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PERFECTIONNEMENTS DANS LA FABRICATION D'AUBES CONVENANT AUX TURBINES A VAPEUR. COMPRESSEURS ET AUTRES APPAREILS SEMBLABLES
L'invention se rapporte à la fabrication d'aubes convenant aux turbines à vapeur, compresseurs et autres appareils semblables, désignées généralement comme aubes ou aubages de turbines.
Dans de telles applications, les aubes du rotor sont, dans certains cas, exposées à des forces centrifuges très puissantes et on a proposé de réduire les efforts résultant sur les aubes et les rotors par l'emploi d'aubes creuses.
Avec le même objet de réduire les poids, des aubes pleines ont été quelquefois effilées sur toute ou une partie de leur lon- gueur, dans la direction de la racine vers la pointe, de telles aubes effilées n'étant ordinairement utilisées que vers le bout basse-pression de la turbine où les vitesses périphérales attei- gnent leur maximum.
On a proposé aussi de pourvoir d'aubes creuses, soit du type pour rotor ou pour stator, en vue de la nécessité de purger.
Pour autant que nous en savons, dans toutes propositions pareilles, entrainant l'emploi d'aubes courbes, ou bien une aube
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pleine était pourvue d'un creux entaillé à la machine, ou bien l'aube était construite en tôle métallique et les joints étaient obtenus par soudure ou autrement. Ces deux méthodes de formation d'aubes creuses, cependant, se sont montrées peu satisfaisantes en pratique, et le but principal de la présente invention est de four- nir des procédés perfectionnés pour la fabrication d'aubes creuses qui seront exemptes de pareilles objections.
Dans ce but:
La présente invention se résume en un procédé de fabrication d'aubes de turbines du genre indiqué, qui consiste en une déforma- tion appropriée d'une ébauche tubulaire sans joint, avec ou sans racine inté grale.
L'invention consiste aussi en un procédé de fabrication d'aubes de turbines, comme exposé dans le paragraphe précédent, dans lequel l'ébauche tubulaire après avoir été rempli d'un corps résis- tant est étirée longitudinalement, comme dans un procédé de laminage.
L'invention comprend de plus, dans une forme modifiée du procédé suivant la présente invention, l'emploi d'un tube servant d'ébauche d'aube et préférablement de section circulaire, lequel est déformé jusqu'à prendre la forme de l'aube finie par compressicn latérale sans allongement substantiel.
L'invention comprend encore les procédés perfectionnés de fabrication d'ébauches et d'aubes avec racines intégrales ; des ébauches d'aubes avec racines intégrales et l'aubage creux sans soudure ainsi produit, soit parallèle ou à effilage interne ou externe, comme décrits ou indiqués ci-dessous.
En se reportant aux dessins ci-joints qui forment partie de la spécification et sont de nature diagrammatique,
La figure 1 indique en perspective une forme d'appareil pour produire une aube creuse à l'aide d'un poinçon et d'une matrice.
La figure 2 indique une vue perspective similaire de l'ébau- che creuse résultante.
La figure 3 donne une vue perspective d'une forme d'ébauche d'aube pleine, avant qu'on lui ait donné une forme creuse.
La figure 3a donne une vue en bout de l'ébauche, avec deux
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trous forés suivant la longueur, dans la partie qui donne la forme à l'aube.
La figure 3b donne une vue semblable qui montre l'addition d'un troisième trou et
La figure 3c est une vue semblable montrant la forme finale du trou dans la partie de l'ébauche formant l'aube, tandis que
La figure 4 représente une coupe longitudinale correspondante de l'ébauche produite.
La figure 5 montre une coupe longitudinale d'une ébauche tubu- laire remplie de matière résistante.
La figure 6 montre, en élévation extérieure, une ébauche tubu- laire remplie, sur le point d'être passée entre deux cylindres à cannelures interrompues, la figure 7 étant une coupe transversale entre les surfaces profilées des cylindres.
La figure 8 montre en élévation une aube creuse tubulaire, d'une pièce avec sa racine, la figure 8a étant une vue correspondante en bout.
La figure 9 montre une forme de poinçon effilé.
