Construction de la turbine à vapeur - PDF

# TROISIÈME PARTIE ## FORCES MOTRICES ### CONSTRUCTION DE LA TURBINE À VAPEUR #### Deuxième partie ##### Enveloppes des cylindres de la turbine Les enveloppes des turbines sont des structures complexes qui doivent résister à la déformation dans les conditions de pression et de température de march...

# TROISIÈME PARTIE ## FORCES MOTRICES ### CONSTRUCTION DE LA TURBINE À VAPEUR #### Deuxième partie ##### Enveloppes des cylindres de la turbine Les enveloppes des turbines sont des structures complexes qui doivent résister à la déformation dans les conditions de pression et de température de marche de sorte que les très faibles jeux de l'aubage, des joints labyrinthes, et autres, restent constants et que l'alignement du rotor de la turbine ne soit pas touché de manière défavorable. On utilise de la fonte pour les basses pressions dans toutes les tailles de machines, y compris les cylindres à basse pression des turbines les plus grandes. Toutefois, elle ne convient pas aux températures supérieures à 230 °C en raison de sa tendance à « croître ». Des enveloppes en acier non allié ordinaire sont employées pour des pressions de vapeur modulées avec des températures se situant entre 230 °C et 425 °C. Au-dessus de 425 °C, on a recours à un acier allié contenant du molybdène et de faibles quantités de nickel et de chrome. Le cylindre de turbine idéal est un cylindre vraiment circulaire et en une seule pièce. Les changements de température au démarrage, à l'arrêt et pendant les changements de charges produiraient des contraintes dans le cylindre mais il ne se déformerait pas. Ce n'est toutefois pas pratique puisqu'il faut diviser l'enveloppe de la turbine pour permettre l'assemblage de sorte qu'une forme de joint horizontal devient essentielle. Si un cylindre est composé de moitiés sans fixations rigides au joint, la température plus élevée du côté intérieur de l'enveloppe produit une déformation comme l'illustre la figure 1. Un joint à bride très rigide est clairement nécessaire pour empêcher cette déformation et pour maintenir un joint étanche à la vapeur, particulièrement à des pressions de vapeur très élevées. Pour les pressions de vapeur allant jusqu'à 1750 kPa, l'épaisseur de la bride doit être de 1,5 fois l'épaisseur du cylindre alors que pour les pressions élevées, le rapport est de 3 ou plus. Ces joints du cylindre sont faits avec un contact métallique face à face, c'est-à-dire sans garniture. Le métal additionnel dans la bride cause sa température à traîner derrière celle du cylindre au démarrage et la dilatation longitudinale de la bride est inférieure à celle du cylindre ce qui provoque une déformation. Dans certains cas, des fentes sont coupées à partir des trous des boulons vers l'extérieur de la bride pour détendre les contraintes causées par cette dilatation différentielle comme l'illustre la figure 2. Des passages de vapeur peuvent également être coupés dans la bride pour permettre un écoulement de vapeur surchauffée pour la chauffe de la bride pendant la période de réchauffement. La contrainte appliquée sur les boulons qui fixent des brides épaisses doit être soigneusement calculée car la température des boulons reste derrière celle de la bride pendant les périodes de réchauffement et, compte tenu de la dilatation de la bride, les boulons sont alors soumis à une contrainte accrue au-delà de celle causée par le serrage normal. Avec le temps, un allongement se produit dans le boulon et le joint n'est plus étanche à la vapeur. Deux méthodes de contrôle de la contrainte dans les boulons au serrage sont illustrées à la figure 3: (a) utilise la chaleur d'une tige de carbone qui transporte un courant électrique et (b) a recours à une flamme au gaz pour chauffer le boulon par un trou alésé dans son centre. Dans chaque cas, le boulon est serré à froid avec une clé à main puis chauffé et une autre rotation de l'écrou est faite. Cette rotation additionnelle est soigneusement calculée pour produire la bonne contrainte dans le boulon dans les conditions de marche. La taille totale des brides des cylindres des turbines qui portent de hautes pressions et exigent un boulonnage rigide est réduite à l'aide d'un agencement de serrage comme celui de la