B11-3276FR 1
Dispositif à entrée axiale pivotante pour aubes de turbines à vapeur L'invention porte de façon générale sur les turbomachines et, plus particulièrement, sur un dispositif et un procédé pour monter des aubes de turbines articulées dans des rainures à entrée axiale de roues de rotors de turbomachine. Les rotors pour turbomachines sont souvent fabriqués par usinage de grandes pièces forgées. Les roues de rotors usinées dans les pièces forgées sont souvent munies de rainures pour recevoir les emplantures d'aubes de turbomachines à monter. Comme la demande d'un plus grand rendement des turbomachines et de performances plus efficaces des turbomachines continue à croître, on met actuellement en service des aubes de turbomachines plus grandes et plus articulées. Les facteurs ci-dessus revêtent une importance particulière en ce qui concerne les aubes du dernier étage des turbines à vapeur dotées de propriétés aérodynamiques, thermodynamiques et mécaniques améliorées. Les aubes du dernier étage pour turbines font depuis un certain temps l'objet d'un important travail de perfectionnement. Il est très souhaitable d'optimiser les performances de ces aubes afin de réduire les pertes aérodynamiques et d'améliorer les performances thermodynamiques de la turbine. Les aubes sont exposées à toutes sortes de flux, de charges et à de grandes forces dynamiques. Les facteurs qui affectent la conception finale d'un profil d'aube comprennent la longueur active de l'aube, le diamètre d'espacement et la grande vitesse de fonctionnement dans les domaines d'écoulements supersoniques et subsoniques. L'amortissement et la fatigue des aubes sont des facteurs qu'il faut également prendre en compte lors de la conception mécanique de l'aube et de son profil. Ces propriétés de réactions mécaniques et dynamiques des aubes, ainsi que d'autres, telles que les propriétés aéro-thermodynamiques ou le choix des matériaux, ont toutes une influence sur le profil optimal d'une aube. Par conséquent, les aubes de turbines nécessitent un profil d'aube défini avec précision pour des performances optimales avec un minimum de pertes sur une large plage de fonctionnement.
Souvent, l'aube peut nécessiter une géométrie complexe avec un débord. Les aubes de turbines adjacentes sur une roue de rotor sont ordinairement reliées les unes aux autres, sur leur pourtour, par des bandes d'enveloppement ou des bandes de renforcement sous une forme ou une autre afin de retenir le fluide de travail dans un passage bien défini et d'accroître la rigidité des aubes. Souvent, les bandes d'accrochage peuvent se gêner les unes les autres lors du montage des aubes sur la roue de rotor. I1 est fréquent que les roues de rotors comportent des rainures en queue d'aronde à entrée axiale qui reçoivent une aube avec des emplantures qui comportent des queues d'arondes complémentaires, à entrée axiale. De telles queues d'arondes à entrée axiale peuvent être souhaitables, car elles peuvent ne pas nécessiter le recours à des pièces extérieures de fermeture ni à des montages d'assemblage. La figure 1 représente une aube de turbine selon la technique antérieure avec une queue d'aronde qui peut être insérée axialement dans une rainure en queue d'aronde d'une roue de rotor. L'aube 10 de turbine comporte une pale 20, un carénage 30 d'extrémité et une plate-forme 40 avec une emplanture 45. L'emplanture 45 peut comporter une saillie en queue d'aronde 50 conçue pour entrer axialement dans une rainure en queue d'aronde complémentaire 60 d'une roue 65 de rotor. Dans certains agencements d'aubes et, en particulier pour les grandes aubes des derniers étages, au moins un ressort de rainure (non représenté) peut être disposé dans un espace à une extrémité radiale interne de la rainure en queue d'aronde de la roue de rotor. Le ressort de rainure peut exercer une force radiale vers l'extérieur sur la face inférieure de la saillie en queue d'aronde qui maintient la rigidité de l'aube de turbine à des bas régimes tels que le levage, ce qui limite l'usure des surfaces de la queue d'aronde. La figure 2 représente un ensemble 70 de roue de rotor de turbine selon la technique antérieure, équipé d'aubes 10 de turbine à queue d'aronde à entrée axiale. Les saillies mâles en queue d'aronde 50 des aubes 10 de turbine sont successivement montées axialement sur la roue 65 de rotor, ce qui permet aux plates-formes 45, carénages 30 d'extrémités et pales 20 adjacents d'être installés sans gêne. Cependant, au moment de son installation, une dernière aube présente souvent une interférence de pales 20 