FR2967461A1 - Diffuseur de gaz d'echappement a basse pression pour turbine a vapeur - Google Patents

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Abstract

Diffuseur (110) pour carter de vapeur d'échappement adjacent à une rangée d'ailettes de dernier étage fixée à un rotor d'une turbine à vapeur, chaque ailette (120) de la rangée d'ailettes du dernier étage ayant une partie formant plate-forme (124) et une partie formant pale profilée. Le diffuseur comprend une couronne annulaire intérieure (114) de diffuseur et une couronne annulaire extérieure (116) de diffuseur définissant un trajet d'écoulement (136) pour la vapeur sortant de la rangée d'ailettes du dernier étage dans une direction sensiblement axiale à une l'entrée (118) du diffuseur et tournant sensiblement de quatre-vingt-dix degrés vers une sortie (138) du diffuseur. Une première partie (122) de la couronne annulaire intérieure s'étend vers l'aval au-delà de la rangée d'ailettes du dernier étage sensiblement parallèlement à un axe central du rotor, la première partie ayant une dimension de longueur, vers l'aval depuis un axe géométrique central radial de la rangée d'ailettes du dernier étage, d'environ 0,40 à 0,70 fois une longueur radiale d'axe géométrique central depuis la partie formant plate-forme (124) jusqu'à un bout radialement extérieur (140) de n'importe quelle ailette de la rangée d'ailettes du dernier étage.

Description

B11-5183FR 1
Diffuseur de gaz d'échappement à basse pression pour turbine à vapeur La présente invention concerne la technologie des turbines à vapeur de façon générale, et en particulier un diffuseur de gaz d'échappement à flux axial à radial, à basse pression, pour turbine à vapeur. Une section basse pression (BP) d'une turbine à vapeur comporte ordinairement un domaine d'entrée, de multiples étages de turbine et un diffuseur ou carter de gaz d'échappement. Le diffuseur de gaz d'échappement est souvent monté au niveau de la dernière rangée d'aubes ou d'ailettes rotatives et est conçu de manière à comprendre une entrée de flux axial et une sortie de flux radial. Une des principales fonctions du carter d'échappement consiste à récupérer la pression statique et à guider le flux de gaz d'échappement depuis la rangée d'ailettes du dernier étage jusque dans le condenseur. La diffusion du flux a lieu dans la section initiale du diffuseur basse pression formée par le guide de vapeur et le cône porteur, tandis que le reste des moyens du carter basse pression recueille le flux de gaz dans une chambre et le guide jusqu'au condenseur. Les diffuseurs sont ordinairement conçus en fonction de performances optimisées d'une turbine, lesquelles peuvent être mesurées sous l'angle de la récupération maximale possible de la pression statique.
La récupération de pression statique du diffuseur d'échappement à basse pression dépend du rapport de surfaces formé par les profils du guide de vapeur et du cône porteur et du profil de la sortie de l'ailette du dernier étage. Globalement, les profils des cônes porteurs sont conçus avec des angles négatifs ou positifs de Io à 20 degrés à l'entrée du diffuseur au voisinage de la rangée d'ailettes du dernier étage, par rapport à l'horizontale (ou à l'axe du rotor de la turbine). Cependant, cette conception traditionnelle du cône porteur forme un coin pointu très près des ailettes du dernier étage, ce qui conduit à un plus grand gradient de pression depuis le moyeu intérieur de l'ailette jusqu'au bout radialement extérieur. Ce gradient de pression statique plus grand a une incidence négative sur l'efficacité des ailettes du dernier étage ainsi que sur la récupération de pression statique du diffuseur.
