Principes et conception des turbines à vapeur - PDF

Here is the transcription of the document you sent to me. # 3B2 Chapitre 1 ## Principes et conception des turbines à vapeur ### Objectifs de l'apprentissage Vous pourrez particulièrement accomplir les tâches qui suivent: 1. Expliquer les principes de marche des turbines à action. Décrire les tuyè...

Here is the transcription of the document you sent to me. # 3B2 Chapitre 1 ## Principes et conception des turbines à vapeur ### Objectifs de l'apprentissage Vous pourrez particulièrement accomplir les tâches qui suivent: 1. Expliquer les principes de marche des turbines à action. Décrire les tuyères convergentes et divergentes et les profils de pression-vitesse dans une section à action. 2. Expliquer les principes de marche des turbines à réaction et décrire les profils de pression-vitesse dans les aubes à réaction. 3. Expliquer la pression, la vitesse et la combinaison pression-vitesse des turbines à action. Décrire les profils de pression-vitesse ainsi que le but et les applications de chacun. 4. Expliquer le but, les principes généraux de marche et l'agencement de chacun des types suivants de turbine : à condensation, à condensation-soutirage, à contre-pression, à soutirage, superposée, à pression mixte, compound transversale et compound en tandem. 5. Décrire les conceptions des enveloppes de turbine types et énoncer le but et l'emplacement des raccords d'enveloppe, y compris les vidanges et les robinets sentinels. Décrire les conceptions et les principes des joints d'étanchéité de l'enveloppe/arbre. 6. Décrire les conceptions et les applications des rotors à disque et des rotors à tambour. Décrire les méthodes de fixation des rotors et des aubes de l'enveloppe et expliquer les agencements de dispositifs d'étanchéité des aubes. 7. Expliquer la poussée dans une grande turbine et décrire les méthodes pour compenser la poussée, y compris les paliers de butée, le piston d'équilibrage et le palier de butée réglable. 8. Identifier les conceptions types et les composantes des petites et grandes turbines industrielles. Expliquer les spécifications de caractéristique de taille/capacité et les applications types. ### OBJECTIF 1 Expliquer les principes de marche des turbines à action. Décrire les tuyères convergentes et divergentes et les profils de pression-vitesse dans une section à action. #### PRINCIPES DE MARCHE DES TURBINES À ACTION La détente de la vapeur à haute pression dans une tuyère fixe entraîne une chute de pression de la vapeur et une augmentation de sa vitesse; en fait, la vapeur sort de la tuyère sous la forme d'un jet à haute vitesse. Si cette vapeur est appliquée à une aube de turbine de la forme appropriée, elle change de direction en raison de la forme de l'aube, comme l'illustre la figure 1. L'effet de ce changement de la direction du débit de vapeur produit une impulsion mécanique, indiquée par $F$ à la figure 1, sur l'aube ce qui la fait se déplacer. Si l'aube est fixée au rotor d'une turbine, le rotor se met alors à tourner. Figure 1 shows a cross-section of an action turbine blade with steam entering the blade near the "Bord d'attaque" label, the steam passes through the curve of the blade to the "Sortie de vapeur" or steam outlet. On the diagram, steam is moving from right to left through the blade. À la figure 1, une force appliquée à l'aube est développée en changeant la direction d'écoulement de la vapeur (deuxième loi de Newton – changement de force vive); le changement de force vive produit l'impulsion mécanique. Dans une turbine, il y a un nombre de tuyères fixes et les aubes mobiles sont disposées tout autour du rotor. #### Tuyères et augets d'une turbine à action La figure 2 illustre un écorché de tuyères et d'augets d'une turbine à action. L'auget ou aube mobile sur le rotor convertit l'énergie cinétique de la vapeur en énergie mécanique qui fait tourner l'arbre. Figure 2 shows an isometric view of a turbine nozzle and a set of buckets. A flow of steam would pass through the nozzle and cause the set of buckets to rotate with the "Roue". The nozzle is labeld "Tuyere" and the buckets are labeled "Augets". Les inconvénients de cette turbine sont la vitesse très élevée avec une force centrifuge extrêmement élevée et des pertes élevées par frottement en raison de la vitesse élevée de la vapeur. #### TUYÈRES DE VAPEUR Les tuyères sont habituellement