à chevauchement, laquelle nécessite d'être absorbée à l'aide d'une pièce de fermeture spéciale ou à l'aide de bords ajustés. I1 serait donc souhaitable de disposer d'un système d'aube et de procédés pour faciliter le montage d'aubes articulées à entrée axiale sur des roues de rotors pour turbomachines. Selon un premier aspect de la présente invention, il est proposé un système pivotant à entrée axiale pour des aubes de turbines à vapeur. Le système comprend des aubes pivotantes à entrée axiale, chaque aube comportant une emplanture conçue pour entrer axialement, en pivotant, dans une roue de rotor. Une saillie en queue d'aronde sur l'emplanture de chaque aube comporte une courbure dans un plan vertical. La roue de rotor comporte, sur un pourtour, des rainures correspondantes en queue d'aronde pour entrée axiale pivotante, chaque rainure étant d'une forme complémentaire de celle de la saillie en queue d'aronde pour chaque aube et possédant une courbure dans le plan vertical. Selon un deuxième aspect de la présente invention, il est proposé une turbine à vapeur comprenant une roue de rotor avec une pluralité de queues d'arondes à entrée axiale pivotante et des aubes munies d'une pluralité de saillies complémentaires en queue d'aronde pour entrée axiale pivotante sur une emplanture des aubes. Les aubes pour la turbine à vapeur comportent une courbure dans un plan vertical sur la saillie en queue d'aronde pour l'emplanture de chaque aube. Les rainures en queue d'aronde pour entrée axiale pivotante ménagées dans la roue de rotor comportent également une courbure correspondante dans un plan vertical. Un autre aspect de la présente invention propose un procédé pour assembler une pluralité d'aubes avec des saillies en queue d'aronde pour entrée axiale pivotante et des carénages d'extrémités sur une roue de rotor pourvue d'une pluralité de rainures complémentaires en queue d'aronde pour entrée axiale pivotante. Le procédé comprend la réalisation d'une roue de rotor munie de rainures en queue d'aronde pour entrée axiale pivotante, comportant une courbure dans un plan vertical et des aubes à rainures en queue d'aronde pour entrée axiale comportant une courbure correspondante dans le plan vertical. Une aube est disposée avec un carénage d'extrémité en position de montage. L'aube est amenée à pivoter au niveau d'un point de pivotement à proximité du carénage d'extrémité et pivote autour du point de pivotement pour monter la saillie en queue d'aronde pour entrée axiale pivotante dans une rainure en queue d'aronde pour entrée axiale pivotante. L'invention sera mieux comprise à l'étude de la description détaillée d'un mode de réalisation pris à titre d'exemple non limitatif et illustré par les dessins annexés, sur lesquels : - la figure 1 représente une aube de turbine selon la technique antérieure avec une queue d'aronde qui peut être fixée axialement dans une rainure en queue d'aronde d'une roue de rotor ; - la figure 2 représente un ensemble de roue de rotor de turbine selon la technique antérieure dans lequel sont fixées des aubes à queue d'aronde à entrée axiale ; - la figure 3 représente un rayon de courbure pour des crochets et des gorges d'une aube à queue d'aronde à entrée axiale pivotante ; - la figure 4 représente une vue axiale agrandie de l'emplanture de l'aube, représentant la courbure des crochets et des gorges; - la figure 5 représente une vue écorchée en coupe des crochets et gorges complémentaires de la rainure femelle en queue d'aronde de la roue de rotor ; - la figure 6 représente une vue périphérique partielle, orientée radialement vers l'intérieur d'une entrée de type rectiligne dans les rainures d'une roue de rotor ; - la figure 7 représente une vue périphérique partielle, orientée radialement vers l'intérieur, d'une entrée de type oblique axiale dans les rainures d'une roue de rotor ; - la figure 8 représente une vue latérale pour une installation d'aube à queue d'aronde à entrée axiale pivotante dans une roue de rotor ; - la figure 9 représente un organigramme pour un procédé de montage des aubes à queue d'aronde à entrée axiale pivotante dans les rainures en queue d'aronde pour entrée axiale pivotante de la roue de rotor ; et - la figure 10 représente une dernière aube à queue d'aronde pour entrée axiale pivotante, installée dans une rainure en queue d'aronde complémentaire sur une roue de rotor, entre des aubes à queue d'aronde à entrée axiale pivotante précédemment installées. Les formes de réalisation ci-après de la présente invention offrent de nombreux avantages, notamment celui de