Dans un premier exemple nullement limitatif, l'invention porte sur un diffuseur pour boîtier de vapeur d'échappement adjacent à une rangée d'ailettes de dernier étage fixée à un rotor dans une turbine à vapeur, chaque ailette de la rangée d'ailettes du dernier étage ayant une partie formant plate-forme et une partie formant pale profilée, le diffuseur comportant une couronne annulaire intérieure de diffuseur et une couronne annulaire extérieure de diffuseur définissant un trajet d'écoulement pour la vapeur sortant de la rangée d'ailettes du dernier étage dans une direction sensiblement axiale au niveau d'une entrée de diffuseur et tournant sensiblement à quatre-vingt-dix degrés vers une sortie du diffuseur ; une première partie de la couronne annulaire intérieure s'étendant vers l'aval au-delà de la rangée d'ailettes du dernier étage sensiblement parallèlement à un axe central du rotor, la première partie ayant une dimension de longueur vers l'aval depuis un axe géométrique central radial de la rangée d'ailettes du dernier étage comprise entre 0,40 et 0,70 fois la longueur de l'axe géométrique central radial depuis la partie formant plate-forme jusqu'à un bout radialement extérieur de n'importe quelle ailette de la rangée d'ailettes du dernier étage.
Selon un autre aspect, l'invention concerne un diffuseur pour un boîtier de vapeur d'échappement adjacent à une rangée d'ailettes de dernier étage, fixée à un rotor dans une turbine à vapeur, chaque ailette de la rangée d'ailettes du dernier étage ayant une partie formant plate-forme et une partie formant pale profilée, le diffuseur comprenant une couronne annulaire intérieure de diffuseur et une couronne annulaire extérieure de diffuseur définissant un trajet d'écoulement de vapeur sortant de la rangée d'ailettes du dernier étage dans une direction sensiblement axiale à une entrée du diffuseur et tournant sensiblement à quatre-vingt-dix degrés vers une sortie du diffuseur ; une première partie de la couronne annulaire intérieure s'étendant vers l'aval au-delà de la rangée d'ailettes du dernier étage, sensiblement parallèlement à un axe central du rotor ; la première partie de la couronne annulaire intérieure ayant une dimension de longueur vers l'aval, depuis un axe géométrique central de ladite rangée d'ailettes du dernier étage, d'environ 0,60 fois une longueur radiale d'axe géométrique central depuis une partie formant plate-forme jusqu'à un bout radialement extérieur de l'une quelconque des ailettes de la rangée d'ailettes du dernier étage. Selon encore un autre aspect, l'invention concerne un diffuseur pour carter de vapeur d'échappement adjacent à une rangée d'ailettes de dernier étage fixée à un rotor d'une turbine à vapeur, chaque ailette de la rangée d'ailettes du dernier étage ayant une partie formant plate-forme et une partie formant pale profilée, le diffuseur comportant une couronne annulaire intérieure de diffuseur et une couronne annulaire extérieure de diffuseur définissant un trajet d'écoulement pour la vapeur sortant de la rangée d'ailettes du dernier étage dans une direction sensiblement axiale à une entrée du diffuseur et tournant sensiblement à quatre-vingt-dix degrés vers une sortie du diffuseur ; une première partie de la couronne annulaire intérieure s'étendant vers l'aval au-delà de la rangée d'ailettes du dernier étage sensiblement parallèlement à un axe central du rotor ; la première partie de la couronne annulaire intérieure ayant une dimension de longueur, vers l'aval depuis un axe géométrique central de ladite rangée d'ailettes de dernier étage, comprise entre 0,40 et 0,70 fois une longueur radiale d'axe géométrique central depuis une partie formant plate-forme jusqu'à un bout radialement extérieur de l'une quelconque des ailettes de la rangée d'ailettes du dernier étage ayant une partie formant plate-forme et une partie formant pale, le diffuseur comportant une couronne annulaire intérieure de diffuseur et une couronne annulaire extérieure de diffuseur définissant un trajet d'écoulement pour la vapeur sortant de la rangée d'ailettes du dernier étage dans une direction sensiblement axiale à une entrée du diffuseur et tournant dans une direction sensiblement radiale vers une sortie du diffuseur ; une première partie de la couronne annulaire intérieure s'étendant vers l'aval, au-delà de la rangée d'ailettes du dernier étage, sensiblement parallèlement à un axe central du rotor ; la première partie de ladite couronne annulaire intérieure ayant une dimension de longueur, vers l'aval depuis un axe géométrique central de la rangée d'ailettes du dernier étage, comprise entre environ 0,40 et 0,70 fois une longueur radiale d'axe géométrique central depuis une partie formant plate-forme jusqu'à un bout radialement extérieur de l'une quelconque des ailettes de la rangée d'ailettes du dernier étage, la longueur de l'axe géométrique central étant d'environ 508 mm (20 ") et environ 1 778 mm (70 "), et une seconde partie de la couronne annulaire intérieure s'étendant suivant un angle positif d'environ 25 à 30 degrés par rapport à l'axe central du rotor.