en Monel formé sur des matrices spéciales. Le Monel est un alliage de nickel-cuivre à charge de rupture élevée. Chaque tuyère est conçue individuellement pour la bonne détente de la vapeur à la pression et à la température indiquées. Les passages de vapeur vers les tuyères sont à l'extérieur de l'enveloppe. Les deux types suivants de tuyères sont utilisés pour les turbines à vapeur : * convergent et * convergent-divergent. #### Tuyère convergente La tuyère convergente, illustrée à la figure 3, est utilisée pour les faibles chutes de pression. À mesure que la chute de pression dans la tuyère est accrue, la vitesse de la vapeur est également accrue, mais seulement jusqu'à la pression de sortie particulière appelée pression critique qui correspond à 0,577 fois la pression d'entrée. Avec une diminution de la pression de sortie à une pression au-dessous de la pression critique, toute énergie additionnelle qui est ajoutée forme des Figure 3 shows cross-section of a convergent nozzle. The nozzle narrows from its entrance at "Entrée" to its exit at "Sortie". The flow is labeld "Écoulement". courants de Foucault à la sortie de la tuyère plutôt que d'augmenter la vitesse de la vapeur. #### Tuyère convergente-divergente Lorsque de grandes chutes de pression sont exigées, on utilise une tuyère convergente-divergente, illustrée à la figure 4. La pression à la partie la plus étroite de la tuyère, le col, devrait être à la pression critique. La pression continue de tomber dans la partie divergente de la tuyère qui est conçue de manière qu'elle ait un volume croissant pour égaler l'augmentation de volume de vapeur à mesure que la pression diminue. Une tuyère convergente-divergente bien conçue peut manipuler toute chute de pression pour produire la vitesse de vapeur calculée sans courants de Foucault. Figure 4 shows a cross-section of a convergent-divergent nozzle. The nozzle constricts from its entrance at "Entreé" to its narrowest point labeled "Col" then the nozzle opens up wider to "Sortie" as the steam passes through it flowing from left to right. The flow of steam is labeled "Écoulement", "Section convergente" or converging section occurs as steam passes into the throat of the nozzle, and "Section divergente" or divergent section occurs after the throat as steam exits the device. #### PROFIL DE PRESSION-VITESSE D'UNE TURBINE À ACTION La figure 5 illustre l'agencement de la tuyère et de l'aube d'une turbine à action simple et le graphique indique comment la pression et la vitesse de la vapeur changent alors que la vapeur passe d'abord dans les tuyères fixes, puis dans les aubes mobiles. Notez que la pression tombe et la vitesse augmente alors que la vapeur passe dans les tuyères. Lorsqu'elle passe dans les aubes mobiles, la vitesse diminue, mais la pression reste la même. Figure 5 shows the velocity and pressure profiles for a turbine's blade. The diagram shows the pressure of entering steam declining while the steam velocity goes up, there is almost no change in pressure between the steam entree and the exit of the blade, at the "pression du condenseur". Le fait que la pression ne tombe pas dans les aubes mobiles est la caractéristique distinctive de la turbine à action. La pression, à l'entrée des aubes mobiles, est la même que celle à la sortie des aubes mobiles. ### OBJECTIF 2 Expliquer les principes de marche des turbines à réaction et décrire les profils de pression-vitesse dans les aubes à réaction. #### PRINCIPES DE MARCHE D'UNE TURBINE À RÉACTION Si les aubes mobiles d'une turbine ont une forme telle que la vapeur se détend et sa pression diminue quand elle y passe, il se produit une réaction qui donne une force aux aubes. Cet effet de réaction peut s'illustrer en prenant un contenant rempli de vapeur à haute pression, comme à la figure 6. S'il n'y a pas d'ouverture d'échappement ou de tuyère pour la vapeur, la pression est la même sur toutes les parois du contenant et le contenant reste au repos. Si toutefois il y a une ouverture d'échappement ou une tuyère, la vapeur se détend dans l'ouverture et sa pression diminue. Il en résulte une pression déséquilibrée sur la paroi qui est à l'opposé de l'ouverture et une force de réaction R est produite faisant déplacer le contenant. Figure 6 shows a closed container containing steam with a small door. This door opens and the steam flows out producing the force of reaction, or "Effet de réaction". La figure 7 illustre un diagramme de ce principe appliqué à un entraînement par turbine. Figure 7 shows a pure reaction turbine. Steam enters the turbine at the middle along the bottom, the steam moves up into the turbine, then flows out through curved nozzles to spin the turbine. The steam empties outside the turbine. Une turbine à réaction compte des rangées d'aubes fixes qui alternent avec des rangées d'aubes mobiles. La vapeur se détend d'abord dans les aubes fixes où elle prend de la vitesse à mesure que sa pression tombe. Elle entre ensuite dans les aubes mobiles où la direction de son écoulement change, produisant une force sur les aubes. Cette force est produite conformément à la troisième loi du mouvement de Newton qui indique que chaque action comporte une réaction égale et opposée. Cette séquence se répète alors que la vapeur passe dans les rangées additionnelles d'aubes fixes et mobiles. #### Aubes de réaction À la figure 8, l'aube de réaction d'une turbine à vapeur a une forme plus arrondie que celle d'une aube à action. Une aube à réaction se caractérise par un grand angle d'entrée de près de 90° et un petit angle de refoulement. Le bord d'attaque est arrondi contrairement au bord d'attaque aigu de l'aube à réaction illustrée à la figure 1. L'aube a un bord de fuite long et conique avec le bord convexe qui devient droit ou presque droit. Figure 8 shows a reaction blade, with the steam moving from left to right. The steam enters at "Bord d'attaque" and flows through the "Écoulement". The steam leaves along "Sillage" until it exits at the far right at its "Bord de fuite". #### PROFIL DE PRESSION-VITESSE D'UNE TURBINE À RÉACTION La figure 9 illustre la disposition des aubes et les changements de pression et de vitesse de la vapeur dans une turbine à réaction. La pression de vapeur tombe dans les aubes fixes et mobiles alors que la vitesse absolue augmente dans les aubes fixes et tombe dans les aubes mobiles. Figure 9 shows the pressure-velocity profile of a reaction turbine. A graph shows "Pression de la vapeur qui entre" going down. The steam velocity both increases and decreases. The diagram shows "Vapeur vive qui entre" passes through "Aubes fixes" and "Aubes mobiles". La caractéristique de la turbine à réaction est le fait que la pression diminue dans les aubes mobiles. Autrement dit, il y a une différence de pression entre l'admission aux aubes mobiles et la sortie des aubes mobiles. #### Aspects particuliers des turbines à réaction * Il y a une différence de pression dans les aubes mobiles. La vapeur tend donc à fuir autour des bords des aubes plutôt que de passer à travers les aubes. Les jeux des aubes doivent donc être maintenus à un minimum. * Compte tenu de la chute de pression dans les aubes mobiles, une poussée déséquilibrée se développe sur le rotor et il faut un dispositif quelconque pour compenser. ### OBJECTIF 3 Expliquer la pression, la vitesse et la combinaison pression-vitesse des turbines à action. Décrire les profils de pression-vitesse et le but et les applications de chacun. #### SÉPARATION DES ÉATGES D'UNE TURBINE À ACTION Pour que la vapeur donne toute son énergie cinétique aux aubes mobiles dans une turbine à réaction, la vapeur doit sortir des aubes à la vitesse la plus faible possible, idéalement à une vitesse zéro absolue. Cette condition se produit si la vitesse des aubes est égale à la moitié de la vitesse de la vapeur. Si la vapeur se détend de la pression d'admission à la pression d'échappement finale dans un groupe de tuyères (un étage), la vitesse de la vapeur qui sort des tuyères peut être d'environ 1100 m/s. Afin d'être efficace, la vitesse des aubes doit être d'environ 550 m/s ce qui exige une vitesse de rotation excessivement élevée du rotor de la turbine et une défaillance en raison des forces centrifuges élevées est vraisemblable. Des pertes élevées par frottement dans les tuyères et les aubes se produisent en raison de la vitesse excessivement élevée de la vapeur. Pour réduire la vitesse de la vapeur et des aubes, il faut utiliser une des méthodes suivantes : * étages de pression; * étages de vitesse; ou * étages de pression-vitesse. #### Étages de pression Les étages de pression réduisent la vitesse de la vapeur et des aubes en permettant à la pression de la vapeur de tomber dans au moins deux étages; deux turbines à action ou plus sont utilisées