B 12-0169FR 1 Supports de turbomachines à système de régulation thermique
L'invention concerne de façon générale des turbomachines et, plus particulièrement, des supports de turbomachines à système de régulation thermique. Dans une turbine à vapeur, après que la vapeur a été utilisée, elle est rejetée hors de la turbine à travers une enveloppe externe ou un carter d'échappement. Par exemple, un carter d'échappement basse pression (BP) pour un système d'échappement latéral contient l'enveloppe interne de la turbine. L'enveloppe interne est ordinairement supportée par diverses combinaisons de plaques transversales et verticales qui constituent une structure de support complexe pour le support vertical de l'enveloppe interne. Comme l'enveloppe interne et les diaphragmes correspondants sont très lourds, cette structure de support doit être très rigide. Par conséquent, le carter est très lourd et provoque des blocages du flux d'air, ce qui réduit la surface effective pour la diffusion. Une autre manière de supporter une enveloppe interne dans une installation à échappement latéral consiste à déployer un pied depuis le fond du carter de façon que le carter soit supporté depuis le fond, la base du carter constituant les fondations ou le sol de l'installation. Dans cette structure interne complexe, la charge de l'enveloppe interne est directement transmise aux fondations.
Cependant, dans ce cas, la dilatation thermique du pied est très grande. Par ailleurs, du fait du changement de contrepression et du changement de température d'échappement qui en résultent, la dilatation thermique du pied varie dans le temps. Cette dilatation thermique variable du pied crée des problèmes de jeux, car le mouvement du rotor ne varie pas puisque les paliers sont supportés par des montants installés sur les fondations. Un premier aspect de l'invention consiste en une turbomachine comportant une pluralité de supports pour une première enveloppe de la turbomachine, chaque support comprenant un système de régulation thermique servant à limiter la dilatation thermique de celui-ci. Un deuxième aspect de l'invention consiste en un support pour une turbomachine, le support comprenant : une colonne de support fixée sur des fondations, et un système de régulation thermique pour limiter la dilatation thermique du support. Un troisième aspect de l'invention consiste en une turbomachine à vapeur comportant : une pluralité d'étages ; une première enveloppe renfermant la pluralité d'étages, la première enveloppe comprenant une pluralité de supports pour celle-ci, chaque support ayant une colonne de support fixée sur des fondations et un pied creux installé sur la première enveloppe et conçu pour se monter par coulissement sur la colonne de support ; un système de régulation thermique pour chaque support, chaque système de régulation thermique comprenant : un conduit entourant la colonne de support, le conduit étant relié à une source de fluide de refroidissement, un joint d'étanchéité entre la colonne de support et le conduit assurant l'étanchéité d'un espace entre le conduit et la colonne de support, et un conduit conçu pour fournir au pied creux de la vapeur issue d'un étage de la pluralité d'étages. Les aspects caractéristiques de la présente invention sont conçus pour résoudre les problèmes décrits plus haut et/ou d'autres problèmes non abordés. L'invention sera mieux comprise à l'étude détaillée de quelques modes de réalisation pris à titre d'exemples non limitatifs et illustrés par les dessins annexés sur lesquels : - la figure 1 représente une vue en perspective partiellement en coupe d'une turbine à vapeur ; - la figure 2 représente une vue latérale en coupe d'une turbomachine munie de supports selon des formes de réalisation de l'invention ; - la figure 3 représente une vue en coupe d'une extrémité de la turbomachine de la figure 2, prise suivant la ligne A-A ; - la figure 4 est une vue agrandie en perspective d'une partie d'un support selon des formes de réalisation de l'invention ; et - la figure 5 représente une vue en coupe d'une partie d'un support selon des formes de réalisation de l'invention. I1 faut souligner que les dessins illustrant l'invention ne sont pas à l'échelle. Les dessins ne visent qu'à illustrer des aspects typiques de l'invention et ne doivent par conséquent pas être considérés comme limitant le cadre de l'invention. Sur les dessins, les mêmes