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 est une vue en coupe latérale d'un diffuseur de gaz d'échappement pour turbine selon la technique antérieure, adjacent à un dernier étage d'ailettes ; - la figure 2 est une vue schématique simplifiée en coupe d'un diffuseur pour turbine à vapeur représenté sur la figure 1 ; - la figure 3 est une vue en coupe d'un diffuseur pour turbine à vapeur selon l'invention ; et - la figure 4 est un profil normalisé de pression statique reposant sur des coordonnées définissant l'envergure (longueur depuis le moyeu jusqu'au bout) d'une ailette de turbine en fonction de la pression moyenne pour un diffuseur "de base" représenté sur la figure 2 et un diffuseur à "conception nouvelle" représenté sur la figure 3. Considérant la figure 1, il y est représenté un carter ou diffuseur 10 de gaz d'échappement pour turbine selon la technique antérieure, qui peut faire partie d'une turbine à vapeur à basse pression. Le diffuseur 10 guide le flux d'échappement depuis les aubes ou ailettes 12 du dernier étage jusque dans un carter 11 de vapeur d'échappement. Le diffuseur a globalement une forme toroïdale creuse, seul un profil ou une coupe de la partie supérieure du diffuseur étant représenté sur la figure 1. Le diffuseur 10 est constitué par une couronne intérieure 14 et une couronne extérieure 16 réunies afin de créer la forme toroïdale creuse, une entrée dans le diffuseur 10 se trouvant en 18, tout près de la dernière rangée d'aubes ou ailettes, représentée par les aubes 12. La figure 2 est une vue schématique simplifiée du diffuseur 10, qui facilite la compréhension de l'agencement selon la technique antérieure, comparé à la présente invention illustrée sur la figure 3. Comme on le voit le plus clairement sur la figure 2, au bout radialement intérieur 22 de la couronne intérieure 14, au voisinage immédiat de la partie formant moyeu ou plate-forme 24 de l'aube 20, le diffuseur est formé de manière à comprendre une zone 30 de cône porteur qui englobe la partie du diffuseur s'étendant depuis l'entrée 18 au moins via les premier et second coudes, respectivement 32, 34. La couronne annulaire intérieure 14 et une couronne annulaire extérieure 16 définissent un trajet d'écoulement 36 pour la vapeur sortant de la rangée d'aubes ou ailettes du dernier étage. Le trajet d'écoulement s'étend initialement dans une direction sensiblement axiale au niveau du dernier étage 12, puis tourne sensiblement de quatre-vingt-dix degrés, aboutissant à la sortie 38 du diffuseur. Une partie plane 39 de la couronne annulaire intérieure 14 au bout radialement intérieur 22 s'étend vers l'aval, seulement sur une très courte distance, à savoir 0,20 fois une longueur radiale d'axe géométrique central depuis la plate-forme ou le moyeu 24 de l'ailette jusqu'au bout radialement extérieur 40 de l'aube ou de l'ailette 12. Cette partie plane du profil du cône porteur est immédiatement suivie par un premier angle positif de cône porteur, d'environ 15 à 20° au niveau du coude 32. Comme cette conception traditionnelle forme un coin aigu tout près de la rangée d'ailettes 20 du dernier étage, un plus fort gradient de pression est établi depuis le moyeu ou la plate-forme 24 de l'ailette jusqu'au bout radialement extérieur 40. Ce gradient de pression plus fort a une incidence négative sur le rendement des ailettes du dernier étage ainsi que sur la récupération de pression statique du diffuseur. Considérant la figure 3, dans un exemple nullement limitatif de réalisation de l'invention, un carter ou diffuseur de gaz d'échappement est représenté avec les mêmes repères que ceux servant à désigner des zones correspondantes du diffuseur, mais précédés du préfixe "1". Dans cet exemple, la partie plane 139 au bout intérieur 122 de la couronne annulaire 114 a une dimension de longueur axiale, vers l'aval depuis un axe géométrique central radial de la rangée d'ailettes 120 du dernier étage, comprise entre au moins (et de préférence plus) 0,40 et environ 0,70 fois la longueur radiale de l'axe central depuis la plate-forme 24 jusqu'au bout radialement extérieur 40 d'une ailette 120 du dernier étage. La longueur radiale de l'axe géométrique central des ailettes utilisées dans le dernier étage d'une turbine à vapeur peut être d'environ 508 à 1 778 mm (20 à 70 ") et peut comprendre des longueurs radiales d'environ 851 mm (33,5 "), environ 1 067 mm (42 ") ou environ 1 219 mm (48 ").
