Amortisseur de vibrations pour aubes de turbines. La présente invention se rapporte à un amortisseur de vibrations: hydraulique pour aubes de turbines, :disposé pour réduire ou empêcher les, vibrations tendant à se produire dans les aubes de turbines en marche.
Les: aubes de turbines :constituent des sortes de barres élastiques insérées à la ra cine dans le corps de la. roue, de turbine et qui sont soit libres, à lieur -extrémité exté rieure, soit reliées ensemble par des, couronnes de connexion.
Ces aubes individuelles ou groupes d'aube!s sont très susceptibles de vi brer pendant la marche :de la turbine, parce qu'elles ne sont dotées d'aucun autre amor tissement que l'amortissement apparemment petit. dû aux frottements internes :dans une matière fatiguée. Mais les aubes sont pour tant souventesoumise :s, à de sérieuses. perturba tions périodiques qui peuvent ùccasionner des vibrations :
de résonance de l'aubage soit au démarrage, soit à l'arrêt. de la machine. De plus, des vibrations de résonance de l'aubage peuvent se manifester à la vitesse de marche soit en raison des pulsations périodiques pro venant du passage d'une aube mobile entre une série d'aubes. stationnaires-, ou en raison des pressions :de '1!a vapeur passant :à travers les petits intervalles entre :
des aubes. adja centes, ou entre des, aubes mobiles et 1.'euve- loppe :stationnaire.
L'amortissieur,obj,et de .L'invention :cherche à réduire l'amplitude de vibrations; de ré sonance .et d'empêcher l'établissement de vi brations engendrées par de relativement puis sants efforts: d'amortissement :dus: à -des moyens hydrauliques.
L'amortisseur de, vibrations comprend une chambre d'amortissement formée au sein de l'aube de turbine, cette chambre renfermant une substance d'amortissement liquide aux températures de marche normales de la tur bine et comprenant :des moyens de freinage pour freiner la liberté de mouvement vibra toire :de ladite substance à l'intérieur de -la dite chambre, réduisant ainsi au minimum les vibrations de l'aube pendant la marche nor male de celle-ci.
Le dessin annexé représente, à titre d'exemple, plusieurs formes d'exécution de l'objet de l'invention.
La fig. 1 montre en vue en élévation une aube mobile de turbine avec une forme d'exé cution de l'amortisseur de vibrations en coupe; La fig. 2 est une vue de dessus de la fig. 1; Les fig. 3, 4, 5, 6, 7, 7a et 8 représentent une série de variantes de l'amortisseur de vibrations en coupe.
En se référant d'abord aux fig. 1 et 2, l'amortisseur de vibrations désigné par 1 dans son ensemble convient pour l'application à une courte aube d'impulsion 2 à haute fré quenee propre d'une turbine à vapeur à, haute pression et à. haute température. Une turbine de ce genre fonctonne, par exemple, à d-es pressions dépassant 450 kg par 6,5 cm' et à des températures: de l'ordre de 450 C.
A ces températures élevées, on propose d'-employer pour l'amortisseur une substance d'amortis sement solide au début, mais qui fonde et de vienne liquide aux températures de marche de la turbine.
Comme représenté en fig. 1., et à plus grande échelle à la fi-. 3, l'effet d'am,ort.isse- ment .est assuré par le pompage de la sub stance liquide à travers un orifice depuis un côté d'une masse 3 à l'autre pendant les vi brations de l'aube, cette ruasse étant logée dans une chambre pratiquée dans le corps de l'aube. La masse 3 peut être considérée comme tendant à demeurer stationnaire en raison de son inertie, pendant que la masse restante de 'l'aube vibre latéralement.
La masse 3 est de forme générale cylindrique et est supportée par une mince barre 4, de sorte qu'elle est libre de se mouvoir sans être blo quée en position par l'action des, grandes foree,s@ centrifuges auxquelles elle est soumise.
La. masse 3 est introduite dans la chambre d'amortissement par une ouverture taraudée 5 pratiquée à l'extrémité extérieure de l'aube 2 et recevant un bouchon fileté 8, :l'étanchéité étant obtenue au moyen d'un brasage au d'un soudage à 'l'argent.
Les efforts d'amortisse ment sont ainsi appliqués à l'endroit de la vibration la plus grande, .où ils sont le plus efficaces, et la solidité de l'aube est moins affectée parce que l'extrémité extérieure de l'aube est la partie la moins, fatiguée de celle- ; ci.
Lors de la marche de la turbine, le liquide d'amortissement est confiné autour du piston 3 par le moyen d'une douille ou capsule à pa roi mince 6 qui est. sertie -ou engagée sur un épaulement rectifié 7 du bouchon fileté 8 sup-, portant la masse 3 également rectifiée dans son ensemble.
Un caractère important de la construction représentée est la -disposition d'un petit orifice 9 au fond de ladite capsule 6, à travers lequel la masse liquide peut pas ser de la chambre 1(1 dans la pièce cylin drique enveloppant la masse 3.
