Turbomachine à système déflecteur de flux
La présente invention concerne de façon générale les turbomachines et, plus particulièrement, les turbines à vapeur à système déflecteur de flux ayant, pour un meilleur rendement, des prolongements servant à limiter le flux de fuite dans les deux directions axiale et radiale. Généralement, les turbomachines telles que les turbines à vapeur, les turbines à gaz et autres comportent des rangées alternées de pales profilées ou ailettes rotatives et des rangées de pales profilées ou distributeurs fixes. Chaque rangée de pales rotatives peut être fixée à un rotor pour tourner avec celui-ci. Chaque rangée de pales fixes peut être fixée, à une extrémité, à un carter, chacune des pales fixes s'étendant radialement vers l'intérieur en direction d'un anneau de garniture et du rotor. L'anneau de garniture peut avoir des bandes d'étanchéité s'étendant depuis les surfaces rotatives et les surfaces fixes de manière à former un intervalle entre elles. D'autres configurations peuvent être utilisées. En fonctionnement, les pales rotatives et fixes détendent le flux de fluide les traversant. A mesure que le fluide passe axialement dans la turbine, la pression du fluide diminue. Par exemple, la pression du fluide en aval d'une rangée de pales fixes est inférieure à la pression en amont de la même rangée. Le fluide recherche le cheminement offrant le moins de résistance, si bien qu'une fuite risque de survenir dans l'intervalle pour anneau de garniture entre la pale fixe et le rotor. Ce flux de fuite peut entrer radialement dans la veine d'écoulement principale en amont de la pale rotative. Le flux de fuite peut se mélanger de manière aléatoire avec le flux principal et provoquer une augmentation des pertes par mélange ou intrusion. Le mélange aléatoire du flux dans l'intervalle avec le flux principal provoqué par intrusion ainsi que les pertes de flux plus fortes dans l'intervalle pour anneau de garniture nuisent aux performances et au rendement globaux de la turbine. On a donc besoin de turbomachines perfectionnées afin de limiter aussi bien les pertes par intrusion que les flux de fuite globaux dans les intervalles de manière à améliorer le rendement global. Limiter ce flux de fuite a pour effet qu'une plus grande partie du fluide de travail produit un travail utile. De préférence, ces améliorations quant au flux de fuite dans les intervalles peuvent être obtenues sans le recours à des joints à brosse coûteux et complexes ni à d'autres types de pièces sujettes à l'usure et l'arrachement. La présente invention propose donc une turbomachine comportant un certain nombre d'ailettes, un certain nombre de distributeurs et un système déflecteur de flux. Le système déflecteur de flux peut comporter un déflecteur d'ailette et un déflecteur de distributeur afin de limiter les pertes par flux de fuite passant par ceux-ci afin d'améliorer le rendement global. La présente invention propose en outre un procédé de limitation de pertes par flux de fuite dans une turbine, comportant les étapes d'écoulement d'un flux de fuite dans un intervalle pour distributeur, la mise en place d'un prolongement d'ailette dans un espace axial entre une ailette et un distributeur adjacent à l'intervalle pour distributeur, le chevauchement du prolongement d'ailette dans l'espace axial avec un prolongement de distributeur afin de limiter le flux de fuite dans celui-ci, et le guidage du flux de fuite sortant de l'espace axial en direction d'un flux principal. La présente invention propose en outre un système déflecteur de flux comportant un déflecteur d'ailette placé autour d'une ailette, un déflecteur de distributeur placé autour d'un distributeur, et une matière susceptible d'abrasion du distributeur placée autour du déflecteur de distributeur et/ou une matière d'ailette susceptible d'abrasion placée autour du déflecteur d'ailette.
