FR2809764A1 - Stage of an axial steam turbine, uses one blade set slightly ahead of the other blades to act as sacrificial blade, and uses hardened materials to manufacture this blade - Google Patents

Stage of an axial steam turbine, uses one blade set slightly ahead of the other blades to act as sacrificial blade, and uses hardened materials to manufacture this blade Download PDF

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Abstract

The axial steam turbine has one of the blades (10a) in each stage offset axially toward the incoming steam flow (F). This focusses the corrosion on the offset blade, reducing the corrosion of the other blades (10), which all lie in one plane. The offset blade is made of a hardened material to extend its life. In minor maintenance only the offset blade need be replaced.

Description

La présente invention concerne un étage turbine à vapeur axiale. The present invention relates to an axial steam turbine stage.

machines tournantes telles que les turbines à vapeur axiales comportent des aubes profilées montées sur des parties fixes mobiles en rota tion qui entrent contact avec un fluide traversant la machine tournante à très grande vitesse, pendant le fonctionnement de cette machine tournante. rotary machines such as axial steam turbines have profiled blades mounted on fixed parts movable in rotation which come into contact with a fluid passing through the rotary machine at very high speed, during the operation of this rotary machine.

Les aubes tournantes de ces machines comportent un bord d'at taque dirigé vers l'écoulement du fluide incident et un bord de fuite disposé vers l'arrière de l'aube en considérant le sens de circulation du fluide. The rotating vanes of these machines have a tacking edge directed towards the flow of the incident fluid and a trailing edge disposed towards the rear of the blade considering the direction of circulation of the fluid.

Dans certains-cas, les aubes tournantes sont soumises au voisi nage de leur bord d'attaque, à une forte érosion de la part du fluide en circulation. particulier dans les turbines à vapeur, les aubes du ou des derniers étages la turbine ou, étages à basse pression, sont soumises à une forte érosion, au voisinage de leur bord d'attaque, du fait que vapeur présente alors une forte humidité et transporte des gouttelettes d'eau viennent s'écra ser sur le bord d'attaque de l'aube. In certain cases, the rotating blades are subjected to the vicinity of their leading edge, to strong erosion on the part of the circulating fluid. particularly in steam turbines, the blades of the last stage (s), the turbine or, low pressure stages, are subject to strong erosion, near their leading edge, due to the fact that steam then has high humidity and transports droplets of water will crash on the leading edge of dawn.

Etant donné que la vitesse périphérique des aubes en partie haute peut dépasser 400m/s, le contact des gouttelettes d'eau avec le bord d'at taque des aubes produit un phénomène d'érosion qui se traduit par une perte de métal de ces aubes dans une partie voisine de son bord d'attaque.  Since the peripheral speed of the blades in the upper part can exceed 400m / s, the contact of the water droplets with the leading edge of the blades produces an erosion phenomenon which results in a loss of metal from these blades in a part close to its leading edge.

Ainsi, l'érosion conduit à une diminution du rendement des auba- ges et donc à une réduction significative de la puissance globale de la machine tournante. Cette érosion peut également entraîner une rupture d'une ou de plu sieurs aubes ou parties de ces aubes. Thus, erosion leads to a reduction in the efficiency of the blades and therefore to a significant reduction in the overall power of the rotating machine. This erosion can also lead to rupture of one or more blades or parts of these blades.

plus, du fait de l'usure dissymétrique des aubes de rotor des étages basse pression des turbines à vapeur, on peut observer, après un certain temps de fonctionnement des turbines, un déséquilibre de l'ensemble formant le rotor. more, due to the asymmetrical wear of the rotor blades of the low pressure stages of the steam turbines, one can observe, after a certain operating time of the turbines, an imbalance of the assembly forming the rotor.