repères numériques désignent des éléments identiques d'un dessin à un autre. Considérant les dessins, la figure 1 représente une vue en perspective partiellement en coupe d'un exemple de turbomachine 100 sous la forme d'une turbine à vapeur. Bien que les formes de réalisation de l'invention soient décrites à propos d'une turbine à vapeur, il est entendu que les principes s'appliquent également à n'importe quelle forme de turbomachine, par exemple une turbine à gaz, un compresseur, etc. En outre, les formes de réalisation de l'invention peuvent être appliquées à n'importe quel type de système dans lequel une enveloppe interne se trouve à l'intérieur d'une enveloppe ou carter externe, par exemple pour un échappement latéral, un échappement vers le bas ou un échappement axial. L'exemple de turbomachine 100 comporte un rotor 102 qui comprend un arbre rotatif 114 et une pluralité de grilles d'aubes 118 de rotor à espacement axial. Une pluralité d'aubes rotatives 120 sont montées mécaniquement sur chaque grille d'aubes 118 du rotor. Plus particulièrement, les aubes 120 sont disposées en rangées qui s'étendent dans la direction circonférentielle autour de chaque grille 118 d'aubes de rotor. Une pluralité d'aubes fixes 122 s'étendent dans la direction circonférentielle autour de l'arbre 114, et les aubes fixes sont disposées axialement entre des rangées adjacentes d'aubes rotatives 120. Les aubes fixes 122 coopèrent avec les aubes rotatives 120 afin de former un étage et de définir une partie de la veine d'écoulement de vapeur dans la turbomachine 100. Une enveloppe 130 entoure les grilles 118 d'aubes du rotor. L'enveloppe 130 est supportée par une pluralité de supports 132 (figure 2), chaque support ayant un système de régulation thermique 150 (figure 2) afin de limiter la dilatation thermique de celui-ci. Durant le fonctionnement, de la vapeur 124 entre par une entrée 126 de la turbine à vapeur et est amenée à passer par les aubes fixes 122. Les aubes 122 dirigent la vapeur 124 vers l'aval contre les aubes rotatives 120. La vapeur 124 passe par les autres étages en communiquant une force aux aubes rotatives 120, ce qui fait tourner l'arbre 114. Au moins une extrémité de la turbine 100 peut s'étendre axialement depuis le rotor 112 et peut être fixée à une charge ou une machine (non représentée) telle qu'un alternateur et/ou une autre turbine. Considérant les figures 2 et 3, la figure 2 représente une vue latérale en coupe de la turbomachine 100 ayant une pluralité de supports 132 pour une première enveloppe (interne) 130 de la turbomachine 100. La figure 3 représente une vue en coupe selon la ligne A-A d'une extrémité de la turbomachine de la figure 2, l'ensemble de supports 132 de droite étant supprimé pour plus de clarté. Comme indiqué plus haut et comme décrit plus en détail ici, chaque support 132 comprend un système de régulation thermique 150 servant à limiter la dilatation thermique de celui-ci.
Comme représenté sur les figures 2 et 3, chaque support 132 peut comprendre une colonne de support 134 fixée sur des fondations 136, par exemple d'une centrale, pour supporter une première enveloppe, interne, 130. Comme illustré, quatre colonnes 134 servent à supporter l'enveloppe interne 130 ; cependant, on peut employer un nombre de colonnes différent de quatre. Les colonnes 134 sont conçues pour supporter la totalité de la charge de l'enveloppe interne 130, d'un éventuel diaphragme (non représenté) dans l'enveloppe interne 130 et les éventuelles charges dynamiques pendant le fonctionnement. Elles peuvent, par exemple, être en acier, en béton ou une combinaison de ceux-ci. Les fondations 136 peuvent également comprendre des colonnes verticales 138 qui soutiennent, par exemple, des paliers 140 pour l'arbre 114 (figure 1) et/ou une seconde enveloppe, externe, 142 (également appelée carter). Chaque colonne de support 134 peut s'étendre à travers la seconde enveloppe, externe, 142 qui entoure la première enveloppe, interne, 130. Un système de régulation thermique 150 peut se présenter sous un certain nombre de formes utilisables seules ou en combinaison. Dans un premier mode de réalisation, représenté sur les figures 2 et 3, le système de régulation thermique 150 peut comporter un conduit 152 entourant la colonne de support 134. Le conduit 152 peut, par exemple, être de la même matière que la seconde enveloppe, externe, 142 (par exemple, de