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 est une vue schématique d'une section de turbine ; - la figure 2 est une vue schématique d'une partie de turbine avec un système déflecteur de flux selon la présente invention ; - la figure 3 est une vue latérale partielle en coupe du système déflecteur de flux selon la figure 2 ; - la figure 4 est une vue latérale partielle en coupe d'un système déflecteur de flux selon un deuxième mode de réalisation de l'invention ; - la figure 5 est une vue latérale partielle en plan d'un système déflecteur de flux selon un troisième mode de réalisation de l'invention ; - la figure 6 est une vue latérale partielle en plan d'un système déflecteur de flux selon un quatrième mode de réalisation de l'invention ; - la figure 7 est une vue latérale partielle en plan d'un système déflecteur de flux selon un cinquième mode de réalisation de l'invention ; - la figure 8 est une vue latérale partielle en plan d'un système déflecteur de flux selon un sixième mode de réalisation de l'invention ; - la figure 9 est une vue latérale partielle en plan d'un système déflecteur de flux selon un septième mode de réalisation de l'invention ; - la figure 10 est une vue latérale partielle en plan d'un système déflecteur de flux selon un huitième mode de réalisation de l'invention ; - la figure 11 est une vue latérale partielle en plan d'un système déflecteur de flux selon la présente invention ; et - la figure 12 est une vue schématique d'une partie d'un compresseur à système déflecteur de flux selon la présente invention. Considérant maintenant les dessins, sur lesquels les mêmes repères désignent sur toutes les différentes vues des éléments identiques, la figure 1 représente une partie d'une turbomachine 10.
Telle qu'illustrée, la turbomachine 10 est une turbine à vapeur 15. Une turbine à gaz et d'autres configurations et types de turbomachines peuvent également être utilisés ici. La turbine à vapeur 15 comporte un certain nombre de pales profilées ou ailettes rotatives 20. Les ailettes rotatives 20 sont fixées à un rotor 25 pour tourner avec celui-ci. Les ailettes rotatives 20 sont placées entre des rangées d'un certain nombre d'ailettes ou distributeurs fixes 30. Les ailettes fixes 30 s'étendent depuis un carter 35 à une première extrémité jusqu'à un anneau de garniture 40 à l'autre extrémité. L'anneau de garniture 40 a un certain nombre de bandes d'étanchéité 45 placées aussi bien sur la pale fixe 30 que sur le rotor 25. Un intervalle 50 pour anneau de garniture peut s'étendre entre la pale fixe 30 et le rotor 25. Un flux de fuite 55 peut passer dans celui-ci. La nature du flux de fuite 55 peut varier. D'autres pièces et d'autres configurations peuvent être utilisées ici.
La figure 2 représente une partie d'une turbomachine 100 telle que par exemple une turbine à vapeur 110. Des turbines à gaz et d'autres turbomachines peuvent également être utilisées ici. La turbine à vapeur 110 comporte un certain nombre de pales profilées ou ailettes rotatives 120. Les ailettes 120 sont fixées à un rotor 130 et un disque 140. De même, la turbine à vapeur 110 comporte un certain nombre de pales profilées fixes ou distributeurs 150. Les distributeurs 150 s'étendent radialement vers le rotor 130 et un anneau de garniture 160 est disposé à une extrémité de celui-ci à proximité du rotor 130. Un intervalle 170 pour anneau de garniture peut s'étendre entre l'anneau de garniture 160 et le rotor 130. Bien qu'un flux principal 180 puisse passer entre les ailettes 120 et les distributeurs 150, un flux de fuite 190 peut chercher à s'échapper par l'intervalle 170 pour anneau de garniture et jusque dans un espace axial 195 entre les ailettes 120 et les distributeurs 150. Telle qu'illustrée, la turbine à vapeur 110 comporte également un système déflecteur 200 de flux de fuite. Le système déflecteur 200 de flux de fuite comporte un déflecteur 210 d'ailette. Le déflecteur 210 d'ailette comprend un prolongement amont 220 d'ailette en amont 230 de celui-ci et un prolongement aval 240 d'ailette en aval 250 de celui-ci. Les prolongements 220, 240 d'ailette peuvent s'étendre depuis le disque 140 sous l'ailette 120 et s'étendre jusque dans l'espace axial 195. Bien que les prolongements 220, 240 d'ailette soient représentés comme ayant une forme en grande partie rectangulaire 260, aux angles émoussés, n'importe quelle taille ou forme voulue peut être utilisée ici. Le système déflecteur 200 de flux peut également comporter un déflecteur 270 de flux placé autour de chaque