Ce déséquilibrage a pour effet de favoriser la naissance de vibra tions entraînant des sollicitations répétées sur le rotor qui peuvent devenir dange reuses. Si de telles vibrations se produisent, on est obligé d'arrêter la tur bine et, ce fait l'installation comportant cette turbine. This imbalance has the effect of promoting the birth of vibrations causing repeated stresses on the rotor which can become dangerous. If such vibrations occur, it is necessary to stop the turbine and, this fact the installation comprising this turbine.

Dans le cas de vastes installations telles des centrales nu cléaires thermiques, il peut en résulter de très lourdes pertes d'exploitation. Par ailleurs, il est nécessaire d'effectuer réparation ou un remplacement des aubes de rotor qui ont été détériorées, qui peut être une opération longue et coûteuse. In the case of large installations such as nuclear power plants, this can result in very heavy operating losses. Furthermore, it is necessary to carry out repair or replacement of the damaged rotor blades, which can be a long and costly operation.

Pour limiter l'érosion des bords d'attaque des aubes des machi nes tournantes et en particulier des aubes de turbines, il connu de revêtir l'aube dans la partie voisine de son bord d'attaque et sur fraction de la lon gueur dudit bord d'attaque, dans la partie externe de l'aube, d'un matériau résis tant à l'érosion telle que le stellite par exemple. To limit the erosion of the leading edges of the blades of rotating machines and in particular of the turbine blades, it is known to coat the blade in the region near its leading edge and on a fraction of the length of said edge. of attack, in the external part of the blade, of a material resistant so much to erosion such as stellite for example.

Le revêtement d'une partie des aubes par un tel matériau s'avère coûteux difficile à mettre en couvre. Coating part of the blades with such a material proves to be difficult to cover.

Une autre solution consiste à effectuer un traitement thermique du bord d'attaque des aubes, mais l'efficacité d'un tel traitement est limité et il peut entraîner des déformations de l'aube. Another solution consists in carrying out a heat treatment of the leading edge of the blades, but the effectiveness of such a treatment is limited and it can cause deformations of the blade.

De plus et malgré la mise en couvre de ces dispositions, il peut s'avérer nécessaire de remplacer toute la rangée d'aubes après seulement quel ques milliers d'heures de service. In addition and despite the implementation of these provisions, it may be necessary to replace the entire row of blades after only a few thousand hours of service.

L'invention a pour but de proposer un étage turbine à vapeur axiale qui évite les inconvénients précédemment mentionnés. The object of the invention is to propose an axial steam turbine stage which avoids the drawbacks mentioned above.

L'invention a donc pour objet un étage de turbine à vapeur axiale, du type comprenant une série d'aubes profilées entraînant rotation un arbre, chaque aube comportant un corps et un bord d'attaque dirigé vers l'écoulement du fluide incident sur ladite aube, caractérisé en ce qu'au moins une aube de la série d'aubes a son bord d'attaque décalé en avant par rapport aux bords d'atta que des autres aubes. The subject of the invention is therefore an axial steam turbine stage, of the type comprising a series of profiled blades driving a shaft, each blade comprising a body and a leading edge directed towards the flow of the incident fluid on said blade, characterized in that at least one blade of the series of blades has its leading edge offset forward with respect to the leading edges than other blades.

Selon d'autres caractéristiques de l'invention - le corps de ladite aube est réalisé en un premier matériau mé tallique et au moins une partie du bord d'attaque de cette aube est réalisée en un ----@.J @,.@@@_._.. .. @...+... ..,.....@....... .. il......-.. - ladite aube est monolithique et réalisée en un matériau à forte résistance 'l'usure, - ladite aube est décalée par rapport aux autres aubes d'une dis tance définie en fonction du diamètre de l'arbre et/ou de la vitesse de rotation des aubes et/ou du pas entre les aubes décalées en avant et/ou du nombre d'aubes décalées avant, - la distance entre ladite aube et les autres aubes est comprise entre 0,5 20mm. According to other characteristics of the invention - the body of said blade is made of a first metallic material and at least part of the leading edge of this blade is made of a ---- @. J @ ,. @@@ _._ .. .. @ ... + ... .., ..... @ ....... .. it ......- .. - said dawn is monolithic and made of a material with high resistance to wear, - said blade is offset with respect to the other blades by a distance defined according to the diameter of the shaft and / or the speed of rotation of the blades and / or the pitch between the blades offset forward and / or the number of blades offset before, - the distance between said blade and the other blades is between 0.5 and 20mm.

