EP0457240B1 - Etage de turbomachine avec pertes secondaires réduites - Google Patents

Etage de turbomachine avec pertes secondaires réduites Download PDF

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EP0457240B1
EP0457240B1 EP91107716A EP91107716A EP0457240B1 EP 0457240 B1 EP0457240 B1 EP 0457240B1 EP 91107716 A EP91107716 A EP 91107716A EP 91107716 A EP91107716 A EP 91107716A EP 0457240 B1 EP0457240 B1 EP 0457240B1
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turbine
disc
blades
diaphragm
orifices
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François Detanne
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GEC Alsthom SA
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01D—NON-POSITIVE DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, e.g. STEAM TURBINES
    • F01D5/00—Blades; Blade-carrying members; Heating, heat-insulating, cooling or antivibration means on the blades or the members
    • F01D5/12—Blades
    • F01D5/14—Form or construction
    • F01D5/141—Shape, i.e. outer, aerodynamic form
    • F01D5/145—Means for influencing boundary layers or secondary circulations
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01D—NON-POSITIVE DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, e.g. STEAM TURBINES
    • F01D1/00—Non-positive-displacement machines or engines, e.g. steam turbines
    • F01D1/02—Non-positive-displacement machines or engines, e.g. steam turbines with stationary working-fluid guiding means and bladed or like rotor, e.g. multi-bladed impulse steam turbines
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y10—TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC
    • Y10S—TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y10S415/00—Rotary kinetic fluid motors or pumps
    • Y10S415/914—Device to control boundary layer

Definitions

  • the present invention relates to a turbine stage comprising a grid of fixed blades integral with the stator of the turbine supporting a diaphragm followed by a grid of mobile blades mounted on a disc integral with the rotor of the turbine, said grid of mobile blades comprising at its top a seal made up of several chambers.
  • the disc has suction openings opening into the space between the diaphragm and the disc and arranged in the vicinity of the peripheral part of the disc.
  • the suction openings are connected by channels drilled in the disc to outlet openings opening at the top of the disc carrying the moving blades, downstream of these blades.
  • the stage, according to the invention, making it possible to improve them, is characterized in that said suction orifices are connected by pipes passing through at least certain movable blades to outlet ports opening at the top of these blades at downstream of the seal or in a chamber thereof.
  • the pressure difference between suction and outlet ports results from the effect of centrifugal force, which still exists, while the pressure difference between upstream and downstream side of the disc can cancel in the case of an action turbine, making the operation of the stage described in JP-B 14161/85 inoperative.
  • the suction ports are preferably connected by a continuous circumferential groove formed in the disc supporting the movable blades.
  • the ordinary action turbine stage (FIG. 1) comprises a grid 1 of fixed vanes 2 integral with the stator 3. This grid 1 supports a diaphragm 4 provided with a seal 5 facing the rotor 6 of the turbine .
  • the grid 1 is followed by a grid 7 of movable vanes 8 carried by a disc 9 integral with the rotor 6.
  • a grid 7 of movable vanes 8 carried by a disc 9 integral with the rotor 6.
  • sealing devices 10 comprising several chambers 11.
  • a leakage current 12 coming from upstream of the diaphragm 4 passes through the seal 5 and is injected at the foot of the movable blades 8.
  • This current 12 disturbs the main flow and therefore reduces the yield. This reduction is very noticeable for the vanes 8 of small elongations (ratio of their height to their chord).
  • a secondary flow 13 develops.
  • the flows 12 and 13 have the effect of developing at the foot of the movable blades 8 a secondary flow 14 responsible for a lack of work on the tree.
  • This flow 14 is all the thicker as the incident flows 12 and 13 are thick.
  • the disc 9 In the vicinity of the peripheral part of the disc 9 opposite the diaphragm 4 of the grid of fixed vanes 1 above, the disc 9 is provided with a circumferential groove 15 into which open suction orifices 16 at least on part of their diameter.
  • the continuous circumferential groove 15 connecting the parts closest to the axis of the rotor of the orifices 16 has the function of homogenizing the different tangential speeds of the flows 12 and 13.
  • the pumping achieved thanks to the work of the centrifugal force between the rays R1 and R2 is of course resistant, but the overall result is positive due to the significant reduction in secondary losses and the improvement in flow which results in particular in the veins of low heights.
  • This pumping is particularly useful in action turbines in which the pressures on either side of the disc are equal.
  • the orifice 18 is shown opening out downstream of the sealing device 10, but the latter could open out into one of the chambers 11 of this device 10.

