FR2978794A1 - Ailette de turbine a gorge axiale - Google Patents

Abstract

Une ailette de turbine et des turbines correspondantes (20) sont décrites. Selon un aspect, l'ailette (2) de turbine comporte : une aube (4) ; et une base (6) assujettie à l'aube (4), la base (6) étant conçue pour se fixer à un rotor (32) de turbine, radialement vers l'intérieur de l'aube (4), la base (6) comprenant une première gorge semi-elliptique (10) qui s'étend sensiblement sur toute la longueur axiale de la base (6).

Description

Ailette de turbine à gorge axiale La présente invention concerne une ailette de turbine et des turbines correspondantes. En particulier, la présente invention concerne une base (ou emplanture) d'ailette de turbine comportant un canal semi-elliptique conçu pour assurer l'écoulement axial d'un fluide de refroidissement dans une turbine. Certains systèmes de centrales électriques, par exemple certains systèmes de centrales électriques nucléaires, à cycle simple et à cycle combiné, emploient des turbines pour faire fonctionner des alternateurs et produire de l'électricité. Certaines de ces turbines (par exemple, les turbines à vapeur) sont entraînées par un flux de vapeur à haute température amené à passer par des ensembles de distributeurs (ou aubes) fixes et sur la face d'aubes mobiles de turbine, faisant tourner ces aubes mobiles en même temps que le rotor de turbine. Cette vapeur à haute température peut avoir une incidence négative sur certaines pièces de la turbine, notamment un rotor tambour. Une exposition prolongée du rotor tambour à la vapeur à haute température risque de provoquer un fonctionnement inefficace, de la corrosion, un endommagement du système et un besoin de remises en état du rotor et/ou de remplacement du rotor. Dans certains systèmes, on cherche à contrer les effets ci- dessus provoqués par la vapeur à haute température en réalisant le rotor de turbine à l'aide de matières plus déformables. Cependant, l'introduction de ces matières plus déformables dans la constitution d'un rotor de turbine est susceptible d'accroître les coûts globaux. De plus, ces matières sont susceptibles d'accroître la complexité du processus de conception et de fabrication des turbines.

Une ailette de turbine et des turbines correspondantes sont présentées ici. Selon un aspect, l'ailette de turbine comporte : une aube ; et une base assujettie à l'aube, la base étant conçue pour se fixer à un rotor de turbine, radialement vers l'intérieur de l'aube, la base comprenant une première gorge semi-elliptique s'étendant sensiblement sur toute la longueur axiale de la base. Un premier aspect de l'invention consiste en une ailette de turbine ayant : une aube ; et une base assujettie à l'aube, la base étant conçue pour se fixer à un rotor de turbine, radialement vers l'intérieur de l'aube, la base comprenant une première gorge semielliptique s'étendant sensiblement sur toute la longueur axiale de la base. Un deuxième aspect de l'invention consiste en une turbine ayant : un stator ; un diaphragme logé au moins partiellement dans le stator ; et un rotor sensiblement entouré par le diaphragme, le rotor comprenant : une ailette de turbine ayant : une aube ; et une base assujettie à l'aube, la base étant fixée au rotor radialement vers l'intérieur de l'aube, la base comprenant une première gorge semielliptique s'étendant sensiblement sur toute la longueur axiale de la base. Un troisième aspect de l'invention consiste en une turbine ayant : un stator comportant un circuit de refroidissement qui s'étend à travers celui-ci ; et un rotor sensiblement entouré par le stator et en communication fluidique avec le circuit de refroidissement, le rotor comprenant : une pluralité d'ailettes de turbine, chacune des différentes ailettes de turbine ayant : une aube ; et une base assujettie à l'aube, la base étant fixée au rotor, radialement vers l'intérieur de l'aube, la base comprenant sur l'intrados une gorge semi-elliptique s'étendant sensiblement sur toute la longueur axiale de la base, la gorge semi-elliptique sur l'intrados coopérant avec une gorge semi-elliptique sur l'extrados de l'une, adjacente, des différentes ailettes de turbine afin de former un conduit de fluide s'étendant axialement le long de l'aube. 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 en trois dimensions en gros plan d'une ailette de turbine selon des formes de réalisation de l'invention ; - la figure 2 représente une vue en bout en trois dimensions d'une pluralité d'ailettes de turbine, alignées d'une manière partiellement circonférentielle, selon des formes de réalisation de l'invention ; et - la figure 3 représente une vue en coupe d'une partie d'une turbine selon des formes de réalisation de l'invention. On notera que les dessins illustrant l'invention ne sont pas forcément à l'échelle. Les dessins visent à illustrer uniquement des aspects typiques de l'invention et ne doivent par conséquent pas être considérés comme limitant la portée de l'invention. Sur les dessins, des repères identiques désignent des éléments identiques d'un dessin à un autre. Des aspects de l'invention proposent une ailette de turbine. En particulier, des aspects de l'invention décrite ici concernent une embase (ou un pied) d'ailette de turbine ayant un canal semi- elliptique conçu pour assurer l'écoulement axial d'un fluide de refroidissement dans une turbine. Comme évoqué plus haut, certains concepteurs de turbines ont cherché à empêcher les effets préjudiciables provoqués par la vapeur à haute température sur les pièces des rotors de turbines en utilisant des matières plus déformables pour constituer le rotor de turbine. Cependant, l'introduction de ces matières plus déformables dans la constitution d'un rotor de turbine est susceptible d'accroître les coûts globaux. De plus, ces matières risquent d'accroître la complexité du processus de conception et de fabrication des turbines. A la différence de solutions selon la technique antérieure, des aspects de l'invention comprennent l'introduction d'un circuit de refroidissement comprenant un passage d'écoulement axial de fluide dans une turbine afin de permettre le refroidissement de pièces (par exemple, de pièces de rotor) d'une turbine. En particulier, des aspects de l'invention consistent en une ailette de turbine à gorge semi-elliptique conçue pour permettre un écoulement axial d'un fluide de refroidissement dans des parties d'un rotor de turbine afin de refroidir le rotor (par exemple, le tambour).