dans une seule enveloppe. Un groupe de tuyères fixes suivi d'un disque à rotor avec aubes s'appelle étage de pression. L'agencement des tuyères et des aubes pour une turbine à action à étages de pression est illustré à la figure 10. Alors que la vapeur passe dans le premier groupe de tuyères, la pression tombe et la vitesse augmente. La vapeur passe ensuite dans les aubes mobiles où la pression reste presque constante et la vitesse de la vapeur tombe à près de zéro. Le deuxième groupe de tuyères fixes cause une chute additionnelle de pression et une augmentation de la vitesse de la vapeur. Le deuxième groupe d'aubes mobiles cause lui aussi une chute de la vitesse de la vapeur alors que la pression reste constante. Figure 10 shows a pressure-velocity graph. As the steam passes through the "turbine à action à étages de pression avec graphique de pression-vitesse" the graph shows declines and rises in pressure. On the diagram, "Vitesse de la vapeur qui sort" and "Vapeur vive qui entre" are labeled. La détente de la vapeur de la pression de la chaudière à la pression d'échappement se fait dans un nombre d'étages. Chaque étage possède un groupe de tuyères et une rangée d'aubes mobiles. Les rangées d'aubes mobiles sont séparées les unes des autres par des cloisons ou diaphragmes dans lesquels sont installées les tuyères. Les avantages de ce type de turbine sont le rendement accru en raison de la diminution des pertes par frottement et les forces centrifuges réduites. La turbine peut également être conçue pour une grande échelle de conditions de vapeur d'entrée pour une vitesse de rotation donnée. #### Étages de vitesse La turbine à étages de vitesse illustrée à la figure 11 consiste en un groupe de tuyères fixes et un rotor avec deux groupes d'aubes rotatives, séparés par un groupe d'aubes fixes. La chute totale de pression de la vapeur se produit dans le groupe d'aubes fixes. Le premier groupe d'aubes rotatives réduit la vitesse de la vapeur de près de moitié. Les aubes fixes redirigent ensuite la vapeur, avec peu de perte de vitesse, vers le deuxième groupe d'aubes rotatives. À mesure que la vapeur passe dans le deuxième groupe d'aubes rotatives, la vitesse tombe à la vitesse de sortie. La pression reste constante dans les trois groupes d'aubes. Figure 11 shows a "Turbine à action à étages de vitesse avec graphique de pression-vitesse". Steam enters the turbine and declines in pressure, the velocity of steam rises and falls as steam passes though "Aubes mobiles". "Vapeur vive qui entre" is displayed in the diagram. Le résultat de la réduction de la vitesse de la vapeur dans deux étages est que la vitesse des aubes rotatives est la moitié de la vitesse des aubes d'une turbine à action à un étage (en supposant que tous les autres facteurs sont inchangés). La taille des aubes du deuxième groupe rotatif est près du double de la taille des aubes du deuxième groupe. Puisque le même volume de vapeur passe dans les deux groupes d'aubes, la vitesse de la vapeur qui entre dans le deuxième groupe d'aubes est la moitié de la vitesse de la vapeur qui entre dans le premier groupe. #### Étages de pression-vitesse Une turbine à étages de pression-vitesse réduit la pression de vapeur et la vitesse en deux étapes ou plus. La turbine à action à étages de pression-vitesse, illustrée à la figure 12, est un nombre de turbines à pression-vitesse en série dans une seule enveloppe. Comme l'indique le graphique, la chute de pression, de l'entrée au condenseur, est divisée entre deux groupes de tuyères avec chaque groupe de tuyères alimentant une turbine à étages de vitesse. Les graphiques de pression et de vitesse sont les mêmes, pour les deux étages de vitesse, sauf pour la chute de pression entre les étages. Figure 12 shows a "Turbine à action à étages de pression-vitesse avec graphique de pression-vitesse" The diagram shows the graph of steam flow in a turbine. "Vapeur vive qui entre" at the entrance and the "pression du condenseur" along with "Vitesse de la vapeur qui sort" as steam exits. L'avantage des étages de pression-vitesse est que les hautes pressions de vapeur peuvent être utilisées pour obtenir des vitesses de rotation relativement basses. Dans les grandes turbines à action, il est fréquent d'avoir un premier étage de vitesse suivi de plusieurs étages de pression dans la même enveloppe. La conception, illustrée à la figure 12, est