Une deuxième partie 132 de la couronne annulaire intérieure au voisinage immédiat de la partie plane 139 peut s'étendre suivant un angle d'environ 10 à 40°, et de préférence de 25 à 30° par rapport à l'axe central du diffuseur (ou à l'axe du rotor). Une troisième partie 134 s'étend suivant un angle encore plus grand par rapport à l'axe central et, enfin, la partie radialement extérieure de la couronne intérieure est sensiblement perpendiculaire à l'entrée du diffuseur et à l'axe central du rotor. Dans un exemple spécifique, la couronne annulaire intérieure 114 du diffuseur a une partie plane 139 à longueur axiale de 0,60 fois une longueur radiale d'axe géométrique central depuis la plate-forme 24 jusqu'au bout radialement extérieur 140 d'une ailette 120 du dernier étage, d'environ 851 mm (33,5 "), et une deuxième partie 132 s'étendant suivant un angle positif de 30 degrés par rapport à la partie plane 122 (ou par rapport à l'axe du rotor). 2967461 s La figure 4 représente un profil normalisé de pression depuis le moyeu jusqu'au bout, attribuable au modèle de diffuseur de la figure 3. La courbe idéale serait une ligne verticale, et on notera que la courbe représentant le profil de pression de la nouvelle 5 conception de diffuseur représentée est plus proche d'une courbe en ligne verticale que le profil correspondant à la conception de base, à savoir la conception du diffuseur selon la figure 2. Les exemples nullement limitatifs de formes de réalisation décrits ici permettent un écoulement plus souple des gaz 10 d'échappement sortant de la rangée d'ailettes du dernier étage en réduisant le gradient de pression depuis le moyeu de l'ailette jusqu'au bout de l'ailette tout en améliorant également la récupération de la pression statique.

Claims (12)

  1. REVENDICATIONS1. Diffuseur (110) pour carter (11) de vapeur d'échappement au voisinage immédiat d'une rangée d'ailettes (12) de dernier étage fixée à un rotor d'une turbine à vapeur, chaque ailette (120) de la rangée d'ailettes du dernier étage ayant une partie formant plate-forme et une partie formant pale, le diffuseur comportant : une couronne annulaire intérieure (114) de diffuseur et une couronne annulaire extérieure (116) de diffuseur définissant un trajet d'écoulement (136) pour la vapeur sortant de la rangée d'ailettes du dernier étage dans une direction sensiblement axiale à une entrée (118) du diffuseur et tournant sensiblement à quatre-vingt-dix degrés vers une sortie (138) du diffuseur ; une première partie (122) de la couronne annulaire intérieure s'étendant vers l'aval au-delà de ladite rangée d'ailettes du dernier étage, sensiblement parallèlement à un axe central (A) du rotor, la première partie ayant une longueur, vers l'aval depuis un axe géométrique central radial de ladite rangée d'ailettes de dernier étage, d'environ 0,40 à environ 0,70 fois une longueur radiale d'axe central depuis la partie formant plate-forme (124) jusqu'au bout radialement extérieur (140) de n'importe quelle ailette de la rangée d'ailettes du dernier étage.