distributeur 150. Le déflecteur 270 de distributeur peut comprendre un prolongement amont 280 de distributeur placé en amont 290 de celui-ci et un prolongement aval 300 de distributeur placé en aval 310 de celui-ci. Les prolongements 280, 300 de distributeur peuvent s'étendre jusque dans l'espace axial 195. Les prolongements 220, 240 d'ailette et les prolongements 280, 300 de distributeur peuvent se chevaucher les uns les autres dans une mesure variable. Bien que les prolongements 280, 300 de distributeur soient représentés comme ayant une forme rectangulaire 320 à angles émoussés, n'importe quelle taille ou forme peut être utilisée ici. De même, bien que les prolongements 220, 240 d'ailette soient représentés par-dessous les prolongements 280, 300 de distributeur, les prolongements 280, 300 de distributeur peuvent être sur le dessus et/ou un prolongement 220, 240 d'aube mobile peut être sur le dessus et un prolongement 280, 300 de distributeur peut être sur le dessus dans n'importe quelle configuration.
Le déflecteur 270 de distributeur peut également comporter une matière alvéolaire en nid d'abeille ou une certaine quantité de matière susceptible d'abrasion placée sous les prolongements 280, 300 de distribution et dans l'axe des prolongements 220, 240 d'ailette en tant que matière susceptible d'abrasion 330 du distributeur. L'utilisation de la matière susceptible d'abrasion empêche un éventuel endommagement des prolongements 220, 240 d'aube mobile. La matière susceptible d'abrasion. La matière susceptible d'abrasion 330 du distributeur peut avoir différentes tailles et formes. La matière susceptible d'abrasion peut être appliquée directement sur la cavité du distributeur ou être fixée à une plaque pouvant être placée dans la cavité du distributeur. D'autres types de procédés de fixation peuvent être utilisés ici. En fonctionnement, le flux de fuite 190 peut passer par l'intervalle 170 pour anneau de garniture. Lorsque le flux de fuite 190 atteint l'aval 310 du distributeur 150, le chevauchement du prolongement aval 300 de distributeur et du prolongement amont 220 d'ailette crée une résistance au flux de fuite 300 et le prolongement amont 220 d'ailette crée une résistance au flux de fuite 190 pénétrant dans l'espace axial 195. Cette résistance accrue limite donc le flux de fuite 190 dans celui-ci. Par ailleurs, le flux de fuite 190 qui ne s'écoule pas dans celui-ci est alors guidé dans la même direction que le flux principal 180. De la sorte, les pertes par intrusion provoquées par le mélange aléatoire entre le flux de fuite 190 et le flux principal 180 peuvent être réduites. La réduction du volume du flux de fuite 190 ainsi que du mélange aléatoire provoqué par l'intrusion du flux de fuite 190 dans le flux principal 180 améliore donc le rendement global de la turbomachine. Diverses variantes peuvent être utilisées ici. Comme représenté sur la figure 3, par exemple, les prolongements 220, 240 d'ailette peuvent s'étendre à proximité de la matière susceptible d'abrasion 330 du distributeur 150. En variante, l'espacement des prolongements 220 d'une ailette et de la matière susceptible d'abrasion 330 d'un distributeur peut être agrandi comme représenté sur la figure 4 afin de créer entre eux un espace 340 pour prolongements. On peut utiliser ici des dimensions, espacements et configurations différents. De même, les prolongements eux-mêmes peuvent avoir des formes différentes. Comme représenté sur la figure 5, les prolongements 220, 240 d'ailette peuvent se prolonger par une pointe aiguë 350 (comme sur la figure 9). Comme représenté sur la figure 6, une pointe verticale 355 peut également être utilisée. La pointe verticale 355 peut s'étendre vers le haut ou vers le bas. De même, les prolongements 220, 240 d'ailette peuvent aussi utiliser une matière susceptible d'abrasion 360 d'ailette sur ceux-ci, comme représenté sur la figure 7 (comme sur la figure 12). De la même manière, les distributeurs 150 peuvent comprendre une cavité 370 de distributeur au lieu d'utiliser la matière susceptible d'abrasion 330 de distributeur. De même, les prolongements 280, 300 de distributeur peuvent s'étendre jusque dans un rebord orienté vers le bas 380, comme représenté sur la figure 8, une pointe émoussée 390 comme représenté sur la figure 9, une pointe verticale aiguë 400 (orientée vers le haut ou vers le bas) comme représenté sur la figure 10, ou une pointe aiguë 410 comme représenté sur la figure 11. De nombreuses configurations et conceptions peuvent être utilisées ici.