faciliter le montage, sur des roues de rotors, pour des aubes à queue d'aronde à entrée axiale avec des carénages d'extrémités à verrouillage. Selon une forme de réalisation de la présente invention, une courbure dans un plan vertical est prévue sur une saillie mâle en queue d'aronde à entrée axiale pivotante de l'emplanture d'aube et sur la rainure femelle en queue d'aronde correspondante pour entrée axiale pivotante de la roue de rotor. La courbure facilite le montage des aubes, lequel, autrement, risquerait d'être empêché par des interférences, par exemple les interférences de carénages d'extrémités à verrouillage sur des aubes adjacentes. Ce montage peut être réalisé en plaçant le carénage d'extrémité tout près d'un carénage d'extrémité adjacent et en faisant pivoter l'extrémité de l'emplanture de l'aube autour du point où se trouve le carénage d'extrémité, de telle sorte que l'arc formé par l'aube permette à la courbure de la saillie mâle en queue d'aronde à entrée axiale de pivoter pour entrer dans la courbure de la rainure femelle en queue d'aronde pour entrée axiale de la roue de rotor, constituant ainsi une aube à entrée axiale pivotante. Les concentrations de contraintes sur les bords des queues d'arondes peuvent en outre être réduites. La réalisation d'une courbure sur les queues d'arondes ne limite pas la configuration des carénages d'extrémités ni la configuration à mi- envergure pour l'aube. L'utilisation du dispositif à queue d'aronde selon l'invention permet de concevoir des carénages d'extrémités qui ne soient pas limités par des contraintes d'assemblage, ce qui assure de meilleures performances des aubes mobiles. Le dispositif peut en outre permettre la suppression d'un montage d'assemblage pour monter les aubes sur la roue de rotor. En outre, les ressorts actuellement nécessaires sur certaines queues d'arondes à entrée axiale peuvent être supprimés. Selon une forme de réalisation de la présente invention, une courbure de queue d'aronde est réalisée dans un plan parallèle à la queue d'aronde pour une saillie mâle de queue d'aronde à entrée axiale pivotante d'une aube et une rainure femelle en queue d'aronde pour entrée axiale pivotante. Cette courbure permet avantageusement de faciliter le montage de longues aubes à entrées axiales. La queue d'aronde est dotée d'une courbure dans un plan vertical de façon que le centre de courbure se trouve près du carénage d'extrémité ou de l'enveloppe de l'aube. La courbure doit avoir un rayon approximativement égal à la distance entre la queue d'aronde et l'extrémité de l'aube (voisine de la longueur active). La rainure en queue d'aronde pour entrée axiale est dotée d'une courbure similaire, dont le rayon peut être légèrement modifié afin que l'emplacement du contact initial entre les surfaces d'écrasement de l'aube et de la roue puisse être maîtrisé. La courbure de la queue d'aronde se trouve dans un plan parallèle à la queue d'aronde et comporte une ligne radiale d'aube, ce qui contribue à la faire pivoter facilement pendant l'assemblage avec la roue. La courbure des queues d'arondes peut être employée sur des roues à entrée axiale rectiligne et des roues à entrée axiale oblique et à leurs rainures en queue d'aronde correspondantes de la roue de rotor.
La figure 3 représente un rayon de courbure pour des crochets et des gorges d'une aube à queue d'aronde à entrée axiale pivotante pour une turbine à vapeur. L'aube 110 à queue d'aronde à entrée axiale pivotante comprend une pale 120 avec un carénage d'extrémité 130 et une emplanture 140. Une queue d'aronde 150 sur l'emplanture 140 comporte de multiples crochets 141 avec des gorges 142 mêlées à ceux-ci. Le rayon de courbure R 119 s'étend depuis un point 180 proche du carénage d'extrémité 130 jusqu'à l'emplanture 140. L'aube 110 à queue d'aronde à entrée axiale pivotante peut être amenée à pivoter 195 autour du point de pivotement 180 pour entrer dans les rainures 190 de la roue 165 de rotor (figure 5). Les crochets individuels 141 et les gorges individuelles 142 sur une queue d'aronde individuelle d'aube (et les crochets et gorges correspondants de la rainure 190 dans la roue 165 de rotor - figure 5) seront usinés avec une courbure différente en fonction de la distance radiale spécifique par rapport au point de pivotement 130 au niveau du centre de courbure, comme représenté par le rayon R1 123 et le rayon R2 124. La figure 4 représente une vue axiale agrandie de l'emplanture 140 de l'aube 110, montrant la courbure des crochets 141 et des gorges 142. La forme de réalisation selon l'invention comprend