figure 4. Il est employé dans les turbines à haute pression C.A. Parsons. Les colliers chevauchent les brides à la verticale et sont installés et enlevés à l'horizontale. Les brides peuvent ainsi être profondes and étroites. Les faces de la bride et du collier sont usinées avec une inclinaison correspondante de sorte que le serrage des boulons produit un effet de coin. Les colliers sont percés verticalement pour recevoir les tiges de carbone de chauffe et la méthode de serrage est semblable à celle décrite ci-dessus pour les boulons de bride ordinaires. La figure 5 donne des exemples types de joints serrés et boulonnés. # Ancrage du cylindre Le cylindre de la turbine doit être fixé à sont bâti ou à son assise de telle manière qu'il puisse se dilater de façon radiale et axiale avec l'augmentation de la température. La dilatation doit également être contrôlée pour maintenir en tout temps son alignement avec le rotor. Un système d'ancrage du cylindre est illustré à la figure 6, comme il s'applique à une machine à réaction à simple ligne d'arbre à trois cylindres. Les autres machines se servent de systèmes identiques selon le type et la taille de la machine, le nombre des cylindres, la dilatation prévue, et autres. Le mouvement axial du cylindre a haute pression est empêché à l'extrémité vapeur par des clés transversales (A) qui permettent le mouvement radial. Une clé centrale (B) assure que le cylindre est au centre à cette extrémité et qu'il ne restreint pas la dilatation radiale. L'extrémité échappement du cylindre a haute pression comporte deux pattes coulissantes qui reposent sur des supports coulés intégralement avec le roulement intermédiaire(C). Les guides a glissière (D) empêchent le cylindre de se soulever sous l'effet de la réaction du couple. Une clé centrale (E) maintient le cylindre vraiment au centre à cette extrémité sans restreindre le mouvement axial ou radial. Le cylindre à pression intermédiaire est ancré de la même manière: F représente les clés transversales à l'entrée et G la clé centrale. À l'extrémité de l'échappement, la clé de guidage centrale est représentée par H, les supports des pattes coulissantes par J et les guides à glissière par K. Les supports des pattes coulissantes J sont coulés intégralement avec l'échappement de la turbine à basse pression. Les clés transversales du cylindre à basse pression, qui sont des demi-clés, sont situées au point M sur les socles du cylindre et les guides latéraux L empêchent le mouvement latéral du corps. Les guides à glissière N sont installés à l'extrémité de l'alternateur de la turbine à basse pression. # Double enveloppe Pour les turbines qui fonctionnent à des pressions de vapeur élevées au-dessus de 8000 kPa, la conception d'une enveloppe et de sa bride devient difficile par rapport à sa résistance à la déformation. La conception moderne a recours à une enveloppe double pour surmonter ces difficultés. Le cylindre intérieur porte les tuyères, les diaphragmes ou les ailettes, et autres, et il est enfermé de manière concentrique dans un cylindre extérieur. La figure 7 illustrate ce dernier arrangement. La vapeur à haute pression est acheminée à l'aubage dans le cylindre intérieur, puis elle est évacuée dans l'espace entre les enveloppes. Ainsi, la pression que subit le cylindre intérieur est réduite de la difference entre la pression de la vapeur à l'entrée et à la sortie. L'épaisseur de l'enveloppe est réduite de cette façon, tout comme la taille des brides et des boulons. Un autre avantage est offert puisque les presse-étoupe de l'arbre doivent être étanches à une pression de vapeur réduite. Le premier étage d'une turbine à haute pression est souvent une roue à vitesse combinée qui permet une chute de pression élevée dans cet étage. La portion restante du cylindre doit alors être conçue pour résister à une pression de vapeur réduite. Si cet étage de vitesse est contenu dans une chambre à tuyère séparée comme à la figure 8, puis est appliqué à une double enveloppe, il en résulte une triple enveloppe pour le premier étage. Cette conception s'applique au cylindre à haute pression de machine de la figure 9. Il s'agit d'une turbine pour un turboalternateur de 200 MW qui fonctionne à une pression de 16 000 kPa et à une