D'autres caractéristiques et avantages apparaîtront à la lecture de la description qui va suivre, donnée à titre d'exemple et faite en référence aux dessins annexés, sur lesquels - la Fig. 1 est une demi-vue en coupe axiale d'une partie d'une turbine à vapeur axiale munie d'un étage conforme à l'invention, - la Fig. 2 est une vue en perspective d'une aube l'étage re présenté a la Fig. 1. Other characteristics and advantages will appear on reading the description which follows, given by way of example and made with reference to the appended drawings, in which - FIG. 1 is a half view in axial section of part of an axial steam turbine provided with a stage according to the invention, - FIG. 2 is a perspective view of a blade of the stage re presented in FIG. 1.

Sur la Fig. 1, on a représenté schématiquement une partie d'une turbine à vapeur axiale comprenant de manière classique un stator formé par une enveloppe cylindrique 1 et un rotor formé par un arbre 2 coaxial audit stator. In Fig. 1, there is shown schematically a part of an axial steam turbine conventionally comprising a stator formed by a cylindrical casing 1 and a rotor formed by a shaft 2 coaxial with said stator.

L'arbre 2 comporte un disque 3 à la périphérique duquel est fixée une série d'aubes 10 s'étendant parallèlement les unes aux autres et qui consti tuent un étage et notamment un étage basse pression de la turbine à vapeur. The shaft 2 comprises a disk 3 to the peripheral of which is fixed a series of vanes 10 extending parallel to each other and which constitute a stage and in particular a low pressure stage of the steam turbine.

Les aubes 10 entraînent en rotation l'arbre 2. The blades 10 rotate the shaft 2.

A cet étage est associé un distributeur désigné par la référence générale 4 et qui est formé par une série d'aubes fixes 5 reliées à l'enveloppe 1 du stator par un anneau externe 6. With this stage is associated a distributor designated by the general reference 4 and which is formed by a series of fixed vanes 5 connected to the casing 1 of the stator by an external ring 6.

Les aubes 5 du distributeur 4 sont également reliées entre elles par un anneau interne 7 qui comporte à sa périphérie un joint d'étanchéité 8 de type labyrinthe qui assure un jeu minimum avec l'arbre 2 et donc une fuite de va peur minimale. The vanes 5 of the distributor 4 are also connected to each other by an internal ring 7 which has at its periphery a seal 8 of the labyrinth type which ensures minimum clearance with the shaft 2 and therefore a minimum fear leakage.

Ainsi que représenté à la Fig. 2, chaque aube 10 comporte un pied 11 ayant une forme profilée permettant la fixation de l'aube sur le disque 3 de l'arbre 2 ainsi qu'une ailette 12, solidaire du pied 11 et généralement venue de matière avec ce pied 11. As shown in FIG. 2, each blade 10 comprises a foot 11 having a profiled shape allowing the blade to be fixed on the disk 3 of the shaft 2 as well as a fin 12, integral with the foot 11 and generally made in one piece with this foot 11.

L'ailette 12 présente une forme complexe courbe, cintrée et vril lée. The fin 12 has a complex curved, curved and twisted shape.

L'ailette 12 de l'aube 10 comporte un bord d'attaque 13 et un bord de fuite 14, au niveau duquel l'ailette présente une épaisseur minimale. Entre le bord d'attaque 13 et le bord de fuite 14, les sections transversales de l'ailette 12 de l'aube 10 présentent une forme fuseau effilé. The fin 12 of the blade 10 has a leading edge 13 and a trailing edge 14, at which the fin has a minimum thickness. Between the leading edge 13 and the trailing edge 14, the cross sections of the fin 12 of the blade 10 have a tapered spindle shape.

