La présente invention a trait à une turbine à flux axial.
Comme on le voit dans la fig. 1, une turbine à flux axial connue comprend généralement un ensemble d'ailettes fixes, chacune d'entre elles étant fixée aux deux extrémités, d'une part à un anneau extérieur 2 solidaire d'un bâti 1, d'autre part à un anneau intérieur 3. Elle comporte en outre des ailettes mobiles fixées à un rotor 6 monté sur un arbre rotatif 5. On peut disposer axialement plusieurs rangées d'ailettes fixes et mobiles formant ainsi plusieurs étages. Le fluide moteur, vapeur ou gaz de combustion s'écoule principalement dans la direction axiale, dans le passage annulaire compris entre les anneaux intérieurs 3 et extérieurs 2; la plus grande partie de ce fluide passe à travers la rangée d'ailettes fixes 4 où il prend une direction déterminée et passe ensuite à travers les ailettes mobiles en leur imprimant un mouvement rotatif avant de passer à l'étage suivant.
Cependant, une petite partie du fluide moteur s'échappe en passant par les interstices radiaux 9 et 10 existant entre le rotor 6 et les anneaux intérieurs 3 ainsi qu'entre les extrémités des ailettes 7 et les anneaux extérieurs 2. Les interstices 9 sont relativement petits: à cet endroit le diamètre et la vitesse circonférentielle du rotor sont relativement faibles. Par contre, les interstices 10 délimités par les ailettes mobiles 7 et les anneaux extérieurs du boîtier 2 sont assez grands en diamètre; il en est de même pour la vitesse circonférentielle à cet endroit; en raison de la force centrifuge créée par la rotation et de l'élongation des ailettes mobiles 7 provoquée par l'échauffement, ces interstices 10 ne peuvent être réduits au-delÅa d'une certaine valeur.
Le fluide s'échappant dans ces interstices 9 et 10 ne contribue pas à faire tourner la turbine et est un facteur de perte d'énergie.
S'il se trouve un interstice à l'extrémité d'une ailette mobile, le tourbillon créé autour du profil de l'ailette mobile va se transformer en tourbillon marginal qui pourra quitter l'extrémité de l'ailette en provoquant une réduction du travail effectué par l'ailette. La perte d'énergie provoquée par les interstices 10 entre les ailettes mobiles 7 et les anneaux extérieurs 2 du boîtier affecte de manière importante le rendement de la turbine.
C'est pourquoi, pour minimaliser les interstices situés à l'extrémité de chaque ailette mobile 7 sans toutefois permettre un contact entre cette extrémité et l'anneau extérieur 2 du boîtier, on a tenté de monter une couronne 11 autour des ailettes 7 et de munir la surface interne des anneaux extérieurs 2, faisant face à cette couronne 11, de plusieurs rangées d'anneaux 12 en forme d'aileron, de telle sorte qu'il y ait un petit espace entre la couronne 1 1 et l'anneau 12. Avec ce dispositif, il est possible d'éviter des pertes par tourbillons à l'extrémité de chaque ailette. Par contre, il se pose alors un problème de résistance dynamique et de perte de courant secondaire provoqué par la présence de la couronne 11.
Dans les turbines où la vitesse des extrémités des ailettes est grande, par exemple les turbines à vapeur à étages de basse pression munie de longues ailettes ou des turbines à compresseur, ces couronnes 11 pourraient devenir une sérieuse entrave à l'augmentation des forces centrifuges. En outre, dans les turbines où on ne prend pas en considération l'influence des courants de fuite, qu'elles soient munies de couronnes ou non, le courant périphérique passant à travers les ailettes mobiles est inévitablement dévié dans une position où le rayon est plus grand que celui prévu théoriquement.
Ceci provoque une augmentation du pourcentage de fuite aux extrémités des ailettes où il se produit une perte d'énergie relativement grande; I'augmentation des fuites et l'influence de ces courants de fuite provoque une diminution considérable du rendement de la turbine.