Là figure 10 montre une élévation en coupe longitudinale d'une forme d'ébauche avec murailles amincissantes vers le haut, la figu- re 10a étant une vue correspondante en bout de la partie formant aube de l'ébauche.
La figure 11 donne une élévation en coupe longitudinale d'une aube creuse d'une pièce avec sa racine, l'aube proprement dite étant pa- rallèle extérieurement avec des murs d'une épaisseur décroissante depuis la racine jusqu'au sommet, les figures lla et llb étant des coupes correspondantes sur les lignes A-B et C-D de la figure 11.
La figure 12 indique une ébauche creuse évasée avec murailles d'épaisseur uniforme.
La figure 13 représente une élévation en coupe longitudinale d'une aube creuse, d'une pièce avec sa racine, l'aube proprement dite étant parallèle intérieurement avec des murs d'épaisseur décroissante depuis la racine jusqu'au sommet, les figures 13a et 13b étant des coupes correspondantes respectivement sur les lignes E-F et G-H de la figure 13.
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La figure 14 montre une vue d'extrémité de la partie formant aube, d'une ébauche dans laquelle le creux est déplacé vers un côté.
La figure 15 représente une coupe transversale de l'aube résul- tante.
La figure 16 montre une vue en bout de la partie formant aube d'une billette, dans laquelle la longueur du creux rectangulaire comme vue en coupe est relativement réduite.
La figure 17 montre une coupe transversale de l'aube résultante avec du métal extra sur les arêtes.
La figure 18 donne une coupe longitudinale d'une ébauche creuse dans laquelle le creux traverse à la fois les parties formant l'aube et la racine de l'ébauche.
La figure 19 donne une vue semblable d'une ébauche d'aube dans la partie formant racine est allégée au moyen d'un trou axial et la figure 20, une vue en perspective, dont le trou allégeant est percé transversalement. une coupe, une coupe La figure 21 indique en travers d'une aube creuse pourvue d'une nervure transversale de métal, agissant comme raidisseur.
La figure 22 montre une élévation en coupe d'une ébauche circu- laire de forme tubulaire, remplie et bouchée.
La figure 23 donne une vue correspondante sur bout.
La figure 24 donne une vue en élévation longitudinale d'une longueur d'aubage creuse sans racine, la figure 24a étant une vue correspondante en coupe transversale.
La figure 25 montre en élévation longitudinale la vue d'une ébauche d'aube ayant une racine venue d'une pièce, dans laquelle la partie creuse formant aube est circulaire.
La figure 26 est une section transversale correspondante sur la ligne J-K de la figure 25.
La figure 27 est une vue en bout et la figure 28 une vue de côté correspondante d'un cylindre et d'une matrice co-actifs, convenant pour la compression latérale d'un tube étiré.
La figure 29 donne une coupe transversale d'un tronçon du ruban résultant d'aubes creuses.
La figure 30, une élévation extérieure d'une longueur de feuille
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d'aubage, soudée à l'une des faces de sa racine.
La figure 31 montre une vue correspondante dans laquelle la ra- cine est pourvue d'un bouchon s'ajustant dans le creux de l'aube, tandis que finalement, la figure 32 donne une vue extérieure d'une longueur de feuille d'aubage dont la racine est assujettie entre des sections, la figure 33 étant une section transversale sur la ligne M-N de la figure 32.
On fait usage de préférence, dans les figures, des mêmes symboles de référence pour désigner des pièces correspondantes.
Dans l'exécution de l'invention suivant une forme applicable aux aubes d'une turbine à vapeur à réaction, une ébauche est formée A.
(fig.l) ayant une partie formant aube 2 de section rectangulaire et une partie élargie latéralement pour former la racine 3, y attenant d'une pièce, de telles parties formant aubes et racines étant reliées par un filet 4, de l'espèce décrite dans la spécification britannique du brevet n 306182.