Considérant la figure 1, il y est représenté une vue en perspective en trois dimensions en gros plan d'une ailette 2 de turbine. Selon un aspect de l'invention, l'ailette 2 de turbine comporte : une aube 4 mobile ; et une base 6 assujettie à l'aube 4. La base 6 et l'aube 4 peuvent être assujetties l'un à l'autre à l'aide de moyens classiques, par exemple par soudage, brasage ou autres moyens de fixation classiques. La base 6 et l'aube 4 peuvent être sensiblement constitués d'un métal (par exemple, de l'acier), et peuvent être formés séparément (par exemple, au moyen de procédés de moulage et/ou de forgeage séparés), ou ensemble (par exemple, sous la forme d'éléments fabriqués d'un seul tenant). De toute manière, l'aube 4 et la base 6 peuvent être assujetties et, en service, la base 6 est conçue pour coopérer avec une rainure dans un rotor (non représentée sur cette vue) de turbine. La base 6 est conçue pour se fixer au rotor de turbine, radialement vers l'intérieur de l'aube (indiqué par la flèche directionnelle "r"), au moyen d'une forme en queue d'aronde, désignée par les parties 8 à forme en queue d'aronde. La coopération entre les parties 8 en queue d'aronde de l'ailette 2 de turbine sera expliquée plus en détail ici en référence aux autres figures.

Comme illustré également sur la figure 1, la base 6 comprend une première gorge semi-elliptique 10 s'étendant sensiblement sur toute la longueur axiale (L) de la base. Dans une forme de réalisation, la première gorge semi-elliptique 10 peut s'étendre sur toute la longueur axiale L de la base, à l'exception de la longueur axiale des parties en queue d'aronde 8. Comme décrit plus en détail et illustré ici, si la première gorge semi-elliptique 10 s'étend sensiblement sur toute la longueur axiale L de la base 6, et lorsqu'elle est conçue pour coopérer avec des gorges semielliptiques adjacentes (décrites plus en détail ici), cela peut contribuer à créer un conduit axial de fluide efficace, faisant partie d'un circuit de refroidissement permettant la circulation axiale d'un agent de refroidissement vers l'aval à travers le rotor. Comme représenté, la première gorge semi-elliptique 10 peut définir un segment 12 de l'embase 6 s'étendant au moins partiellement à la perpendiculaire d'un axe primaire (ab) de l'ailette 2 de turbine (l'axe primaire (ab) de l'ailette 2 de turbine étant sensiblement aligné avec l'axe radial (r)). Dans certaines formes de réalisation, la première gorge semi-elliptique 10 peut avoir un grand rayon (ra) d'environ 2,03 à 2,54 mm (environ 0,08 à (,1 pouces). Le grand rayon sera limité par l'épaisseur de la base 6 formant la gorge semi-elliptique 10. Comme décrit plus en détail ici, le grand rayon (ra) de la première gorge semi-elliptique 10 peut être distinct du petit rayon (rb) de la seconde gorge semi-elliptique 14, sachant que, comme le nom l'indique, le petit rayon (rb) est plus petit que le grand rayon (ra). Ainsi, l'intrados de l'ailette 2 de turbine peut comprendre une gorge semi-elliptique ayant un rayon distinct d'un rayon de l'extrados de l'ailette 2 de turbine. De plus, chaque rayon respectif (grand et/ou petit) peut être sensiblement non uniforme sur l'ensemble de la longueur axiale L de la base 6. Ainsi, dans certaines formes de réalisation, un ou plusieurs des rayons (ra) et (rb) peut/peuvent varier sur l'ensemble de la longueur axiale L, si bien que, sur une vue axiale en perspective, la gorge 10 apparaît comme étant divergente ou convergente. Dans certains cas, des bases 6 adjacentes peuvent avoir des gorges adjacentes à rayons convergents ou divergents, qui peuvent être associées pour former respectivement des canaux convergents ou divergents. Dans une autre forme de réalisation possible, dans la base 6 peut être formée une gorge d'une forme distincte du type semielliptique comme représenté. Par exemple, des types employant des angles (par exemple, une forme hexagonale, octogonale, en losange, etc. partielle) peuvent également être utilisés pour constituer une partie d'un canal axial, comme décrit ici. Ces autres formes de réalisation possibles s'accompagneront vraisemblablement de plus fortes contraintes à proximité des gorges, car la configuration elliptique est conçue pour supporter de plus fortes contraintes. De toute manière, la base 6 peut avoir une forme conçue pour coopérer avec une base complémentaire 6 dont la gorge a une structure conçue pour former au moins partiellement un canal de refroidissement axial.