Le système déflecteur 200 de flux réduit ainsi le flux de fuite total 190 et les pertes causées par l'intrusion du flux de fuite 190 dans le flux principal 180. Ces réductions permettent d'accroître le rendement global du système sans recourir à des joints à brosse coûteux ou complexes. Le système déflecteur 200 de flux limite les espaces radial et axial et réoriente le flux de fuite 190 dans la direction du flux principal 180. De plus, il est possible des améliorations aux efforts globaux subis par l'aube mobile. Le système déflecteur 200 de flux peut être utilisé avec des sections haute pression, moyenne pression et/ou basse pression de la turbine à vapeur 110 ou autrement. Le système déflecteur 200 de flux peut aussi servir avec n'importe quel type de turbomachine 100. Telle qu'illustrée sur la figure 12, la turbomachine 100 se présente sous la forme d'un compresseur 420. Le compresseur 420 utilise le système déflecteur 200 de flux comme décrit plus haut à propos du déflecteur 210 d'ailette et du déflecteur 270 de distributeur. Le distributeur 150 comprend le prolongement amont 280 de distributeur, le prolongement aval 300 de distributeur et la matière susceptible d'abrasion 330 de distributeur. De même, le déflecteur 210 d'ailette comprend le prolongement amont 220 d'ailette, le prolongement aval 240 d'ailette et la matière susceptible d'abrasion 360 d'ailette. Tel qu'illustré, le flux principal 180 est comprimé de façon que la pression augmente à mesure que le flux descend. Le flux de fuite 190 s'échappe ainsi depuis l'aval 250 de l'ailette 120 et se dirige vers l'amont 290. Ainsi, le flux de fuite 190 peut être arrêté par le prolongement amont 280 de distributeur en combinaison avec le prolongement aval 240 d'ailette et la matière susceptible d'abrasion 360 d'ailette. D'autres pièces et d'autres configurations peuvent être utilisées ici.
Liste des repères 10 Turbomachine 15 Turbine à vapeur 20 Ailettes 25 Rotor 30 Distributeurs 35 Carter 40 Anneau de garniture 45 Bandes d'étanchéité 50 Intervalle 55 Flux de fuite 100 Turbomachine 110 Turbine à vapeur 120 Ailettes 130 Rotor 140 Disque 150 Distributeurs 160 Anneau de garniture 170 Intervalle 180 Flux principal 190 Flux de fuite 195 Espace axial 200 Système déflecteur de flux 210 Déflecteur d'ailette 220 Prolongement amont d'ailette 230 Amont du déflecteur 210 240 Prolongement aval d'ailette 250 Aval du déflecteur 210 260 Forme émoussée 270 Déflecteur de distributeur 280 Prolongement amont de distributeur 290 Amont du déflecteur 270 300 Prolongement aval de distributeur 310 Aval du déflecteur 270 320 Forme émoussée 330 Matière susceptible d'abrasion de distributeur 340 Espace pour prolongement 350 Pointe aiguë 355 Pointe verticale 360 Matière susceptible d'abrasion d'ailette 370 Cavité de distributeur 380 Rebord orienté vers le bas 390 Pointe émoussée 400 Pointe verticale 410 Pointe aiguë 420 Compresseur