une combinaison d'étages de vitesse et d'étages de pression. Chaque élément d'étages de pression ou étage contient un exemple complet d'étage de vitesse. La portion de la turbine illustrée à la figure 13 a un étage de vitesse et quatre étages de pression. Le graphique au-dessus de la coupe transversale des tuyères et des aubes montre comment la pression et la vitesse changent alors que la vapeur passe dans la turbine. La pression tombe à mesure que la vapeur se détend dans les tuyères, mais elle reste constante à mesure qu'elle passe dans les aubes mobiles. Figure 13 shows "Turbine à action avec étages de vitesse et de pression". Le premier étage est conçu pour une plus grande chute de pression que les autres étages, donc, la vitesse de la vapeur qui sort de la première tuyère est beaucoup plus élevée. Cette haute vitesse peut être utilisée pour produire le travail si elle est réduite en deux étapes. Ainsi, dans cet étage il y a habituellement deux rangées d'aubes mobiles et une rangée intermédiaire d'aubes de guidage fixes. La vitesse de la vapeur diminue dans les deux rangées d'aubes mobiles et elle reste constante dans les ailettes de guidage. ### OBJECTIF 4 Expliquer le but, les principes généraux de marche et l'agencement de chacun des types suivants de turbine : à condensation, à condensation-soutirage, à contre-pression, à soutirage, superposée, à pression mixte, compound transversale et compound en tandem #### TYPES DE TURBINES Il y a deux classes principales de turbines, soit à condensation et à contre-pression. Les turbines à condensation évacuent la vapeur à des pressions inférieures à la pression atmosphérique et les turbines à contre-pression évacuent la vapeur à une pression égale ou supérieure à la pression atmosphérique. Quatre types de base de turbine sont illustrés à la figure 14. Figure 14 shows types of turbine: * La turbine à condensation à un écoulement est le type le plus largement utilisé. Elle exige le moins de vapeur pour une puissance donnée. * La turbine à condensation à double écoulement permet des puissances et des vitesses plus élevées que le type à condensation à un écoulement. * La turbine à soutirage et/ou à action automatique combine les meilleures caractéristiques des turbines à condensation et à contre-pression. Elle alimente automatiquement la vapeur de procédé ou accepte l'excès de vapeur à une pression donnée. * La turbine à contre-pression est utilisée pour répondre aux exigences en vapeur de procédé a des niveaux de pression choisis. Plusieurs agencements sont possibles dans l'installation de turbines dans une centrale. La figure 15 illustre certaines applications courantes. #### Turbine à contre-pression (figure 15A) Ce type de turbine est utilisé quand toute ou presque toute la vapeur d'échappement de la turbine peut être utilisée pour le procédé ou la chauffe. Cette conception sert principalement dans les usines de procédé et elle agit comme poste de réduction entre une chaudière et un collecteur de vapeur de procédé. Un poste de régulation, qui maintient le collecteur de vapeur de procédé à la pression nécessaire, contrôle la pression de la vapeur d'échappement. Cette pression est gardée constante et le rendement de la génératrice dépend de la demande en vapeur de procédé. La turbine peut également être munie de points de soutirage (points où la vapeur est soutirée avec l'échappement de la turbine) et dans ce cas elle porte le nom de turbine à soutirage à contre-pression. #### Turbine à condensation (figure 15B, I) Ce type de turbine à vapeur est employé quand la vapeur d'échappement de la turbine ne peut être utilisée et la puissance doit être produite avec une quantité minimale de vapeur. Les turbines à condensation servent principalement comme commande pour une génératrice électrique dans une centrale électrique. Ces appareils évacuent la vapeur à une pression inférieure à la pression atmosphérique vers un condenseur où la vapeur est condensée par l'eau de refroidissement. Le condensat est retourné vers la chaudière comme eau d'alimentation. #### Turbine à soutirage à condensation (figure 15C) La turbine à soutirage à condensation réduit les pertes du condenseur en soutirant de la vapeur à un ou plusieurs points de la turbine; la vapeur soutirée sert à chauffer l'eau d'alimentation. Jusqu'à 2% de la vapeur totale peut être soutirée. #### Turbine à condensation à