Comme représenté sur la figure 1, la base 6 peut comporter en outre une seconde gorge semi-elliptique 14 s'étendant sensiblement sur toute la longueur axiale L de la base. Cette seconde gorge semi-elliptique 14 peut s'étendre en sens inverse, par rapport à la base 6, à la première gorge semi-elliptique 10. Par exemple, en cas d'alignement dans une turbine (représenté ici), la première gorge semi-elliptique 10 peut être sur un intrados 11 de la base 6 tandis que la seconde gorge semi-elliptique 14 peut être sur un extrados circonférentiel 15 de la base 6. En cas d'alignement sous la forme d'une pluralité de bases sensiblement similaires 6, la première d'attaque 10 d'une premier base 6 peut coopérer avec la gorge 14 d'intrados d'une base adjacente afin de former un canal (figure 2) et assurer sensiblement une étanchéité aux fluides d'une partie de ce canal par rapport à l'aube 4. Dans certaines formes de réalisation, la première gorge semi-elliptique 10 (et, dans certains cas, la seconde gorge semielliptique 14) peut être constituée d'une matière sensiblement identique au reste de la base 6. Par exemple, dans certains cas, la base 6 ainsi que les gorges 10, 14 peuvent être sensiblement constituées d'acier, par exemple un acier martensitique inoxydable.

Certains aspects de l'invention peuvent permettre l'utilisation de matières d'un coût relativement plus bas en comparaison de bases de rotor classiques, car les bases (par exemple, la base 6) représentés et décrits ici subissent un plus grand refroidissement en raison des gorges qu'ils comportent, en comparaison de bases de rotor classiques. Dans certaines formes de réalisation, la base 6 et les gorges 10, 14 peuvent être formées d'un seul tenant. Dans un cas, la base 6 et les gorges 10, 14 peuvent être réalisées d'un seul tenant par moulage ou forgeage. Dans un autre cas, la base 6 et les gorges 10, 14 peuvent être usinées (par exemple, par coupe) dans une ou plusieurs pièces de matière (par exemple, de l'acier) réunies. Des formes de réalisation supplémentaires sont également possibles compte tenu des divers aspects de l'invention décrits ici et, dans certains cas, des parties des gorges 10, 14 (par exemple, le segment 12 et un segment correspondant de la gorge 14) peuvent être formées séparément de la base 6, et réunies ultérieurement (par exemple, par soudage, brasage, etc.). Considérant la figure 2, il y est représenté une vue en bout en trois dimensions d'une pluralité d'ailettes 2 de turbine, alignées d'une manière partiellement circonférentielle, selon des formes de réalisation de l'invention. Comme représenté, les différentes ailettes 2 de turbine sont disposées sensiblement dans la direction circonférentielle autour d'un axe (a, orienté vers le centre de la page) d'un rotor de turbine (le rotor est absent sur cette vue). Ainsi qu'il ressort également de la figure 2, des ailettes adjacentes 2 de turbine et, en particulier, des gorges semi-elliptiques adjacentes 10 peuvent faire partie d'un circuit de fluide (par exemple, un circuit de refroidissement) 16 conçu pour recevoir un fluide de refroidissement, comme expliqué plus en détail ici. Dans certaines formes de réalisation, des ensembles adjacents de premières gorges et de dernières gorges (par exemple, la première gorge semielliptique 10 et la seconde gorge semi-elliptique 14) peuvent être réunis (soit simplement par des forces de contact et de compression, soit par soudage, brasage ou autres moyens de fixation) afin de faire partie du circuit 16 de fluide. Considérant la figure 3, une vue en coupe d'une partie d'une turbine 20 comprend un stator 22 renfermant au moins partiellement un diaphragme 24, comprenant une pluralité d'étages 26 de distributeurs statiques (ayant des aubes fixes 28 de distributeurs).