l'acier). Un joint d'étanchéité 154 peut être disposé entre la colonne de support 134 et le conduit 152 pour fermer hermétiquement un espace 155 (uniquement sur les figures 3 et 4, la figure 4 étant sans le joint) entre le conduit 152 et la colonne de support 134. Le joint 154 peut se présenter sous l'une quelconque des diverses formes pour monter un conduit sur une surface, par exemple une feuille ou une membrane en polymère fixée hermétiquement au conduit 152 et à la colonne 134. Comme illustré sur la figure 3, dans une forme de réalisation, le joint 154 est disposé à une extrémité du conduit 152, juste sous l'endroit où la colonne de support 134 est montée pour supporter la première enveloppe, interne, 130, par exemple par l'intermédiaire d'un support classique 156. Le joint 154 assure l'étanchéité de l'extrémité supérieure du conduit 152 et isole tout échange de force entre la seconde enveloppe, externe, 142 et des pieds creux 170, décrits plus loin. Par conséquent, les supports 132 isolent les colonnes 134 contre une exposition à la vapeur d'échappement dans la seconde enveloppe, externe, 142. Lors d'un fonctionnement en régime stable, l'espace 155 peut finalement atteindre la même température que dans la seconde enveloppe, externe, 142. Cependant, le conduit 152 peut être raccordé à une source de fluide de refroidissement pour refroidir la colonne de support 134. Dans un mode de réalisation, la source de fluide de refroidissement est de l'air atmosphérique. Par exemple, la source de fluide de refroidissement peut comprendre une exposition à de l'air atmosphérique provenant de l'extérieur de la seconde enveloppe, externe, 142 via le conduit 152, ce dernier débouchant à une extrémité inférieure à travers la seconde enveloppe, externe, 142. Ainsi, chaque colonne de support 134 s'étend à travers la seconde enveloppe, externe, 142 qui entoure la première enveloppe, interne, 130 et la source de fluide de refroidissement est de l'air atmosphérique provenant de l'extérieur de la seconde enveloppe. Selon une autre possibilité, une pompe 156 telle qu'un système à soufflerie peut être prévue pour propulser le fluide de refroidissement le long de la colonne de support 134 à l'intérieur du conduit 152. Dans ce cas, le fluide de refroidissement peut être amené à circuler suivant le trait discontinu 158 de la figure 3. Une pompe 156 peut être souhaitable pour assurer une circulation continue d'air dans l'espace 155. Une circulation constante d'air peut être requise pour maintenir la température de l'air dans l'espace 155 proche de la température atmosphérique afin d'empêcher une élévation de la température dans la colonne 134 et une dilatation thermique de celle-ci même si la contrepression peut changer. Dans un mode de réalisation, le volume de fluide de refroidissement peut être régulé par la pompe 155 à partir des signaux fournis par toute sorte de capteurs (non représentés), par exemple des capteurs de température à l'intérieur du conduit 152, sur la colonne de support 134, dans la seconde enveloppe, externe, 142, etc. Par conséquent, le mouvement des supports 132 sera totalement isolé des variations de la contrepression. Ainsi, cet agencement peut être utilisé pour un fonctionnement à contrepression variable, surtout en cas de forte contrepression lorsque la température d'échappement est très élevée, notamment dans des centrales électriques où sont utilisés des condenseurs à refroidissement par air. Considérant les figures 2 et 4, dans un autre mode de réalisation, chaque support 132 comprend un pied creux 170, s'étendant depuis la première enveloppe, interne, 130 et conçu pour se monter d'une manière coulissante sur la colonne de support 134. Dans ce cas, chaque système de régulation thermique 150 comprend une conduite 172 fournissant au pied creux 170 un fluide moteur tel que du gaz ou de la vapeur à partir d'un étage de la turbomachine 100 (figure 1). La pression dans le pied creux 170 est donc celle du ou des étages choisis P(L-1) et la pression à l'extérieur du pied creux 170 est la pression d'échappement P(exh). De nombreux paramètres concernant la présente forme de réalisation peuvent être choisis pour faciliter le refroidissement du support 132. Par exemple, la hauteur du pied creux 170 et la température du fluide moteur (à l'extérieur des divers étages) peuvent être choisies de sorte que la dilatation thermique nette de l'ensemble de la