Cette ébauche peut être très commodément pressée à chaud en par- tant d'une billette rectangulaire, d'accord avec le procédé décrit . dans la spécification provisoire accompagnant la demande pour le brevet britannique n 8871, de même date que celle de la présente.-
Suivant une méthode de procédé, l'ébauche A, ainsi formée et à une température convenable, est tenue d'une façon appropriée dans une matrice en plusieurs parties B, la partie formant aube 2 étant renfermée dans une cavité allongée 5, dans la matrice ou moule de coupe transversale semblable et un poinçon façonneur C, également de coupe rectangulaire, dont les coins peuvent être arrondis, est forcé longitudinalement dans la partie formant aube 2 de l'ébauche A d'une extrémité avec les côtés des deux rectangles approximativement para- llèles;
le métal de la billette est ainsi forcé par une action expul- sive de s'introduire dans l'espace.annulaire entre le poinçon C et le moule B, allongeant ainsi la partie formant aube de l'ébauche A jusqu'à la longueur 2a (voir fig. 2) en lui donnant un creux 6, de tubulaire sorte que la partie formant aube 2a a une forme/préliminaire sur une longueur voulue.
L'ébauche creuse prend la forme D, montrée dans la figure 2.
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Suivant un autre procédé de fabrication, une ébauche pleine E, ayant la forme indiquée dans la figure 3, est préparée avec une partie formant aube 2b de la longueur requise; un trou 6a (voir fig. 3c) de la forme exigée, est alors formé longitudinalement dans la-partie formant aube 2b de l'ébauche E en forant deux trous 7 et 8 (voir fig. 3a) en pourvoyant ces trous de bouchons 7a et 8a et en forant un trou intermédiaire 9 (voir fige 3b); un trou de forme irrégulière est ainsi produit, qui peut recevoir sa forme définitive 6a (voir fig. 3c) par des opérations de fraisage, brochage, mandrinage, poinçor nage ou par autres procédés mécaniques ou manuels.
L'ébauche creuse prend alors la forme F, montrée dans la fig.4.
Ou encore, les trois trous 7, 8 et 9 peuvent être forés pour recevoir des pivots taraudés,de plus petits trous-guides étant d'abord forés aux centres appropriés.
Pour donner la coupe transversale désirable à la partie formant aube de l'ébauche creuse produite par l'une ou l'autre des méthodes ci-dessus (ou par toute autre méthode convenable), le creux 6 ou 6a est rempli d'une matière résistante 10, une section longitudinale à travers l'ébauche remplie G étant représentée en figure 5 et la partie remplie 2c de l'ébauche est allongée jusqu'à devenir une aube droite de coupe transversale uniforme, en la passant entre des cy- lindres ou matrices 12, 13, de préférence du même diamètre (voir fig. 6) ayant des intervalles dans la périphérie 12a et 13a pour la réception de la racine 3 d'une aube, le restant de la périphérie étant profilé (voir fig. 7) pour donner la section transversale voulue à l'aube.
Ou, on peut faire usage du procédé décrit dans la spécification du brevet britannique n 168. 636.
Avant que cette opération d'extension ne soit commencée, la tige 2c de l'ébauche peut, dans certains cas, être courbée latérale- ment, comme décrit dans la spécification du brevet britannique n 289.967.
La matière de remplissage 10 est alors enlevée pour donner comme résultat final du procédé (sans tenir compte de tout procédé de finissage, par exemple: meulage, polissage ou finissage à la
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machine comme indiqué ci-après) une aube avec racine H (voir fig.8), l'aube creuse proprement dite étant de la section transversale con- venable de réaction avec des parois 2d, 2e, d'une épaisseur suffisam- ment uniforme et d'une pièce avec sa racine 3.
Si l'aube est en acier inoxydable, qui est laminé à une tempé- rature d'environ 950 c et qui fond aux environs de 1500 c on peut très bien se servir de cuivre comme matière de remplissage, ce métal ayant un point de'fusion d'environ 1085 c de sorte qu'on peut promptement l'évacuer en soumettant l'aube remplie à une tempéra- ture d'environ 1100 c
En effilant le premier poinçon de la figure 1 dans les deux directions, si c'est nécessaire, comme en J (Fig.9), on verra que l'épaisseur des parois de l'ébauche qui en résulte K (fig.10) et de l'aube finie L (fig.ll) diminue graduellement de la racine au sommet, la forme extérieure de l'aube étant maintenue parallèle.