pression mixte (figure 15D) De la vapeur de procédé est appliquée à la partie basse pression des turbines à pression mixte. De la vapeur, à la pression de la chaudière, peut être ajoutée à la partie haute pression de la turbine, selon les besoins pour manipuler la charge de la génératrice. #### Turbines à soutirage (figures 15 E, F, G) Cette conception est employée principalement dans les usines de procédé où la vapeur d'échappement de la turbine peut être utilisée pour le procédé ou la chauffe. Dans les turbines à soutirage, la vapeur est extraite à un ou plusieurs points à une pression constante. Ces turbines sont à condensation à soutirage simple ou double ou à contre-pression à soutirage simple ou double. Les turbines peuvent également avoir des points de soutirage pour la chauffe de l'eau d'alimentation. #### Turbines superposées (figure 15 H) Les turbines superposées sont utilisées quand les vieilles chaudières à basse pression sont remplacées par des chaudières à haute pression. La turbine est à contre-pression pour l'entraînement mécanique ou la production de puissance électrique et elle est habituellement fabriquée sur commande pour des exigences particulières du client. Figure 15 shows: * Alimentation en vapeur à haute pression * Alimentation en vapeur intermédiaire * Superposable * Conduite de procédé à haute pression * Conduite de procédé à basse * Condenseur * À condensation à basse pression #### Turbines compound transversales Les turbines compound transversales sont de grandes turbines avec une génératrice sur chaque arbre. La vapeur s'écoule dans la turbine à haute pression, comme l'illustre la figure 16, puis elle est évacuée à la turbine à basse pression. La turbine compound transversale pour les grandes unités a l'avantage qu'il est plus facile de construire deux génératrices réduites de moitié qu'un grand appareil. La figure 17 illustre une turbine compound transversale, mais avec la vapeur qui entre dans le milieu de la turbine à basse pression et qui s'écoule à chaque extrémité. Figure 16 shows a "Turbine compound transversale". Figure 17 shows a "Turbine compound transversale avec turbine à basse pression à double écoulement". #### Turbines compound en tandem Les turbines compound en tandem, comme l'illustre la figure 18, sont de grandes turbines reliées ensemble sur un seul arbre et appliquées à une génératrice. La vapeur s'écoule dans les turbines de la turbine à haute pression à la turbine à basse pression. Figure 18 shows a "Turbine compound en tandem". ### OBJECTIF 5 Décrire les conceptions des enveloppes de turbine types et énoncer le but et l'emplacement des raccords d'enveloppe, y compris les vidanges et les robinets sentinels. Décrire les conceptions et les principes des joints d'étanchéité de l'enveloppe/arbre. #### ENVELOPPES DE TURBINE Les enveloppes de turbine doivent résister à la déformation dans des conditions de marche de pressions et de températures élevées de sorte que les faibles jeux libres des aubes et des garnitures à labyrinthe restent constants et que l'alignement du rotor de la turbine n'est pas touché défavorablement. #### Enveloppes en deux parties Les enveloppes ou les cylindres à plan de joint axial sont utilisés pour faciliter l'assemblage et l'inspection. Ce n'est pas idéal car les brides lourdes des joints prennent du temps à suivre les changements de température des parois du cylindre. Les enveloppes sont en matériaux épais pour résister aux pressions et aux températures élevées auxquelles elles sont exposées. Il est pratique courante de laisser l'épaisseur des parois et des brides diminuer de l'entrée jusqu'à l'extrémité échappement. Les grandes enveloppes pour les turbines à basse pression sont fabriquées de plaques soudées. Les enveloppes à basse pression plus petites sont en fonte ce qui peut résister à des températures pouvant atteindre 230 °C. Les enveloppes pour les pressions intermédiaires sont en acier au carbone coulé qui peut résister à des températures pouvant atteindre jusqu'à 425 °C. Les enveloppes à haute pression, haute température utilisées pour des températures supérieures à 550 °C sont en acier allié coulé avec 3% de chrome et 1% de molybdène. La raison des divers matériaux pour les enveloppes est que les matériaux à des températures maximales données et sous une pression constante continuent de se déformer avec une contrainte du matériau qui