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Description

  • La présente invention concerne un étage de turbine comportant une grille d'aubes fixes solidaire du stator de la turbine supportant un diaphragme suivi d'une grille d'aubes mobiles montée sur un disque solidaire du rotor de la turbine, ladite grille d'aubes mobiles comportant à son sommet une garniture d'étanchéité constituée de plusieurs chambres.
  • Le disque comporte des orifices d'aspiration débouchant dans l'espace entre le diaphragme et le disque et disposés au voisinage de la partie périphérique du disque.
  • Un tel étage est décrit dans la publication japonaise JP-B 14161/85 ainsi que dans le document FR-A-2 438 157.
  • Dans l'étage décrit, les orifices d'aspiration sont reliés par des canaux forés dans le disque à des orifices de sortie débouchant au sommet du disque portant les aubes mobiles, en aval de ces aubes.
  • Dans cet étage, on cherche à diminuer les pertes secondaires de l'écoulement fluide dans les canaux mobiles, dans la région du pied d'ailette. Cela consiste à aspirer d'une part, une partie du débit de fuite passant entre diaphragme et rotor afin qu'il ne vienne pas perturber la veine de fluide aux pieds des aubes mobiles et, d'autre part, à aspirer une partie de cette veine fluide provenant des aubes fixes, au niveau des pieds des aubes mobiles, qui est également perturbée, pour éviter qu'il n'entre dans les canaux mobiles des couches fluides à faible énergie.
  • Toutefois, dans l'étage décrit ces aspirations sont imparfaites. L'étage, selon l'invention, permettant de les améliorer est caractérisé en ce que lesdits orifices d'aspiration sont reliés par des canalisations traversant au moins certaines aubes mobiles jusqu'à des orifices de sortie débouchant au sommet de ces aubes à l'aval de la garniture d'étanchéité ou dans une chambre de celle-ci.
  • Dans l'étage, selon l'invention, la différence de pression entre orifices d'aspiration et orifices de sortie résulte de l'effet de la force centrifuge, qui existe toujours, alors que la différence de pression entre face amont et aval du disque peut s'annuler dans le cas de turbine à action, rendant inopérant le fonctionnement de l'étage décrit dans JP-B 14161/85.
  • Les orifices d'aspiration sont de préférence reliés par une gorge circonférentielle continue ménagée dans le disque supportant les aubes mobiles.
  • La présente invention sera mieux comprise à la lumière de la description qui va suivre et des dessins annexés dans lesquels:
    • La figure 1 représente un étage de turbine ordinaire.
    • La figure 2 représente l'étage de turbine selon l'invention.
    • La figure 3 représente une coupe cylindrique du rotor de la turbine de la Figure 2.
    • La figure 4 représente une vue de côté partielle du rotor de la Figure 2.
  • L'étage de turbine à action ordinaire (figure 1) comporte une grille 1 d'aubes fixes 2 solidaire du stator 3. Cette grille 1 supporte un diaphragme 4 muni d'une garniture d'étanchéité 5 en regard du rotor 6 de la turbine.
  • La grille 1 est suivie d'une grille 7 d'aubes mobiles 8 portée par un disque 9 solidaire du rotor 6. Au sommet des aubes mobiles 8 sont disposés des dispositifs d'étanchéité 10 comportant plusieurs chambres 11.
  • Un courant de fuite 12 venant de l'amont du diaphragme 4 passe à travers la garniture d'étanchéité 5 et est injecté au pied des aubes mobiles 8. Ce courant 12 vient perturber l'écoulement principal et diminuer donc le rendement. Cette diminution est très sensible pour les aubes 8 de faibles allongements (rapport de leur hauteur à leur corde). D'autre part, au voisinage du pied des aubes 1 se développe un écoulement secondaire 13.