température de 560 °C à l'entrée de la turbine. La vapeur est réchauffée à 540 °C à la sortie du cylindre à haute pression, et avant l'entrée du cylindre à pression intermédiaire. Notez que dans cette machine, le cylindre à haute pression est composé d'une double enveloppe complète avec une chambre à tuyère d'entrée séparée. Le cylindre à pression intermédiaire a une double enveloppe partielle, en raison des pressions et températures d'entrée élevées vers le cylindre à pression intermédiaire, et le cylindre à basse pression a une double enveloppe. Dans ce cylindre, la double enveloppe améliore la résistance et la stabilité des supports des roulements et facilite l'écoulement des quantités massives de vapeur d'échappement. L'enveloppe double n'est pas utilisée pour résister à la pression de la vapeur. # Robinets de contrôle Les méthodes de base pour contrôler le débit de vapeur aux charges variables de la turbine de sorte à maintenir une vitesse constante sont : * la commande par étranglement * la commande par contrôle des tuyères * la commande par dérivation La commande par étranglement consiste en un robinet à vapeur qui transporte toute la vapeur d'admission et qui est capable d'une ouverture contrôlée. Le robinet est ouvert suffisamment pour fournir la quantité de vapeur nécessaire pour la charge de la turbine. La pression d'entrée de la vapeur varie directement avec la charge. Ce type de commande est toujours employé avec les turbines à réaction puisque la chute de pression dans l'aubage mobile exige l'admission de la vapeur sur toute la circonférence; l'arrangement à plusieurs robinets pour fournir de la vapeur aux groupes de tuyère ne peut être utilisé. Cette commande est aussi employée avec les turbines à action bien que limitée principalement aux turbines à petite production, parfois conjointement avec des robinets à tuyères manuels. L'étranglement a pour effet d'augmenter la surchauffe initiale et ainsi retarder la formation de vapeur humide pendant la dilatation dans la turbine, avec des effets bénéfiques dans les étages de basse pression. # Régulateurs Les systèmes de régulation des turbines contrôlent le débit de la vapeur pour maintenir une vitesse constante à des charges variables où pour maintenir une pression constante avec des demandes variables de la vapeur d'un procédé ou encore pour maintenir les deux constantes. Par exemple, le régulateur d'une turbine à condensation qui commande un alternateur doit contrôler le débit de la vapeur à l'entrée de la turbine de façon à maintenir une vitesse constante avec une charge variable de l'alternateur. Dans une turbine à contre-pression qui fournit de la vapeur pour un procédé l'alimentation en vapeur vers la turbine doit être contrôlée de sorte à maintenir une contre-pression constante. D'autre part, dans une turbine d'extraction, le régulateur doit contrôler le débit de la vapeur de sorte que la vitesse de la turbine et la pression de la vapeur au point d'extraction soient maintenues raisonnablement constantes. Ceci représente une régulation de la quantité totale de vapeur admise aux étages d'entrée de la turbine et de la vapeur alimentée aux étages de la turbine en aval du point d'extraction. Les régulateurs se divisent en deux catégories, soit ceux qui répondent aux changements de vitesse et ceux qui répondent aux changements de pression. # Régulateurs sensibles à la vitesse La plupart des régulateurs de vitesse sont du type à boules dont le système de base est illustré à la figure 16. Il s'agit d'un mécanisme à action directe dans lequel l'élément sensible à la vitesse agit directement sur le robinet d'étranglement pour contrôler le débit de la vapeur. Notez que le robinet d'étranglement est du type à double siège ou équilibré. Ce régulateur convient aux petites turbines à commande mécanique; Il n'est pas très sensible et sa régulation de vitesse est d'environ 10%. Ceci signifie que le pourcentage de changement de la vitesse d'un point sans charge à la pleine charge est de 10%. Par exemple, si la vitesse normale à une charge normale est de 4000 r/min, la vitesse san charge est de 4200 r/min et à pleine charge, de 3800 r/min. Cette tendance à fonctionner à une vitesse plus élevée avec une charge plus légère est causée par la