  2. 2. Diffuseur selon la revendication 1, dans lequel ladite longueur est sensiblement de 0,60 fois la longueur radiale de l'axe géométrique central.
  3. 3. Diffuseur selon la revendication 1, dans lequel une deuxième partie de ladite couronne annulaire intérieure adjacente à ladite première partie s'étend suivant un angle positif d'environ 10 à 40 degrés par rapport à l'axe central du rotor.
  4. 4. Diffuseur selon la revendication 2, dans lequel une deuxième partie (132) de ladite couronne annulaire intérieure (114) au voisinage immédiat de ladite première partie (122) s'étend suivant un angle d'environ 10 à 40 degrés par rapport à l'axe central (A) du rotor.
  5. 5. Diffuseur selon la revendication 1, dans lequel, à ladite sortie (138) du diffuseur, ladite couronne annulaire intérieure (114) s'étend sensiblement perpendiculairement à ladite première partie (122) de ladite couronne annulaire intérieure
  6. 6. Diffuseur selon la revendication 3, dans lequel ladite longueur radiale de l'axe géométrique central est comprise entre environ 508 mm (20 ") et environ 1 778 mm (70 ").
  7. 7. Diffuseur selon la revendication 3, dans lequel ledit angle est de 25 à 30 degrés par rapport audit axe central (A) du rotor.
  8. 8. Diffuseur selon la revendication 1, dans lequel ladite longueur radiale de l'axe géométrique central est choisie dans un groupe de longueurs comprenant environ 851 mm (33,5 "), environ 1 067 mm (42 ") et environ 1 219 mm (48 ").
  9. 9. Diffuseur selon la revendication 1, dans lequel une deuxième partie de ladite couronne annulaire intérieure (114) adjacente à ladite première partie (122) s'étend suivant un angle de sensiblement 30 degrés par rapport à un axe central (A) du rotor ; et ladite longueur est d'environ 0,60 fois la longueur radiale de l'axe géométrique central.
  10. 10. Diffuseur selon la revendication 9, dans lequel ladite longueur radiale de l'axe géométrique central est d'environ 851 mm (33,5 ").
  11. 11. Diffuseur pour carter de vapeur d'échappement adjacent à une rangée d'ailettes de dernier étage fixée à un rotor d'une turbine à vapeur, chaque ailette (120) de la rangée d'ailettes (12) du dernier étage ayant une partie formant plate-forme (124) et une partie formant pale, le diffuseur comportant : une couronne annulaire intérieure (114) de diffuseur et une couronne annulaire extérieure (116) de diffuseur définissant un trajet d'écoulement pour la vapeur sortant de la rangée d'ailettes du dernier étage dans une direction sensiblement axiale à une entrée (118) du diffuseur et tournant sensiblement de quatre-vingt-dix degrés vers une sortie (138) du diffuseur ; une première partie (122) de la couronne annulaire intérieure (114) s'étendant vers l'aval au-delà de ladite rangée d'ailettes du dernier étage sensiblement parallèlement à un axe central (A) du rotor ; ladite première partie (122) de ladite couronne annulaire intérieure ayant une dimension de longueur, vers l'aval depuis un axe géométrique central de ladite rangée d'ailettes du dernier étage, d'environ 0,60 fois une longueur radiale d'axe géométrique central depuis une partie formant plate-forme (124) jusqu'à un bout radialement extérieur (140) de l'une quelconque desdites ailettes de la rangée d'ailettes du dernier étage, et la longueur radiale de l'axe géométrique central étant choisie dans un groupe de longueurs comprenant environ 851 mm (33,5 "), environ 1 067 mm (42 ") et environ 1 219 mm (48 ").
  12. 12. Diffuseur selon la revendication 11, dans lequel une deuxième partie (132) de ladite couronne annulaire adjacente à ladite première partie (122) s'étend suivant un angle d'environ 20 à environ 30 degrés par rapport à un axe longitudinal du rotor.
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