structure fixe concorde avec la dilatation du rotor 102. Un avantage est que la température du fluide moteur dans la turbomachine 100 ne varie pas sensiblement avec le changement de contrepression, ce qui signifie que, à tous les régimes de la turbomachine 100, la structure fixe bougera à peu près dans la même mesure. La conduite 172 peut prélever du fluide moteur dans n'importe quel(s) étage(s) dans lequel/lesquels l'état du fluide moteur peut être avantageux pour le refroidissement du support 132. Bien que la conduite 172 soit représentée à l'extérieur de la première enveloppe, interne, 130, elle peut aussi être placée à l'intérieur de l'enveloppe 130, des ouvertures appropriées étant prévues pour le pied creux 170 en vue d'une communication du fluide moteur avec celui-ci. Le pied creux 170 peut être monté d'une manière coulissante sur la colonne de support 134, par exemple grâce à un coulisseau 180, pour permettre un mouvement assez libre mais empêcher une séparation sous l'effet de la dilatation thermique et/ou d'autres conditions de fonctionnement. Comme représenté sur la figure 5, une structure intermédiaire 182, par exemple en acier, peut être intercalée entre le pied creux 170 et le coulisseau 180 pour permettre un bon alignement. Afin d'assurer une évacuation correcte du fluide moteur condensé, par exemple de l'eau, le pied creux 170 peut comprendre une ouverture d'évacuation 184. L'ouverture d'évacuation 184 facilite également le maintien d'un grand coefficient de transfert de chaleur à l'intérieur du pied creux 170, ce qui favorise la réaction des pieds 170 à la température choisie du fluide moteur plutôt qu'à la température d'échappement. Par ailleurs, une couche d'isolation 186 peut être disposée autour du pied creux 170 afin d'éviter toute condensation sur l'extérieur du pied creux 170 et/ou d'ajuster les conditions thermiques à l'intérieur du pied creux 170. La couche d'isolation 186 peut comprendre, par exemple, une tôle métallique mince ou n'importe quelle autre couverture isothermique qui maintiendra un faible coefficient de transfert de chaleur sur une surface extérieure du pied creux 170 afin de réduire encore les effets de la température d'échappement (dans la seconde enveloppe, externe, 142) sur les pieds creux. Si l'ouverture d'évacuation 184 est présente, elle peut traverser la couche d'isolation 186. Le pied creux 170 peut être en n'importe quelle matière apte à résister aux sollicitations ambiantes et structurales exercées sur celle-ci, par exemple en acier. D'une manière classique, un jeu d'une dimension finie est assuré entre le rotor 102 et la structure fixe qui l'entoure afin d'éviter les frottements. Ce jeu est essentiel, car la dilatation thermique relative et la déformation du rotor 102 et de la structure fixe ne sont pas nulles. Comme n'importe quel jeu offre un chemin supplémentaire permettant à de la vapeur de s'échapper sans avoir servi à produire de l'électricité, le jeu utilisé est limité au minimum possible. Les pieds creux 170, réduisent, entre autre, la dilation thermique entre le rotor 102 (figure 1) et la structure fixe qui l'entoure. En particulier, si on utilise l'agencement décrit, le rotor 102 (figure 1) qui est supporté sur les fondations 136 par les supports 132 subira une dilatation verticale à partir d'une position alignée, qui est généralement le plan horizontal de séparation pour l'ensemble de la turbomachine à vapeur. Dans le cas présent, la dilatation thermique du rotor 102 sera principalement due à la dilatation thermique des supports 132, à la montée du film d'huile et à la dilatation du rotor 102 sous l'effet de la température de la vapeur. Par conséquent, le jeu entre le rotor 102 (figure 2) et la structure fixe qui l'entoure peut être encore plus limité, ce qui a pour conséquence de meilleures performances de la turbomachine.
Liste des repères 100 Turbomachine 102 Rotor 114 Arbre rotatif 118 Gilles 118 d'aubes de rotor 120 Aubes rotatives 122 Aubes fixes 130 Enveloppe 132 Supports 150 Système de régulation thermique 124 Vapeur 126 Entrée 134 Colonne de support 136 Fondations 130 Enveloppe intérieure 138 Colonnes verticales 140 Paliers 142 Enveloppe extérieure 152 Conduit 154 Joint d'étanchéité 155 Espace 156 Support classique 170 Pieds creux 156 Pompe 158 Trait discontinu 172 Conduite 182 Structure intermédiaire 180 Coulisseau 184 Ouverture d'évacuation 186 Couche d'isolation