La présente invention se propose d'éviter ces inconvénients en prévoyant une turbine caractérisée en ce qu'elle comprend des ailettes fixes, chacune d'entre elles ayant une torsion telle que l'angle d'émersion diminue progressivement et de manière continue à partir d'un point situé approximativement à mi-longueur, de l'ailette jusqu'à l'extrémité de l'ailette.
Dans ce qui suit une forme d'exécution de l'invention est décrite en détail en se référant au dessin où:
La fig. 1 est une vue en coupe d'une turbine connue.
La fig. 2 montre une vue en perspective agrandie et une vue prise de l'extrémité d'une ailette fixe selon l'invention; les indices a, b, c et d repèrent des sections prises à la base, au quart.
au demi, aux trois quarts de la hauteur d'une ailette alors que e repère la section de l'extrémité d'une ailette.
La fig. 3 montre une vue en perspective agrandie et une vue prise de l'extrémité d'une ailette mobile selon l'invention, les repères ayant la même signification que sur la fig. 2.
La fig. 4 représente les triangles de vitesse à l'entrée et à la sortie de l'ailette, à différentes hauteurs, diagrammes avec des repères ayant les significations suivantes:
C: vitesse absolue à la sortie des ailettes fixes;
W: vitesse relative à la sortie des ailettes fixes;
C': vitesse absolue à la sortie des ailettes mobiles;
W': vitesse relative à la sortie des ailettes mobiles;
U: vitesse périphérique des ailettes mobiles;
a: angle d'émersion mesuré à la sortie des ailettes fixes;
p: angle relatif d'émersion mesuré à la sortie des ailettes
mobiles.
La fig. 5 représente, en fonction de la hauteur d'une ailette, la distribution radiale de l'angle d'émersion a, des rapports P/Po et
C/z/co.
La fig. 2 montre la configuration d'une ailette fixe selon l'invention. On a donné à l'ailette 4 une torsion telle que l'angle d'émersion a (angle compris entre la direction de la vitesse absolue du fluide à la sortie d'une ailette fixe et la direction de la rotation) reste à peu prés constant jusqu'à mi-hauteur de l'ailette (à partir de la base a jusqu'à la section c), puis diminue peu à peu depuis le milieu 4c jusqu'aux trois quarts de la hauteur 4d et, enfin, diminue encore plus depuis la hauteur 4d jusqu'à l'extrémité 4e.
La variation de l'angle a (en degrés) en fonction de la hauteur d'une ailette fixe est représentée sur le graphe de gauche du diagramme 5. Le trait plein montre une ailette fixe présentant une torsion, le traitillé l'angle d'un dispositif conventionnel.
Remarquons que l'intervalle entre les ailettes augmentant de la base à l'extrémité, l'angle croît un peu avec la hauteur.
La fig. 3 montre la forme d'une ailette mobile 7 selon l'invention. Cette ailette présente une torsion de la base 7a jusqu'au milieu 7c de sa hauteur, torsion correspondant à l'augmentation de la vitesse périphérique en fonction du rayon. Du milieu de l'ailette jusqu'aux trois quarts de la hauteur, I'ailette présente une torsion inverse, c'est-à-dire qui s'oppose à celle existant entre la base 7a et la section 7c; cette torsion inverse n'est pas nécessairement répartie de façon progressive mais peut avoir un taux de variation plus grand à partir des trois quarts de la hauteur (7d jusqu'à l'extrémité 7e).
La torsion inverse permet de réduire le degré de réaction à partir de l'extrémité de l'ailette mobile; la torsion peut être prévue de manière à être opposée à celle des ailettes fixes.
La turbine peut être munie des deux sortes d'ailettes décrites ci-dessus.
La fig. 4 montre des triangles de vitesse en différents points du rayon et permet de comprendre l'intérêt de la torsion des ailettes.
On remarquera que le pourcentage de courant du fluide moteur diminue de la base a en direction de l'extrémité e à mesure que le diamètre augmente.