Un fluide de travail (par exemple, de la vapeur) est amené à passer (par exemple, depuis une source non représentée de vapeur) sur les faces des aubes fixes 28 de distributeurs, qui guident de ce fait le fluide de travail respectivement sur les aubes 4 de chaque étage 30 de turbine. Le diaphragme 24 entoure sensiblement un rotor 32, le rotor ayant une pluralité de rainures en queue d'aronde 34 destinées à recevoir les parties en queue d'aronde 8 de la base 6. En outre, le rotor 32 peut tourner autour de son axe central (a), entraîné par le flux du fluide de travail s'écoulant sur les aubes 4 montés sur celui-ci (à l'aide des bases respectives 6). Dans la turbine 20 de la figure 3 apparaissent également les gorges semi-elliptiques 10, qui peuvent contribuer à définir une partie d'un circuit de refroidissement 36 (grâce à quoi le circuit de refroidissement s'étend sur toute la longueur axiale d'une partie du rotor 32). Ainsi, chacune de ces gorges semi-elliptiques 10 peut s'étendre sur toute la longueur axiale (suivant l'axe "a") des bases repectives 6, guidant de ce fait axialement l'écoulement du fluide dans le rotor 32 de turbine. Le circuit de refroidissement 36 peut s'étendre d'une entrée 38 dans la turbine 20 à une partie du rotor 32, grâce à quoi il passe radialement vers l'intérieur des aubes 4. Le circuit de refroidissement 36 peut être partiellement défini par des éléments (désignés par les lettres "E" et "F") s'étendant axialement depuis des faces à orientation axiale de la base 6 et/ou des étages 26 de distributeurs (au niveau d'un segment annulaire de diaphragme). Le circuit de refroidissement 36 peut en outre être défini, selon des aspects de l'invention, par les gorges semi-elliptiques 10 s'étendant sur toute la longueur axiale des bases 6. Cette partie du circuit de refroidissement 36 est désignée dans des zones par la lettre "G" qui correspond à des parties du circuit de refroidissement 36 s'étendant entre des ouvertures présentes dans des bases 6 adjacentes dans la direction circonférentielle (installés dans les étages 30). Comme décrit ici, l'utilisation de ces gorges semi-elliptiques 10 peut sensiblement assurer une étanchéité aux fluides des aubes 4 par rapport au circuit de refroidissement 36. Ainsi, les gorges semi- elliptiques 10 peuvent sensiblement assurer une isolation aux fluides d'organes de la turbine (par exemple, les zones par où passe le fluide de travail) par rapport au circuit de refroidissement 36. Ces gorges semi-elliptiques 10 peuvent contribuer à créer un circuit de refroidissement efficace 36, en maintenant de ce fait une température souhaitable du rotor 32. Dans certains cas, le fluide de travail (par exemple, de la vapeur) empruntant le circuit de refroidissement 36 peut avoir une température inférieure d'au moins 112°C (200°F) à la température du fluide de travail. A mesure que le fluide de travail s'écoule axialement dans la turbine, sa température s'élève et peut devenir proche de la température du fluide de travail. Des aspects de l'invention proposent des configurations d'une partie d'un circuit de refroidissement dans un rotor de turbine (par exemple, un rotor tambour). Les détails décrits ici peuvent être combinés avec d'autres détails (par exemple, l'utilisation d'éléments axiaux s'étendant depuis des parties à orientation axiale de la base 6) afin de compléter un circuit de refroidissement efficace 36 qui isole le fluide de travail de la turbine par rapport au fluide de refroidissement. Comme évoqué, dans certaines formes de réalisation, les "gorges" décrites ici peuvent se présenter sous diverses formes qui suffisent à sensiblement assurer une étanchéité aux fluides de parties du circuit de refroidissement (par exemple, le circuit de refroidissement 36) par rapport aux aubes (par exemple, l'aube 4). L'utilisation du/des circuits de refroidissement décrits ici peut permettre la construction d'une turbine (par exemple, la turbine 20) en utilisant moins de matières réfractaires en comparaison de certaines turbines selon la technique antérieure.

