d'une partie de la structure d'échappement 30. Le flux de vapeur 50 entre dans la structure d'échappement 30 à une entrée 94 située à l'extrémité avant 82. Un moyen de diffusion 90 de flux de la structure d'échappement 30 est représenté par transparence. Le moyen de diffusion 90 de flux de la structure d'échappement 30 représente l'endroit où a lieu la diffusion du flux de vapeur 50. En effet, une partie restante 92 de la structure d'échappement 30 se trouve globalement dans l'enveloppe intérieure 16 de turbine (qui est représentée sur la figure 1), et par conséquent il ne peut normalement pas se produire de diffusion du flux de vapeur 50. Le moyen de diffusion 90 de flux de la structure d'échappement 30 présente une hauteur H que l'on choisit de mesurer entre la paroi d'extrémité 58 de la structure d'échappement 30 et une surface extérieure 97 de la structure d'échappement 30. La hauteur H peut être ajustée en fonction des besoins particuliers du système de la turbine 10. En particulier, une hauteur H accrue de la partie 90 a pour effet une plus grande Section Effective de Sortie (SES). La SES est le rapport entre la section effective de l'entrée 94 de la structure d'échappement 30 et la section effective d'une sortie 96 (représentée sur la figure 1) de la structure d'échappement 30. Une plus grande SES a pour effet une plus grande récupération de pression du flux de vapeur 50 qui circule dans la structure d'échappement 30. Les figures 5 et 6 représentent une partie du profil extérieur de la structure d'échappement 30. Considérant maintenant la figure 5, dans une forme de réalisation, le moyen de diffusion 90 de flux de la structure d'échappement 30 comprend une arête vive 98 interceptant deux surfaces. Considérant maintenant la figure 6, dans une autre forme de réalisation possible d'une structure d'échappement 130, un moyen de diffusion 190 de flux peut comprendre en revanche une arête rayonnée 198. L'arête rayonnée 198 extérieurement correspond à une portion rayonnée de la paroi intérieure (non représentée) de la structure d'échappement 130. Ainsi, la paroi intérieure de la structure d'échappement 130 a un profil globalement courbe. La paroi intérieure peut également avoir d'autres sections transversales non rectangulaires, comme par exemple un profil elliptique. Le profil courbe peut être utilisé dans le but d'améliorer les caractéristiques d'écoulement de la structure d'échappement 130. Listes des repères 10 Turbine 12 Rotor 14 Ailettes de turbine 16 Enveloppe intérieure de turbine 20 Entrée de vapeur 22 Condenseur 30 Structure d'échappement 32 Ailettes de dernier étage 34 Extrémité aval 40 Diffuseur 44 Cône porteur 46 Guides de vapeur 50 Flux de vapeur 54 Section inférieure 56 Section supérieure 57 Paroi avant 58 Paroi d'extrémité 60 Partie inférieure 62 Surface extérieure inférieure 64 Passage 70 Section de réception 72 Section de guidage 74 Section d'échappement 76 Partie supérieure 78 Surface extérieure supérieure 80 Passage 81 Partie supérieure tout en haut 82 Extrémité avant 90 Moyen de diffusion de flux 92 Partie restante 94 Entrée 96 Sortie 97 Surface extérieure 98 Surface d'arête 130 Structure d'échappement 190 Moyen de diffusion de flux 198 Arête rayonnée REVENDICATIONS1. Dispositif d'échappement pour turbine (10), comportant : une enveloppe intérieure (16) de turbine comprenant une pluralité d'ailettes (32) de dernier étage, un flux de vapeur passant dans l'enveloppe intérieure (16) de turbine et sortant de la pluralité d'ailettes (32) de dernier étage ; un condenseur (22) destiné à recevoir le flux de vapeur ; une structure d'échappement (30) comprenant : un diffuseur (40) pour guider le flux de vapeur afin qu'il sorte de la pluralité d'ailettes (32) de dernier étage de l'enveloppe intérieure (16) de turbine ; une section inférieure (54) ayant une section d'échappement (74), la section inférieure (54) recevant le flux de vapeur issu de la pluralité d'ailettes (32) de dernier étage de l'enveloppe intérieure (16) de turbine via le diffuseur (40) et guidant la vapeur pour la faire sortir de la section d'échappement (74) globalement en direction du condenseur (22) ; une section supérieure (56) ayant une section de réception (70) et une section de guidage (72), la section de réception (70) recevant le flux de vapeur issu de la pluralité d'ailettes (32) de dernier étage de l'enveloppe intérieure (16) de turbine via le diffuseur (40), et la section de guidage (72) étant orientée globalement radialement vers l'extérieur depuis un axe central de la turbine (10) et étant en communication fluidique avec la section de réception (70), et la section d'échappement (74) de la section inférieure (54) étant en communication fluidique avec la section de guidage (72) pour guider le flux de vapeur afin de le faire entrer dans le condenseur (22) ; et un cône porteur (44) placé sur l'axe central de la turbine (10) et définissant partiellement la veine d'écoulement de vapeur dans la section inférieure (54) et la section supérieure (56). 2. Dispositif d'échappement selon la revendication 1, dans lequel la structure d'échappement (30) est fixée à une extrémité aval de l'enveloppe intérieure (16) de turbine. 3. Dispositif d'échappement selon la revendication 1, comportant une pluralité de guides (46) de vapeur, le diffuseur (40) et les guides (46) de vapeur coopérant pour guider le flux de vapeur afin qu'il sorte de la pluralité d'ailettes (32) de dernier étage de l'enveloppe intérieure (16) de turbine. 4. Dispositif d'échappement selon la revendication 1, dans lequel le cône porteur (44) est placé dans la structure d'échappement (30) et définit partiellement la section inférieure (54) et la section supérieure (56). 5. Dispositif d'échappement selon la revendication 1, dans lequel la structure d'échappement (30) comprend un moyen de diffusion (90) de flux, configuré pour permettre une diffusion du flux de vapeur de l'enveloppe intérieure de turbine en direction de la section d'échappement. 6. Dispositif d'échappement selon la revendication 5, dans lequel le moyen de diffusion (90) de flux présente une hauteur axiale (H) mesurable entre une paroi d'extrémité (58) de la structure d'échappement (30) et une surface extérieure (97) de la structure d'échappement (30) opposée à la première surface. 7. Dispositif d'échappement selon la revendication 6, dans lequel la hauteur (H) est ajustable en fonction des besoins du système de la turbine (10). 8. Dispositif d'échappement selon la revendication 7, dans lequel le moyen de diffusion de flux est configuré de manière à ce qu'une augmentation de la hauteur ait pour effet une plus grande Section Efficace de Sortie (SES), la SES étant définie comme le rapport entre une section d'entrée (94) de la structure d'échappement (30) et une section de sortie (96) de la structure d'échappement (30). 9. Dispositif d'échappement selon la revendication 1, dans lequel une partie d'une surface extérieure (97) de la structure d'échappement (130) comprend une arête rayonnée (198), et dans lequel l'arête (198) rayonnée extérieurement correspond à une portion rayonnée d'une paroi intérieure de la structure d'échappement (130). 10. Dispositif d'échappement selon la revendication 1, dans lequel la turbine (10) est une turbine à vapeur (10) à double flux.