La vapeur circule dans la turbine selon la direction représentée par la flèche F à la Fig. 1 et les gouttelettes d'eau entraînées par l'écoulement de cette vapeur sont frappées violemment par aubes 10 entraînant en rotation l'arbre 2. The steam circulates in the turbine in the direction represented by the arrow F in FIG. 1 and the water droplets entrained by the flow of this vapor are violently struck by vanes 10 causing the shaft 2 to rotate.

Selon l'invention, au moins aube 10a de la série d'aubes 10 a son bord d'attaque 13 décalé en avant rapport aux bords d'attaque des au tres aubes 10, ainsi que représenté à la Le nombre d'aubes 10a placees en 'avant par rapport aux autres aubes est plus ou moins important et est fonction des conditions de service de l'étage de la turbine. According to the invention, at least blade 10a of the series of blades 10 has its leading edge 13 offset forward relative to the leading edges of the very blades 10, as shown in the number of blades 10a placed forward relative to the other blades is more or less important and depends on the service conditions of the turbine stage.

Dans le cas de plusieurs aubes 10a placées en avant, ces aubes 10a peuvent être disposées les unes à côté des autres ou réparties uniformé ment ou de manière aléatoire parmi les autres aubes. In the case of several blades 10a placed in front, these blades 10a can be arranged one next to the other or distributed uniformly or randomly among the other blades.

Les aubes 10 entraînent en rotation l'arbre 2 et se déplacent à une vitesse circonférentielle élevée alors que les gouttelettes d'eau contenues dans la vapeur et qui se forment le plus souvent sur le bord de fuite des aubes 5 du distributeur 4 ont une vitesse de déplacement dans le sens axial faible vis à vis de la vitesse circonférentielle des aubes. The blades 10 rotate the shaft 2 and move at a high circumferential speed while the water droplets contained in the vapor and which most often form on the trailing edge of the blades 5 of the distributor 4 have a speed of displacement in the weak axial direction with respect to the circumferential speed of the blades.

La ou les aubes 10a placées en avant par rapport aux autres aubes, éclatent les gouttelettes d'eau et uniquement cette ou ces aubes ont à subir les phénomènes d'érosion. Or the blades 10a placed in front with respect to the other blades, burst the water droplets and only this or these blades have to undergo the phenomena of erosion.

La ou les aubes 10a placées en avant sont décalées par rapport aux autres aubes d'une distance définie en fonction du diamètre de l'arbre 2 et/ou de la vitesse rotation des aubes et/ou du pas entre les aubes décalées en avant et/ou nombre d'aubes 10a décalées en avant. The blade (s) 10a placed in front are offset with respect to the other blades by a distance defined as a function of the diameter of the shaft 2 and / or of the speed of rotation of the blades and / or of the pitch between the blades offset in front and / or number of blades 10a shifted forward.

La ou les aubes 10a sont décalées par rapport autres aubes d'une distance d comprise entre 0,5 et 20mm. The blade (s) 10a are offset relative to other blades by a distance d of between 0.5 and 20mm.

Le corps constitué par le pied 11 et l'ailette 12 de ou des aubes 10a placées avant, est réalisé en un premier matériau métallique et au moins une partie bord d'attaque 13 de ladite aube 10a est réalisé en second ma tériau à forte résistance à l'usure. The body constituted by the foot 11 and the fin 12 of the blade (s) 10a placed before, is made of a first metallic material and at least one leading edge portion 13 of said blade 10a is made of second material with high resistance to wear.

D'une manière générale, on peut utiliser pour le bord d'attaque de l'aube des aubes placées en avant tout matériau présentant une forte ré sistance à l'usure, par exemple des matériaux comportant une matrice métallique dans laquelle sont dispersés des composites durcissant. Generally, for the leading edge of the blade, blades placed in front of any material having a high resistance to wear, for example materials comprising a metallic matrix in which composites are dispersed, can be used. hardening.