relation entre la force du ressort et la force centrifuge exercée par les masses qui tournent. Il est possible de choisir une force de ressort de sorte que la traction qu'il exerce équilibre exactement la force centrifuge des masses à toutes les positions de leur rotation. Cependant, un tel régulateur serait inutile dans la pratique puisqu'il causerait de sérieuses oscillations de vitesse. La force de contrôle exercée par le ressort doit augmenter à un taux plus grand que la force de perturbation des masses pour que le régulateur soit stable. Une correction de vitesse se fait après un changement de charge en fixant un ressort de changement de vitesse comme illustré à la figure 17. Les figures 16 et 17 représentant des exemples du régulateur installé dans les turbines Elliot. Le régulateur de la figure 16 utilise le mouvement du régulateur par une tringlerie pour donner la force nécessaire pour depolarcer le robinet d'étranglement. Bien que cela convienne pour les petites turbines, le régulateur n'est pas assez sensible pour les machines plus grandes ou dans les systèmes qui exigent un contrôle de vitesse très serré. Les forces de frottement et les forces causées par le débit de vapeur nécessitent un régulateur puissant de grande taille pour surmonter ces forces. L'effort fourni par le régulateur est réduit à une force relativement petite par l'utilisation d'un relais à huile fonctionnant selon le principe démontré à la figure 17. Dans ce cas, le bras du régulateur actionne seulement la soupape pilote à huile Quand le pilote se déplace, il ouvre un orifice qui admet l'huile forçant le servopiston à se déplacer aussi. Le mouvement de la tige du robinet à vapeur coupe l'huile lorsque le piston rejoint le pilote. Notez qu'un mouvement du pilote admet une huile à haute pression d'un côté du servopiston et relie l'autre côté au drain, produisant ainsi un contrôle très positif. La régulation dans ce cas est de 5 % de la vitesse normale. Le principe d'utilisation du mouvement du régulateur pour contrôler la pression d'huile est appliqué davantage en combinant les relais à huile. Cette methode est souvent employée dans les très grandes turbines où la force causée par le débit de la vapeur sur le robinet devient grande et où un contrôle très serré de la vitesse est également exigé. Le schéma de la figure 18 représente un système employé Parsons. Il montre l'arbre transversal portant les pompes à huile principales. Le régulateur est commandé par une vis sans fin au bout de la tige à haute pression de la turbine principale. Ceci est illustré par une vue en coupe avec le boulon de déclenchement d'urgence E. # Fonctionnement Dans la figure 18, lorsque la turbine fonctionne à une vitesse uniforme, les masses du régulateur prennent en tournant une position équilibrée par le ressort tout comme le système de base de la figure 16. Le mouvement du régulateur dans ce cas contrôle la position d'un plongeur qui coulisse dans le manchon G. Les positions relatives du plongeur et du manchon déterminent l'ouverture des orifices à huile dans le manchon. L'huile de la pompe à l'huile principale A est acheminée par le déclenchement d'urgence au cylindre du robinet d'arrêt C et au robinet K du piston de contrôle de l'huile du robinet d'étranglement. Cette pression d'huile sert à maintenir le robinet d'arrêt ouvert contre son ressort et à ouvrir le robinet d'étranglement J selon la pression admise à sa face inférieure par le robinet K. Une partie de cette alimentation en huile de la pompe A est soutirée au robinet F et acheminée au piston à huile H du pilote qui prend la position conforme à l'équilibre de la pression d'huile contre la force du ressort. Ce piston pilote est relié au robinet K du piston de contrôle de l'huile et au robinet d'étranglement de la vapeur. Le mouvement de H entraîne K à suivre; l'huile ainsi admise ou dégagée de la face inférieure du piston à huile du robinet d'étranglement l'étranglement fait bouger le robinet d'étranglement de la même manière. Par le tringlage ce mouvement replace K à sa position initiale, H étant le point de rotation dans ce cas, et le système du robinet est de nouveau équilibré pour la nouvelle position du piston pilote H. La fonction du régulateur est de commander la