Le graphe au centre de la fig. 5 représente la variation du rapport P/Po (P = pression statique et Po = pression totale à la sortie d'une ailette mobile); on constate que ce rapport est plus faible, sur toute la hauteur de l'ailette, et plus particulièrement à son extrémité, que dans les dispositifs connus (traitillé). La vitesse axiale du fluide moteur (Cz à la sortie des ailettes) est considérablement réduite depuis les trois quarts de la hauteur jusqu'à l'extrémité de l'ailette mobile, par rapport aux dispositifs conventionnels (traitillé), ainsi que le montre le graphe de droite sur la fig. 5 (Co = vitesse théorique calculée à partir de l'énergie du fluide).
Ceci permet de réduire les fuites, aussi bien aux extrémités des ailettes mobiles que dans les interstices entre rotor et stator et d'augmenter le pourcentage de courant dans la partie centrale des ailettes, où les pertes par friction sont relativement réduites.
Donc, il est possible d'améliorer dans une large mesure le rendement de la turbine. De plus, étant donné la réduction des fuites dans les interstices entre le rotor et le stator, surtout aux endroits où le diamètre est grand, le dispositif selon l'invention présentera des effets favorables dans des turbines ne comportant pas d'anneau autour des ailettes mobiles.
The present invention relates to an axial flow turbine.
As seen in fig. 1, a known axial flow turbine generally comprises a set of fixed fins, each of them being fixed at both ends, on the one hand to an outer ring 2 integral with a frame 1, on the other hand to a inner ring 3. It further comprises movable fins fixed to a rotor 6 mounted on a rotary shaft 5. Several rows of fixed and movable fins can be arranged axially, thus forming several stages. The driving fluid, vapor or combustion gas flows mainly in the axial direction, in the annular passage between the inner 3 and outer 2 rings; most of this fluid passes through the row of fixed fins 4 where it takes a determined direction and then passes through the movable fins by imparting a rotary movement to them before moving on to the next stage.
However, a small part of the motive fluid escapes by passing through the radial interstices 9 and 10 existing between the rotor 6 and the inner rings 3 as well as between the ends of the fins 7 and the outer rings 2. The interstices 9 are relatively small: at this point the diameter and circumferential speed of the rotor are relatively low. On the other hand, the interstices 10 delimited by the movable fins 7 and the outer rings of the housing 2 are quite large in diameter; the same is true for the circumferential speed at this location; due to the centrifugal force created by the rotation and the elongation of the movable fins 7 caused by the heating, these interstices 10 cannot be reduced beyond a certain value.
The fluid escaping in these interstices 9 and 10 does not contribute to turning the turbine and is a factor in energy loss.
If there is a gap at the end of a movable fin, the vortex created around the profile of the movable fin will turn into a marginal vortex which can leave the end of the fin causing a reduction in work. performed by the fin. The energy loss caused by the interstices 10 between the movable fins 7 and the outer rings 2 of the housing significantly affects the efficiency of the turbine.
This is why, in order to minimize the interstices located at the end of each movable fin 7 without however allowing contact between this end and the outer ring 2 of the housing, an attempt has been made to mount a ring 11 around the fins 7 and provide the internal surface of the outer rings 2, facing this crown 11, with several rows of rings 12 in the form of a fin, so that there is a small space between the crown 1 1 and the ring 12 With this device, it is possible to avoid losses by vortices at the end of each fin. On the other hand, there then arises a problem of dynamic resistance and of secondary current loss caused by the presence of crown 11.
In turbines where the speed of the fin ends is high, for example low pressure stage steam turbines with long fins or compressor turbines, these rings 11 could become a serious hindrance to increasing centrifugal forces. In addition, in turbines where the influence of leakage currents, whether they are crowned or not, are not taken into account, the peripheral current passing through the movable fins is inevitably deflected into a position where the radius is larger than theoretically expected.