augmente très lentement. Le phénomène porte le nom de fluage. Les joints de l'enveloppe sont rendus étanches à la vapeur sans l'utilisation de garnitures en faisant correspondre de très près les faces usinées des brides. Les trous de boulon dans les brides sont percés pour ajuster facilement les boulons, mais des goujons sont souvent utilisés pour assurer un alignement exact du joint de bride. Un alésoir usine ensuite l'intérieur de l'enveloppe assemblée; des rainures sont faites pour les diaphragmes (pour les turbines à action) ou pour les aubes fixes (turbines à réaction). L'enveloppe est également alésée pour les joints d'arbre et dans plusieurs cas pour les roulements. Les brides des enveloppes à haute pression doivent être très épaisses. Par conséquent, elles chauffent beaucoup plus lentement que les parois de l'enveloppe. La chauffe de bride est souvent employée pour aider à la chauffe de ces brides. La vapeur s'écoule dans les passages usinés entre les brides ou dans les trous percés axialement dans les brides supérieures et inférieures. La figure 19 illustre la section inférieure d'une enveloppe à plan de joint axial. Le support à la ligne des centres permet à l'enveloppe de se dilater et de se contracter uniformément tout en maintenant en tout temps l'alignement. Figure 19 shows "Enveloppe inférieure et support d'une turbine". #### Enveloppe double La double enveloppe est utilisée pour les applications à pression de vapeur très haute. La haute pression est appliquée à l'enveloppe intérieure qui est ouverte à l'extrémité d'échappement laissant la turbine s'évacuer vers l'enveloppe extérieure. La pression est divisée entre les enveloppes et, ce qui est plus important, la température l'est aussi. Les contraintes thermiques sur les enveloppes et les brides sont donc largement réduites. La figure 20 illustre l'enveloppe double d'une turbine à haute pression. Figure 20 shows "Enveloppe double à haute pressure". #### VIDANGES D'ENVELOPPES DE CYLINDRE La pression de vapeur accrue et les températures plus élevées des turbines modernes ont réduit le pourcentage d'humidité de la vapeur à l'extrémité d'échappement. Une humidité de 14% est généralement considérée comme le maximum permis. La forme de l'enveloppe d'un cylindre permet à cette eau de se vidanger vers le condenseur, mais des rainures de vidange spéciales sont disposées dans l'enveloppe du cylindre pour aider à éliminer cette eau plus efficacement. Un exemple de ce type d'agencement de vidange est illustré à la figure 21. Figure 21 shows "Vidange de l'enveloppe d'un cylindre". The steam travels out the "Vidange vers le condenseur". #### ROBINETS SENTINELS La figure 22 illustre une turbine à vapeur à contre-pression largement utilisée dans l'industrie pétrolière et l'industrie de la pâte et du papier comme force motrice. Un robinet sentinel, sur le dessus de l'enveloppe, évacue la vapeur vers l'atmosphère lorsqu'une contre-pression excessive existe dans l'enveloppe. La possibilité d'une défaillance parce que le robinet d'échappement est fermé pendant le démarrage est donc évitée. Des vidanges sont installées sur la boîte à vapeur et l'enveloppe pour éliminer le condensat pendant le démarrage. Figure 22 shows "Turbine à vapeur industrielle". #### JOINTS D'ARBRE Des joints d'arbre doivent être installés afin d'empêcher ou du moins réduire la fuite de vapeur à l'endroit où les arbres se prolongent dans les enveloppes. De plus, lorsque les turbines à basse pression sont sous vide, les joints doivent empêcher l'air de fuir dans l'enveloppe. #### Bague d'étanchéité au carbone Il est possible d'utiliser des bagues au carbone ou de garniture doux ordinaires pour les petites turbines. La bague de carbone, à la figure 23, se compose de trois segments, aboutés ensemble de manière très serrée sous la pression d'un ressort expandeur. Le ressort entoure la bague, permettant un certain réglage radial, mais empêchant le mouvement axial. Figure 23 shows "Bague d'étanchéité au carbone". #### Garnitures à labyrinthe Les bagues peuvent aussi créer de la chaleur lorsqu'elles portent sur l'arbre, c'est pourquoi les bagues au carbone sont limitées aux arbres de moins de 150 mm de diamètre. Pour les grandes turbines, des garnitures à labyrinthe sont utilisées. La garniture à labyrinthe compte un nombre de bagues de 1 mm à 2 mm d'épaisseur fixées seulement à l'arbre et réduites à la