Ou. alternativement, une ébauche F avec trou parallèle 6a peut être formée comme décrit en ce qui concerne la figure 4 et un mandrin conique forcé dans le trou, de manière à faire évaser la partie for- mant aube de cette ébauche et à lui donner la forme M, montrée dans la figure 12; l'ébauche évasée M est alors forgée ou finie extérieu- rement à la machine, pour rétablir la forme parallèle extérieure et laisser intérieurement un trou cônique, comme indiqué en K (fig.10).
Tandis que le poids de l'aube est ainsi réduit avec une diminu- tion correspondante dans les efforts du rotor et des racines, la forme parallèle extérieure donne un passage à la vapeur entre les aubes, qui est très supérieur à celui obtenu avec les aubes pleines effilées extérieurement, de sorte que le rendement de l'aubage est amélioré.
Avec des vitesses supérieures aux sommets des aubes, il peut être nécessaire, dans certains cas, d'effiler les aubes extérieure- ment, ce résultat étant obtenu suivant une des formes, en préparant une aube creuse avec des parois relativement épaisses, telles qu'en F (fig. 4), de section transversale parallèle (ou effilée), de la manière décrite plus haut et en donnant ensuite à la machine', à la face concave et ou à la face convexe, ou aux deux faces, la forme
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extérieure effilée qu'on désire obtenir (voir aube N fig.13).
La disposition du métal dans l'aube dreuse finie peut être réglée en faisant varier la position et les proportions du creux dans l'ébauche de toute façon désirée.
Par exemple, en arrangeant le creux 6a dans la partie formant aube de l'ébauche (voir fig.l4) plus près d'un côté du rectangle de façon à prévoir une paroi épaisse 2f et une paroi mince 2g, les parois correspondantes 2h, 21 de l'aube qui en résulte 0 peu- vent recevoir des épaisseurs différentes comme montrées (voir fig.15)
Ou encore, dans le but de renforcer le mince bord extérieur de l'aube, et ou :
pour assurer une attache solide pour des boucliers contre l'érosion, si on les adapte sur les bords conduc- teurs, il peut être désirable de réduire la longueur du trou rec- tangulaire comme vue en section transversale (voir fig.16) relative- ment à celle de l'ébauche, de façon à prévoir un surcroit de métal 2k, pour la formation des bords d'une pièce, conducteurs et dééchap- pement 2m de l'aube résultante P.
Dans tous les procédés décrits, le trou axial 6 de l'ébauche peut en certains cas, passer non seulement à travers la partie for- mant aube 2, mais aussi à travers la partie formant racine 3 de l'ébauche Q (voir fig.18), ou alternativement, ou additionnellement, la dernière peut être allégée par l'enlèvement de métal par toute méthode convenable, telle que le forage de trous,soit axialement, soit transversalement, rainures, fraisage, creux etc.. Ainsi la figure 19 montre une ébauche R, dans laquelle deux trous axiâls d'allègement 3a sont indiqués dans la racine, tandis qu'en fig.20, la racine de l'ébauche S est allégée par un trou transversal 3b,
L'allégement de la racine peut être effectué soit avant soit après l'extension de la partie de l'ébauche formant aube.
Dans maintes formes de l'invention décrite, au lieu de percer un seul trou longitudinal, rectangulaire, circulaire ou autre dans l'ébauche, deux ou un plus grand nombre de trous parallèles ou co- niques, tels que 7 et 8 (fig.3a) peuvent être creusés à une profon- deur voulue, ou alternativement, deux ou un plus grand nombre de trous à la base peuvent se confondre en un seul au sommet.
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Suivant ce plan, une ou plusieurs nervures de métal 2n, dont on peut faire décroitre l'épaisseur depuis la racine jusqu'au sommet, s'étendront transversalement de la paroi convexe à la paroi concave de l'aube résultante T (voir fig.21) et serviront de raidisseurs effectifs.