trois crochets 141 et trois gorges 142 sous la plate-forme 143, bien que d'autres nombres et agencements de crochets et de gorges puissent être envisagés dans le cadre de la présente invention. La surface extérieure 147 de la plate-forme 143, lorsque l'aube 110 est montée sur la roue 165 de rotor (figure 10), peut constituer une surface extérieure radiale continue 166 de la roue de rotor. En maintenant le rayon de courbure de la queue d'aronde de la roue de rotor à une valeur légèrement inférieure à celle de la courbure de la queue d'aronde de l'aube, il est possible d'assurer que le contact initial entre l'aube et la queue d'aronde de la roue se produise au centre 145 de la queue d'aronde et que le contact s'étende vers les bords 146 à mesure que les efforts exercés sur la roue augmentent pendant le fonctionnement de la turbine. Les courbures peuvent être conçues pour supprimer les ressorts de rainures. Avec une différence de courbure appropriée entre la queue d'aronde de l'aube et la queue d'aronde de la roue, il est possible de réaliser un contact à trois points, un premier point de contact étant présent sur une surface de contact et deux points de contact étant présents sur des surfaces sans contact. Les intervalles entre les surfaces sans contact de l'enveloppe ainsi que les surfaces de contact peuvent être conçus afin de laisser suffisamment de place pour permettre la rotation de l'enveloppe sur un petit angle. Par ailleurs, la courbure de la queue d'aronde de la roue peut être optimisée afin de modifier la répartition des contraintes en fonction des besoins pour une application spécifique. La figure 5 représente une vue en perspective d'un dispositif 100 à entrée axiale pivotante de l'emplanture 140, les crochets 141 et les gorges 142 de l'aube 110 à entrée axiale pivotante ayant pivoté 195 jusqu'à s'enclencher avec les crochets 191 et les gorges 192 complémentaires de la rainure femelle en queue d'aronde 190 de la roue 165 de rotor. La surface supérieure 143 de la plate-forme pour l'emplanture 140 peut s'aligner avec la surface extérieure radiale 166 de la roue 165 de rotor. Les queues d'arondes à entrée axiale pivotante peuvent être employées pour une entrée de type rectiligne dans des rainures à orientation axiale de la roue de rotor ainsi que pour une entrée de type oblique axiale. La figure 6 présente une vue périphérique partielle orientée radialement vers l'intérieur d'une entrée axiale pivotante de type rectiligne sur la roue 165 de rotor. La plate-forme 143, les crochets 141 et les gorges (non représentées) de l'emplanture 140 de l'aube 110 à entrée axiale pivotante sont orientés dans la roue 165 de rotor dans une direction axiale 170. La figure 7 représente une vue périphérique partielle orientée radialement vers l'intérieur dans une aube 210 à entrée axiale pivotante du type oblique axial pour un montage dans une rainure oblique 215 d'une roue de rotor. La plate-forme 153, les crochets 155 et les gorges (non représentées) de l'emplanture de l'aube 210 peuvent être obliques, suivant un angle a 171 par rapport à la direction axiale 170. Pour une aube à queue d'aronde à entrée axiale pivotante du type à entrée rectiligne ayant un débord de la pale au niveau d'un bord de fuite, la dernière aube peut être montée en ajustant le bord de fuite 121 (figure 10) de la dernière aube. Cet ajustement peut permettre de se passer du recours à des montages d'assemblage actuels. En outre, il est possible d'apporter une solution aux conflits survenant au niveau du bord de fuite pendant l'assemblage de la dernière aube en utilisant un grand espacement 122 des queues d'arondes de la roue de rotor (figure 10) de manière à ménager davantage de place pour l'insertion de la dernière aube. Cette place supplémentaire sur la roue de rotor contribuera à réduire les interférences entre les pales. En outre, pour les dispositifs à queue d'aronde à entrée axiale pivotante, on facilite l'assemblage, car il n'est pas nécessaire de déployer les aubes en éventail. La figure 8 représente une vue latérale pour l'installation d'une aube 110 à queue d'aronde à entrée axiale pivotante, munie de crochets courbes 141 et de gorges courbes 142, dans la rainure 190 d'une roue 165 de rotor. Le carénage d'extrémité 130 de l'aube 110 est placé au-dessus de la roue 165 de rotor, les crochets 191 et les gorges 192 étant complémentaires des crochets 141 et des gorges 142 de l'aube 110. Le carénage d'extrémité 130 est situé au niveau d'un point de pivotement 180 correspondant à un centre de rayon, l'aube 110 étant située à proximité