périphérie extérieure en un bord tranchant avec un jeu minuscule à l'enveloppe. Les bagues sont en laiton ou en acier inoxydable. Le bord tranchant assure une meilleure étanchéité et disparaît facilement sans chauffe excessive en cas de léger décentrement de l'arbre. La figure 24 illustre différents types de garnitures à labyrinthe. Figure 24 shows "Différents types de garnitures à labyrinthe". #### Joints hydrauliques Les turbines à haute pression, qui fonctionnent à des pressions supérieures à 10 000 kPa, ont un problème d'étanchéité puisque la garniture à labyrinthe simple pour cette pression serait extrêmement longue ou aurait des fuites excessives de vapeur. Ce problème est résolu en utilisant une série de poches de vapeur entre les groupes de garnitures à labyrinthe. Les poches de vapeur sont évacuées à plusieurs endroits différents, comme les conduites d'extraction de vapeur du collecteur d'eau d'alimentation et l'échappement de la turbine. Figure 25 shows "Joint hydraulique". Ni les bagues au carbone ni les garnitures à labyrinthe empêchent toutes les fuites. Si une garniture positive ou étanche est nécessaire, un joint hydraulique, comme celui à la figure 25, peut être installé. Il consiste en un rotor sur l'arbre de la turbine qui tourne dans une enveloppe remplie d'eau. L'eau est projetée du rotor et forme un obstacle d'eau étanche. Les joints hydrauliques sont principalement appliqués aux presse-garnitures à basse pression pour protéger contre l'infiltration d'air, mais ils peuvent également être appliqués comme joint final pour les presse garnitures à pression intermédiaire et à haute pression. Le joint hydraulique ne peut fonctionner correctement à basse vitesse. Il faut donc appliquer de la vapeur de garniture pour l'étanchéité pendant le démarrage jusqu'à ce que la vitesse de la turbine soit assez élevée pour que le rotor à eau produise une pression suffisant pour l'étanchéité. Les joints hydrauliques sont alimentés en condensat propre et froid du refoulement de la pompe d'extraction de condensat. L'eau peut être alimentée directement ou par un réservoir de tête avec une régulation de niveau automatique. La garniture à labyrinthe est fixée à l'enveloppe pour réduire la fuite d'eau et la fuite de la turbine à vapeur en cas de défaillance de l'étanchéité. ### OBJECTIF 6 Décrire les conceptions et les applications des rotors à disque et les rotors à tambour. Décrire les méthodes de fixation des rotors et des aubes de l'enveloppe et expliquer les agencements de dispositifs d'étanchéité des aubes. #### ROTORS À DISQUES La turbine à action qui fonctionne avec une chute de pression dans les aubes fixes doit avoir des garnitures entre les aubes fixes et le rotor. Plus les zones d'étanchéité sont petites et plus la fuite est petite, c'est pourquoi les aubes fixes sont installées dans des diaphragmes avec des garnitures à labyrinthe autour de l'arbre. Ce type de construction exige un rotor à disque. Le rotor à disque se compose d'un nombre de roues ou de disques forgés séparément et les moyeux de ces roues sont rétrécis ou clavetés sur l'arbre central. Les bords extérieurs des roues sont munis de rainures appropriées usinées pour permettre la fixation des aubes. L'arbre est parfois échelonné de sorte que les moyeux de la roue peuvent être filetés jusqu'à leurs bonnes positions. Des jeux appropriés sont laissés entre les moyeux pour permettre la dilatation axiale le long de la ligne de l'arbre. Dans des conditions de marche, la température des roues peut monter plus rapidement que celle de l'arbre et cela tend à desserrer les moyeux des roues. Pour éviter un tel danger, un soin considérable est pris pendant la construction du rotor pour assurer que les roues sont bien rétrécies et correctement contraintes. La figure 26 illustre un rotor à disque du type utilisé dans le cylindre à basse pression de la plupart des grandes turbines. Figure 26 shows roues and arbre along with a coupe. Tous les grands rotors sont usinés à partir d'un forgeage solide d'acier au nickel, comme à la figure 27, ce qui produit un rotor solide complètement équilibré. Ce type de construction est toutefois coûteux car le poids du rotor final est d'environ 50% celui du forgeage initial. L'arbre et les disques de petits rotors à disque sont fabriqués dans des pièces séparées et les disques sont rétrécis sur l'arbre. Le diamètre de l'alésage du disque