Avec de tels procédés, on voit que l'épaisseur de chaque paroi de l'aube creuse résultante peut être rendue substantiellement uni- . forme, quoique l'épaisseur du côté concave et celle du côté convexe peuvent différer. De même, les épaisseurs peuvent varier sur toute longueur désirée de l'aube, par décroissement dans la direction .de la racine au sommet, l'une quelconque de ces formes étant obte- nue aisément, soit en formant l'ébauche avec un trou effilé, soit par un travail externe à la machine de la surface de l'aube, soit par une combinaison de ces deux méthodes.
Des aubes parallèles avec des parois d'une épaisseur uniforme peuvent encore être finies extérieurement à la machine.
Des aubes de turbine creuses, fabriquées comme décrit ci-dessus, ont toutes les caractéristiques désirables dans les aubes de rotor d'une turbine à vapeur marchant à de grandes vitesses périphériques, puisque l'aube proprement dite tient intégralement à sa racine, cette dernière qui est la partie soumise aux efforts les plus élevés étant d'une pièce, tandis qu'en vertu de la formation creuse de l'aube, le poids en est fortement réduit comparativement à celui d'une aube pleine du même contour extérieur et, conséquemment, les efforts sur la racine et sur le rotor de la turbine sont réduits dans une mesure correspondante.
Suivant une autre partie de l'invention, les aubes creuses sont fabriquées en longues barres de profil uniforme, par exemple la section à réaction, et découpées en longueurs appropriées pour former les aubes mêmes.
De pareilles aubes en barres, suivant une forme, sont produites en partant d'une billette circulaire U (fig.22-23), à travers la- quelle un trou axial 14 a été foré concentriquement (ou excentrique- ment). Le trou 14 est alors rempli de cuivre ou toute autre matière 15, qui peut être retenue en place par un bouchon 16, la billette
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composée étant ramenée à une section rectangulaire par laminage ou pressage dans des directions alternativement à angles droits.
La billette rectangulaire ainsi formée avec le même noyau à profil plus ou moins rectangulaire convenablement rempli, est alors passée entre des cylindres profilés pour lui donner la section re- quise et la matière de remplissage enlevée, pour lui donner une longueur d'aubage creuse V, comme montrée dans les figures 24 et 24a.
Alternativement une longueur d'aubage peut être laminée direc- tement d'une billette de section transversale circulaire, sans réduction préalable à la forme rectangulaire.
L'aubage en barres ainsi produit peut avoir des parois d'une épaisseur suffisamment uniforme avec beaucoup de métal disponible pour former les bords d'admission ou d'échappement, ou l'épaisseur des deux parois peut différer comme déjà expliqué.
De tels aubages en barres peuvent aussi être formés avec des dispositifs de renforcement transversal comme décrit plus haut.
Une méthode semblable de fabrication peut être appliquée dans le cas d'une ébauche ayant une partie creuse formant racine et une racine intégrale. Ainsi l'aube W (voir fig. 25 et 26) comprend une racine 17 et une partie tubulaire, à section circulaire, formant aube, ayant des parois 18 et un creux 19 placé excentriquement.
Comme décrit ci-dessus, la partie formant aube d'une telle ébauche peut être ramenée à une section transversale sensiblement rectangu- laire et ensuite allongée pour donner la section transversale dési- rée, par tout moyen convenable, ou l'aube peut être allongée direc- tement en partant de l'ébauche de section circulaire.
Suivant une méthode modifiée pour fabriquer les aubages en barre, un tube étiré d'une pièce 20 (voir fig. 27) de section trans- versale circulaire est soumis à une compression latérale.
Suivant une méthode, une matrice 21 (voir fig.27 et 28) de lon- gueur considérable et correspondant, disons à la face convexe de l'aube, est prévue; cette matrice co-opère avec un rouleau, profilé de façon à conformer avec la face concave requise pour l'aube.
La matrice 21 et le rouleau 22 sont alors mis en mouvement relatif dans une direction longitudinale, les deux parties se rap-
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-prochant graduellement jusqu'à ce qu'un degré suffisant de compres- sion latérale ait été effectué pour donner la section transversale de l'aube désirée (voir fig. 29).
En général dans ce procédé, aucun remplissage n'est requis, mais les dimensions du tube étiré d'une pièce doivent être déter- minées d'avance avec précision, de façon à remplir exactement la matrice lors de l'opération finale, la compression au delà de cette limite pouvant donner lieu à des bouclages ou autres irrégularités.