Liste des repères 2 Ailette de turbine 4 Aube 6 Base 8 Parties en queue d'aronde Première gorge semi-elliptique 11 Intrados 12 Segment 10 14 Seconde gorge semi-elliptique Extrados 16 Circuit de fluide Turbine 22 Stator 15 24 Diaphragme 26 Etages de distributeurs 28 Aubes fixes de distributeurs 30 Etage de turbine 32 Rotor 20 34 Rainures à queue d'aronde 36 Circuit de refroidissement 38 Entrée

Claims (10)

1. REVENDICATIONS1. Ailette (2) de turbine comportant : une aube (4) ; et une base (6) assujettie à l'aube (4), la base (6) étant conçue pour se fixer à un rotor (32) de turbine, radialement vers l'intérieur de l'aube (4), la base (6) comprenant une première gorge semi-elliptique (10) s'étendant sensiblement sur toute la longueur axiale de la base (6).
2. 2. Ailette (2) de turbine selon la revendication 1, dans laquelle la base (6) comprend une partie en queue d'aronde (8) conçue pour coopérer avec une ouverture en queue d'aronde (34) présente dans le rotor (32) de turbine.
3. 3. Ailette (2) de turbine selon la revendication 1, dans laquelle la première gorge semi-elliptique (10) a un rayon d'environ 2,03 à environ 2,54 mm (environ 0,08 à (,1 pouces).
4. 4. Ailette (2) de turbine selon la revendication 1, dans laquelle la première gorge semi-elliptique (10) a un rayon non uniforme sur l'ensemble de la longueur axiale de la base (6).
5. 5. Ailette (2) de turbine selon la revendication 1, dans laquelle la première gorge semi-elliptique (10) a un premier rayon et est formée sur un intrados (11) de la base (6), et comportant en outre une seconde gorge semi-elliptique (14) ayant un second rayon plus petit que le premier rayon, la seconde gorge semi-elliptique (14) étant formée sur un extrados (15) de la base (6).
6. 6. Ailette (2) de turbine selon la revendication 1, comportant en outre : une seconde gorge semi-elliptique (14) s'étendant sensiblement sur toute la longueur axiale de la base (6), la première gorge semi-elliptique (10) et la seconde gorge semi-elliptique (14) définissant des parties de la base (6) qui s'étendent au moins partiellement à la perpendiculaire d'un axe primaire (ab) de l'ailette (2) de la turbine (20), dans des directions opposées par rapport à la base (6), et la première gorge semi-elliptique (10) ayant un rayon plus grand qu'un rayon de la seconde gorge semi-elliptique (14).
7. 7. Ailette (2) de turbine selon la revendication 1, dans laquelle la première gorge semi-elliptique (10) est conçue pour coopérer avec une seconde gorge semi-elliptique (14) d'une ailette adjacente (2) de turbine afin de sensiblement former un canal (36),.
8. 8. Turbine (20) comportant un stator (22) un diaphragme (24) au moins partiellement logé dans le stator (22) ; et un rotor (32) sensiblement entouré par le diaphragme (24), le rotor (32) comprenant : une ailette (2) de turbine ayant une aube (4) et une base (6) assujettie à l'aube (4), la base (6) étant conçue pour se fixer au rotor (32), radialement vers l'intérieur de l'aube (4), la base (6) comprenant une première gorge semi-elliptique (10) qui s'étend sensiblement sur toute la longueur axiale de la base (6).
9. 9. Turbine selon la revendication 8, dans laquelle la base (6) comprend une partie en queue d'aronde (8) conçue pour coopérer avec une ouverture en queue d'aronde (34) présente dans le rotor (32) de turbine.
10. 10. Turbine (20) comportant : un stator (22) dans lequel passe un circuit de refroidissement (36) ; et un rotor (32) sensiblement entouré par le stator (22) et en communication fluidique avec le circuit de refroidissement (36), le rotor (32) comprenant : une pluralité d'ailettes (2) de turbine, chacune des différentes ailettes (2) de turbine ayant : une aube (4) ; et une base (6) assujettie à l'aube (4), la base (6) étant fixée au rotor (32), radialement vers l'intérieur de l'aube (4), la base (6) comprenant une gorge semi-elliptique (10) d'intrados s'étendant sensiblement sur toute une longueur axiale de la base (6), la gorge semi-elliptique (10) sur l'intrados coopérant avec une gorge semi-elliptique (14) sur l'extrados dans une ailette adjacente parmi les différentes ailettes (2) de turbine afin de former un conduit (36) de fluide s'étendant axialement le long de l'aube