pression de l'huile appliquée au piston pilote H en reliant ce système à huile à une chambre sous pression au régulateur et en commandand cette pression par la quantité d'évacuation qui passe au drain par les orifices dans le manchon G. La position du manchon G est modifiée par le volant L (ou L à moteur et contrôlé à distance). Ce contrôle correspond au contrôleur de vitesse de la figure 17. L' mouvement de L contrôle la vitesse de marche de la turbine, ou dans le cas du turboalternateur synchronisé à un système d'alimentation, contrôle la charge dans la machine. La pression. d'huile du système est maintenue constante par un robinet de réglage de la pression D dévacuation dans un système d'huile lubrifiante. Les pompes à huile auxiliaires muées à la vapeur ou par moteur servent pour les périodes de mise en service et de mise hors service. Le régulateur d'urgence permet de couper l'alimentation en vapeur vers la turbine en cas de de survitesse. Il consiste en un boulon E encastré dans l'arbre principal de la turbine. Ce boulon est déséquilibré de manière centrifuge, mais il est maintenu dans sa position de retrait par un ressort, et ce, tant que la vitesse de la turbine est normale. Si la vitesse dépasse la normale, le déséquilibre du boulon surmonte le ressort et le boulon s'avance de l'arbre. Il déclenche ensuite le levier à poussoir et dégage le plongeur contrôlé par un ressort. Le plongeur se soulève, coupe l'alimentation en huile pour arrêter les robinets d'étranglement et ouvre leur système d'huile aux rejets. Les déclencheurs de survitesse sont habituellement réglés pour fonctionner entre 10 % et 12 % au-dessus de la vitesse normale de marche. # Commande par dérivation Cette méthode est utilisée conjointement avec une commande par étranglement et elle s'applique à une machine qui doit fonctionner la plupart du temps à des charges économiques, mais qui peut également le faire à une charge maximale plus élevée. Les turbines fabriquées pour produire de l'électricité sont souvent conçues de cette manière, le taux économique étant de 80 % de la production maximale. La commande par dérivation permet de concevoir les étages à haute pression pour une admission complète de la vapeur à une charge économique. Lorsque la charge maximale est exigée, 20 % de vapeur de plus est admis à un étage antérieur de la turbine. La pression de la vapeur à l'entrée de la dérivation est étranglée pour correspondre à la pression de cet étage. La commande par dérivation n'est pas aussi populaire de nos jours. Les coneptions des turbines sont maintenant disposées pour donner le service le plus économique au taux de production continu maximal. # Régulateurs sensibles à la pression Ils sont utilisés lorsque la pression d'alimentation en vapeur pour un procédé du point d'extraction d'une turbine doit être maintenue constante. La turbine commande souvent un alternateur dont la fréquence doit être constante de sorte que le système de contrôle doit également être sensible à la vitesse. La figure 22 illustre l'agencement d'un tel système. La tringlerie du régulateur à boules est reliée à la tringlerie du régulateur de pression de sorte qu'ils puissent fonctionner conjointement. Les relais à huile sont omis pour des raisons de simplicité. En cas de demande accrue en vapeur d'extraction, la pression dans la section d'extraction tend à chuter. Le piston du régulateur de pression descend dans le cylindre et restreint le débit de la vapeur vers les étages à basse pression de la turbine en fermant le robinet d'extraction. Puisque le régulateur de vitesse ne se déplace pas, il agit comme un point de rotation et le robinet d'étranglement d'entrée s'ouvre davantage. En cas de chute de vitesse de la turbine causée par une charge électrique accrue, le régulateur de vitesse est mis en jeu pour maintenir la vitesse constante en ouvrant davantage les étages à basse pression. Le régulateur de pression agit alors comme point de rotation pour la tringlerie. Les robinets d'extraction sont du type à grille ou du type externe comme l'illustrent les figures 23 et 24. # Enfin, le schéma de la figure 26 représente un système à relais à huile combiné qui utilise la régulation de la vitesse et de la pression pour une machine d'extraction.