Suivant une méthode modifiée, le tube étiré d'une pièce peut être rempli d'une matière convenable, quelquefois d'une nature plastique et passé en grandes longueurs entre des cylindres profilés pour donner la section transversale nécessaire, le remplissage maté- riel étant subséquemment enlevé et le tube creux taillé à des lon- gueurs d'aube convenables.
Dans les deux méthodes décrites, on s'apercevra que l'ébauche est comprimée latéralement, sans extension longitudinale ou avec une extension qu'on peut négliger.
Il est désirable, quelle que soit la méthode adoptée pour la compression latérale, que la courbure transversale de la partie de l'ébauche qui devra former la face convexe de l'aube, soit plus forte que celle de l'aube finie, de façon que l'aire de contact entre l'ébauche et la matrice, qui d'abord sera le long d'une bande étroite longitudinale, s'élargisse latéralement avec le progrès de l'opération de compression.
Une autre partie de cette invention se rapporte aux méthodes d'attache de telles aubes en barreaux creux à leurs racines.
Suivant un certain plan, une longueur d'aube creuse X (comme en fig..24) est fixée à sa racine 23, par un procédé de soudure par rapprochement la longueur. d'aube, ou bien aboutissant contre une face 23a de la racine (voir fig.30) ou la racine 23 étant formée avec un bouchon en saillie 23b pour s'ajuster dans le creux de l'aube (voir fig.31).
Suivant une autre méthode (voir fig. 32 et 33), des sections de racines 24, 25 sont prévues ou bien sur le côté concave,convçxe ou sur les deux faces de,l'aube creuse, avec ou sans bouchon cen-
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-tral 26, ajusté dans l'aube à l'extrémité de la racine. Les parties ainsi assemblées peuvent être alors soudées ou brasées par tout pro- cédé convenable.
Là où des cannelures, telles que 27, sont pourvues pour fixer les racines au rotor ou stator, de telles cannelures passent à tra- vers les deux parois de l'aube ou à travers au moins les bords pleins de celle-ci et, de plus, traversent la section ou les sec- tions 24,25 et le bouchon 26.
La matière de remplissage peut être un métal avec un point de , fusion plus bas que celui du métal de l'aube, de sorte que lorsque le laminage est terminé, on peut faire sortir le noyau par fusion.
Le cuivre a été trouvé convenable et commode en conjonction avec le métal ordinaire pour les aubes, à savoir l'acier inoxydable, parce que son point de fusion est au-dessus de la température de laminage, mais en dessous de celle du fusion du métal à aubes.
D'autres métaux ou alliages peuvent, cependant, être utilisés de la même façon.
Alternativement le métal de remplissage peut être une substance non métallique, telle que du sable, ou du sable mélangé à une huile convenable, qui peut être désintégrée pour qu'on l'enlève de l'aube laminée. Avec ce type de remplissage, les extrémités de l'ébauche creuse doivent être bouchées avec du cuivre ou autre matière sem- blable pour retenir la matière pendant le procédé de laminage décrit ci-dessus.
Quand les aubes creuses sont utilisées pour l'échappement des particules d'eau tenues en suspens dans la vapeur, des perforations peuvent être faites à travers leurs parois à des points appropriés.
Des aubes faites suivant les conditions de la présente inven- tion, peuvent comme il en a déjà été question, recevoir une légère torsion autour d'un axe longitudinal ou à peu près,.préférablement avant de retirer la matière de remplissage, s'il en existe.
Il est bien entendu que les méthodes illustratives de fabrica- tion d'aubages creuses décrites ci-dessus, ne sont pas restreintes à des aubes du type à réaction, mais sont également applicables aux @ aubes à impulsion ou autre type ou aux vannes utilisées dans les
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ajutages de diaphragmes des turbines à impulsion, les aubes creuses ou vannes différant d'autres proposées antérieurement en ce qu'elles sont sans soudure, tandis qu'en même temps, l'épaisseur de chaque 'paroi pour toute section transversale donnée peut être rendue subs- tantiellement uniforme, ou réglée comme épaisseur au point voulu.