d'une entrée de la rainure femelle en queue d'aronde 190 de la roue 165 de rotor. En maintenant le carénage d'extrémité 130 au centre du rayon 180, on peut faire pivoter l'aube 110 sur un arc 195 jusqu'à ce qu'elle s'engage dans la rainure femelle en queue d'aronde 190. Lorsque des aubes adjacentes (non représentées) sont déjà en place sur la roue 165 du rotor, le carénage d'extrémité 130 peut tout d'abord être orienté parmi les carénages d'extrémités (non représentés) pour les aubes adjacentes, car le carénage d'extrémité est situé au centre du rayon 180. Un procédé est proposé pour monter les aubes à queue d'aronde à entrée axiale pivotante dans les rainures en queue d'aronde à entrée axiale de la roue du rotor, Le procédé empêche les interférences de pièces, telles que les carénages d'extrémités articulés. Le procédé peut supprimer la nécessité d'utiliser des dispositifs de fixation pour équipements, nécessaires jusqu'à présent pour le montage d'aubes classiques à entrée axiale. La figure 9 représente un organigramme pour le procédé de montage des aubes à queue d'aronde à entrée axiale pivotante dans les rainures en queue d'aronde pour entrée axiale de la roue de rotor. L'étape 300 réalise une roue de rotor avec des rainures en queue d'aronde pour entrée axiale pivotante, comportant une courbure dans un plan vertical, et des aubes avec des emplantures à queue d'aronde pour entrée axiale pivotante, comportant une courbure correspondante dans le plan vertical. Avec des courbures appropriées entre les queues d'arondes des aubes et de la roue, on peut obtenir trois contacts ponctuels entre les crochets des aubes et de la roue. Pour les interférences de pales à queue d'aronde de type oblique, les problèmes au cours du pivotement des aubes (pendant le montage) ont pu être résolus en modifiant le bord de fuite des pales. Selon la demande spécifique, l'étape 320 peut créer un espace pour la dernière aube sur la roue de rotor avec un plus grand intervalle conçu pour absorber les interférences des aubes. Lors de l'étape 330, une pale pour une dernière aube à assembler peut être réalisée avec un bord de fuite ajusté pour éviter les interférences. L'étape 340 réalise la mise en place d'une première aube dans une position telle qu'un carénage d'extrémité se trouve à proximité de sa position finale de montage au niveau d'un point de pivotement qui se trouve radialement vers l'extérieur des crochets et 2963638 I1 des gorges à surface courbe de l'emplanture d'aube et espacé d'une distance approximativement égale au rayon de courbure. L'étape 350 réalise un pivotement de la première aube au niveau d'un point de pivotement situé sur le carénage d'extrémité. Lors de l'étape 360, la 5 queue d'aronde de la première aube est amenée à tourner autour du point de pivotement pour monter la saillie en queue d'aronde à entrée axiale pivotante dans une rainure en queue d'aronde pour entrée axiale. L'étape 370 assemble des aubes successives avec des saillies en queue d'aronde pour entrée axiale pivotante sur la roue 10 de rotor dans des rainures successives en queue d'aronde pour entrée axiale pivotante, conformément aux étapes 340 à 350. Du fait que les carénages d'extrémités pour le montage des aubes successives sont initialement situés sensiblement dans leur position finale de montage et ne subissent qu'un petit angle de rotation pendant que la 15 queue d'aronde à entrée axiale pivotante est montée dans la rainure de la roue de rotor, il est possible d'éviter des interférences avec des carénages d'extrémités adjacents. La figure 10 représente une turbine à vapeur 200 dans laquelle la dernière aube 310 à queue d'aronde à entrée axiale 20 pivotante est installée dans une rainure complémentaire en queue d'aronde 190 sur une roue 165 de rotor entre des aubes 110 à entrée axiale pivotante précédemment installées. Le carénage d'extrémité 130 de la dernière aube 310 est situé à proximité des carénages d'extrémités 130 des aubes adjacentes 110, l'emplanture 140 de la 25 dernière aube 310 étant disposée suivant un angle de pivotement par rapport à une position radiale. Les crochets 141 et les gorges 142 de la dernière aube 310 et les crochets 191 (figure 5) et les gorges 192 (figure 5) de la rainure 190 de rotor peuvent être usinés à un rayon (figure 3) proche de la longueur active de l'aube. Le carénage 30 d'extrémité 130 de la dernière aube installée 310 peut être amené à tourner pour se mettre en place lorsque l'on fait pivoter selon la flèche 195 la queue d'aronde 140 de l'aube pour l'introduire dans la rainure 190 du rotor.