Dans ce cas, le matériau à forte résistance à l'usure peut être constitué par stellite ou de la céramique comme par exemple carbures de chrome ou carbures de tungstène ou des oxydes de titane ou oxydes de chrome. In this case, the material with high wear resistance can be constituted by stellite or ceramic such as for example chromium carbides or tungsten carbides or titanium oxides or chromium oxides.

Le matériau à forte résistance à l'usure peut aussi être constitué par des composés non métalliques, comme par exemple des fibres de carbone ou des polymeres. The material with high wear resistance can also consist of non-metallic compounds, such as for example carbon fibers or polymers.

Selon une variante I 'aube 10a située en avant est monolithique et réalisée un matériau à forte résistance à l'usure. According to a variant I 'blade 10a located in front is monolithic and made of a material with high resistance to wear.

L'étage de turbine à vapeur axiale selon l'invention permet ainsi de limiter le coût d'investissement car uniquement un nombre limité d'aubes ont une protection spécifique contre l'érosion, mais aussi les coûts de maintenance puisque seulement la ou les aubes décalées doivent être remplacées en cas d'usure.The axial steam turbine stage according to the invention thus makes it possible to limit the investment cost because only a limited number of blades have specific protection against erosion, but also maintenance costs since only the blade (s) offset must be replaced if worn.

Claims (5)

REVENDICATIONS 1. Etage de turbine à vapeur axiale, du type comprenant série d'aubes (10) profilées et entraînant en rotation un arbre (2), chaque aube comportant un corps (11, 12) et un bord d'attaque (13) dirigé vers l'écoulement du fluide incident sur ladite aube (10), caractérisé en ce qu'au moins une aube (10a) la série d'aubes (10) a son bord d'attaque décalé en avant par rapport aux bords d'attaque des autres aubes (10).1. Stage of axial steam turbine, of the type comprising series of profiled blades (10) and driving in rotation a shaft (2), each blade comprising a body (11, 12) and a leading edge (13) directed towards the flow of the incident fluid on said blade (10), characterized in that at least one blade (10a) the series of blades (10) has its leading edge offset forward relative to the leading edges other vanes (10). 2. Etage selon la revendication 1, caractérisé en ce que le corps (11, 1 de ladite aube (10a) est réalisé en un premier matériau métallique au moins une partie du bord d'attaque de cette aube (10a) est réalisée en un second matériau à forte résistance à l'usure.2. Stage according to claim 1, characterized in that the body (11, 1 of said blade (10a) is made of a first metallic material at least part of the leading edge of this blade (10a) is made of a second material with high wear resistance. 3. Etage selon la revendication 1, caractérisé en ce que ladite aube (10a) est monolithique et réalisée en un matériau à forte résistance à l'usure.3. Stage according to claim 1, characterized in that said blade (10a) is monolithic and made of a material with high resistance to wear. 4. Etage selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, carac térisé ce que ladite aube (10a) est décalée par rapport aux autres aubes d'une distance définie en fonction du diamètre de l'aube (2) et/ou de la vitesse de rotation des aubes et/ou du pas entre les aubes (10a) décalées en avant et/ou nombre d'aubes (10a) décalées en avant.4. Stage according to any one of claims 1 to 3, charac terized that said blade (10a) is offset from the other blades by a distance defined as a function of the diameter of the blade (2) and / or the speed of rotation of the blades and / or of the pitch between the blades (10a) shifted forward and / or number of blades (10a) shifted forward. 5. Etage selon la revendication 4, caractérisé en ce que dis tance entre ladite aube (10a) et les autres aubes est comprise entre 0,5 et 20mm. 5. Stage according to claim 4, characterized in that the distance between said blade (10a) and the other blades is between 0.5 and 20mm.
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