This causes an increase in the percentage of leakage at the ends of the fins where there is a relatively large loss of energy; The increase in leaks and the influence of these leakage currents causes a considerable reduction in the efficiency of the turbine.
The present invention proposes to avoid these drawbacks by providing a turbine characterized in that it comprises fixed fins, each of them having a torsion such that the emersion angle decreases progressively and continuously from 'a point approximately mid-length from the fin to the end of the fin.
In what follows an embodiment of the invention is described in detail with reference to the drawing where:
Fig. 1 is a sectional view of a known turbine.
Fig. 2 shows an enlarged perspective view and a view taken from the end of a fixed fin according to the invention; the indices a, b, c and d identify sections taken at the base, at the quarter.
half, three quarters of the height of a fin while e marks the section of the end of a fin.
Fig. 3 shows an enlarged perspective view and a view taken from the end of a movable fin according to the invention, the references having the same meaning as in FIG. 2.
Fig. 4 represents the speed triangles at the entrance and exit of the fin, at different heights, diagrams with reference marks having the following meanings:
C: absolute speed at the exit of the fixed vanes;
W: speed relative to the exit of the fixed fins;
C ': absolute speed at the exit of the mobile fins;
W ': relative speed at the exit of the mobile fins;
U: peripheral speed of the mobile fins;
a: emersion angle measured at the outlet of the fixed fins;
p: relative angle of emersion measured at the exit of the fins
mobile.
Fig. 5 represents, as a function of the height of a fin, the radial distribution of the emersion angle a, of the ratios P / Po and
C / z / co.
Fig. 2 shows the configuration of a fixed fin according to the invention. The fin 4 has been given a torsion such that the emersion angle a (angle between the direction of the absolute speed of the fluid at the outlet of a fixed fin and the direction of rotation) remains approximately constant up to mid-height of the fin (from base a to section c), then gradually decreases from mid 4c to three quarters of height 4d and, finally, further decreases more from height 4d to end 4e.
The variation of the angle α (in degrees) as a function of the height of a fixed fin is represented on the left graph of diagram 5. The solid line shows a fixed fin exhibiting a torsion, the dashed line the angle of a conventional device.
Note that the interval between the fins increasing from the base to the end, the angle increases a little with the height.
Fig. 3 shows the shape of a movable fin 7 according to the invention. This fin has a torsion from the base 7a to the middle 7c of its height, torsion corresponding to the increase in the peripheral speed as a function of the radius. From the middle of the fin up to three quarters of the height, the fin exhibits an inverse twist, that is to say which opposes that existing between the base 7a and the section 7c; this reverse twist is not necessarily distributed progressively but may have a greater rate of change from three quarters of the height (7d to the end 7e).
Reverse torsion reduces the degree of reaction from the end of the movable fin; the twist can be provided so as to be opposed to that of the fixed fins.
The turbine can be provided with the two kinds of fins described above.
Fig. 4 shows speed triangles at different points on the radius and makes it possible to understand the interest of the torsion of the fins.
Note that the percentage of current of the working fluid decreases from the base a towards the end e as the diameter increases.
The graph in the center of fig. 5 represents the variation of the P / Po ratio (P = static pressure and Po = total pressure at the outlet of a movable fin); it can be seen that this ratio is lower, over the entire height of the fin, and more particularly at its end, than in known devices (dotted). The axial speed of the working fluid (Cz at the outlet of the fins) is considerably reduced from three quarters of the height to the end of the mobile fin, compared to conventional devices (dotted), as shown in right graph in fig. 5 (Co = theoretical speed calculated from the energy of the fluid).
This makes it possible to reduce leaks, both at the ends of the mobile fins and in the interstices between rotor and stator and to increase the percentage of current in the central part of the fins, where friction losses are relatively low.
Therefore, it is possible to improve the efficiency of the turbine to a large extent. In addition, given the reduction in leaks in the interstices between the rotor and the stator, especially at places where the diameter is large, the device according to the invention will exhibit favorable effects in turbines not comprising a ring around the fins. mobile.