  • Les écoulements 12 et 13 ont pour effet de développer au pied des aubes mobiles 8 un écoulement secondaire 14 responsable d'un déficit de travail sur l'arbre. Cet écoulement 14 est d'autant plus épais que les écoulements incidents 12 et 13 sont épais.
  • Dans l'étage de turbine selon l'invention (figures 2 à 4) les éléments identiques à l'étage ordinaire ont été référencés de façon identique.
  • Au voisinage de la partie périphérique du disque 9 en face du diaphragme 4 de la grille d'aubes fixes 1 précédente, le disque 9 est muni d'une gorge circonférentielle 15 dans laquelle débouchent des orifices d'aspiration 16 au moins sur une partie de leur diamètre.
  • Ces orifices sont reliés par des canalisations 17 traversant les aubes mobiles 8 à des orifices de sortie 18 débouchant à l'aval de la garniture d'étanchéité 10.
  • Une partie importante des écoulements 12 et 13 est aspirée par l'orifice 16, ce qui diminue les perturbations de la veine au pied des aubes 8 et permet ainsi un gain appréciable de rendement.
  • C'est le travail de la force centrifuge 1 2 ω² (R 2 2 - R 1 2 )
    Figure imgb0001
    Figure imgb0002
     qui crée entre l'orifice 16 d'entrée et l'orifice de sortie 18 la différence de pression propre à mettre le fluide en mouvement. Dans cette formule ω est la vitesse angulaire du disque 9;
       R₂ est la distance des orifices de sortie 18 à l'axe du rotor 6 et R₁ est la distance des orifices d'entrée 16 à l'axe.
  • On peut prévoir jusqu'à une canalisation 17 par aube mobile 8.
  • La gorge circonférentielle continue 15 reliant les parties les plus près de l'axe du rotor des orifices 16 a pour fonction d'homogénéiser les vitesses tangentielles différentes des écoulements 12 et 13.
  • Le pompage réalisé grâce au travail de la force centrifuge entre les rayons R₁ et R₂ est bien entendu résistant, mais le résultat global est positif en raison de la diminution importante des pertes secondaires et de l'amélioration de l'écoulement qui en résulte notamment dans les veines de faibles hauteurs. Ce pompage est particulièrement utile dans les turbines à action dans lesquelles les pressions de part et d'autre du disque sont égales.
  • Sur la figure 2, on a représenté l'orifice 18 débouchant en aval du dispositif d'étanchéité 10 mais celui-ci pourrait déboucher dans une des chambres 11 de ce dispositif 10.

Claims (3)

  1. Etage de turbine comportant une grille d'aubes fixes (1) solidaire du stator (3) de la turbine supportant un diaphragme suivie d'une grille d'aubes mobiles (7) montée sur un disque (9) solidaire du rotor (6) de la turbine, ladite grille d'aubes mobiles (7) comportant à son sommet une garniture d'étanchéité (10) constituée de plusieurs chambres (11), le disque (9) comportant des orifices d'aspiration (16) débouchant dans l'espace entre le diaphragme (4) et le disque (9) et disposés au voisinage de la partie périphérique du disque (9), caractérisé en ce que lesdits orifices d'aspiration (16) sont reliées par des canalisations (17) traversant au moins certaines aubes mobiles (8) jusqu'à des orifices de sortie (18) débouchant au sommet de ces aubes (8) à l'aval de la garniture d'étanchéité (10) ou dans une chambre (11) de celle-ci.
  2. Etage de turbine, selon la revendication 1, caractérisé en ce que les orifices d'aspiration (16) sont reliés par une gorge circonférentielle (15) continue ménagée dans le disque (9).
  3. Etage de turbine, selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que la turbine est à action.
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