En rendant l'orifice 9 relativement petit par rapport à l'orifice 11 prévu dans la masse 3, le liquide est obligé de passer par l'orifice de ladite masse et il ne se présente aucune perte d'amortissement par suite du fait que le liquide se rend dans un espace libre non con finé au lieu de passer à travers,
l'orifice d'amortissement. La chambre 10 prévue au- dessus de la masse 3 est remplie de la sub stance d'amortissement, solide au début, mais devenant liquide aux températures de fonc tionnement normal de la turbine,
la substance liquide étant alors refoulée par le petit ori fice 9 dans la capsule cylindrique<B>6</B> par suite des grandes forces centrifuges en présence agissant dans 1a direction y (fig. 1).
Pour réduire la grandeur de la chambre 10 requise pour l'emplissage de la pièce cylin drique 6, l'espace dane cette pièce cylindrique qui se trouve autour de la mince barre porte- masse 4 peut "être comblé d'une rondelle fen due 12 (fig. 4) sus laquelle est pressée la pièce cylindrique ou capsule 6.
La rondelle 12 présente un jeu suffisant autour de la barre 4 pour permettre à la pièce 3 de vi brer. L'orifice 1'1a de la masse 3 s'étend avec les mêmes dimensions d'un côté à l'autre de la masse 3., alors qu'en fig. 3,, iq est -évasé aux bouts;
autrement, la disposition. des parties de la. fig. 4 :est analogue à :celle de la fig. 3.
Un mouvement relatif entre lia masse 3 -et l'aube de turbine est assuré soit en rendant la, fréquence naturelle de la masse 31 sur la barre 4 (.en flexion) relativement faible par rapport à 1a fréquence, naturelle de l'aube, soit en rendant la fréquence de la masse égale à la fréquence de l'aube.
Dans le pre mier cas, par exemple, pour une fréquence d'aube de 2000 périodes, par seconde, une fré quence de la masse de 500- périodes par se conde :ou moins donnera pratiquement un dé placement de 1a masse par rapport au :corps de l'aube, et le mouvement relatif de l'aube par rapport à la masse 3. serait égal à l'ampli tude de l'aube.
Si les, forces d'accélération du liquide entourant ladite masse sont petites, c'est-à-dire si la densité de liquide st basse et que la colonne de liquide latéralement accé- #lér6e soit courte, ladite masse demeurera pra tiquement stationnaire et l'amplitude d'aube provoquera le refoulement du liquide d'amor tissement d'un côté de la masse 3 à d'autre.
Dans le :cas -où la fréquence de la masse se rapproche :de la fréquence d'aube, de grands mouvements relatifs entre l'aube et la masse peuvent être assurés, mais l'amortissement sera irrégulier.
Des call-cuis :ont montré que le jeu radial entre la masse 3@ et la pièce cylindrique coaxiale peut agir à la façon d'un orifice, ce qui conduit à la variante de la fig. <B>5.</B>
En se référant à la fig. 5, la tête -de la pièce 13 est dressée par tournage (à la ma chine), de façon à laisser un faible jeu entre elle et la pièce 6.
La partie supérieure de la tête de la masse 13: comporte un rebord en saillie 13a délimitant un jeu plus faible entre lui et la pièce 6 pour restreindre la fuite de fluide dans la direction radiale, tout en per mettant en même temps un certain mouve ment relatif en raison des vibrations de l'aube. L'amortisseur de la fig. 5 ne demande pas une mise en position angulaire de la masse 13 par rapport à 2a -direction de vibra tion.
Les constructions ayant un orifice en travers de ladite masse (fig. 3, et 4) exigent que l'axe de cet orifice :soit parall4e à la direction des vibrations: d'aube indiquée par les flèches, x. Tout l'amortisseur peut être en gagé dans un trou d'un diamètre de 12 mm prévu dans l'extrémité extérieure de l'aube. Les autres parties sont analogues à celles des autres, figures.
Quant à la masse fluide d'amortissement, i1 convient d'en prendre une qui fonde bien au-dees,ous -de 450;' C, qui ait un point d'ébul lition supérieur à cette température et qui n'ait aucune réaction :
chimique appréciable soit avec la matière de l'aube, soit avec celle des parties de l'.amortiss,eur .ou de la soudure à l'argent qui est .employée pour sceller l'amortisseur jointivement en place. De l'étain, :du cadmium et du zinc ne convien nent pas comme massa d'amortissement à cause de leur réaction avec l'acier en formant des. solutions liquides. Le plomb paraît. être inactif.
Des composés métallliques semblent offrir les. meilleure . possibilités. Parmi les plus intéressiants, :on notera: le L'acide mét:aborique. Celui-ci est une poudre cristalline blanche qui fond en for mant un verre à point de fusion bas de grande fluidité à 2310' C environ et qui ne réagit ni avec l'a;cier, ni avec les soudures à l'argent.
Il a une gravité spécifique :d@e 2. En général, un acide borique contenant 15 à<B>25%</B> :d'eau en poids aura un point de fu sion suffisamment bas pour être :satisfaisant.
20 Le nitrate de potamium. Celui-ci est inactif, a une densité de 2,1, un point de fu sion de 33-3 C et reste, lorsqu'il est confiné comme :décrit, fluide au-dessus de 450 C.
<B>30</B> Le nitrate de @s,odium, :ayant une gra vite spécifique de 2,26. un point de fusion de 307 C et .restant fluide à 450-' C, et même plus haut s'il est confiné sous s-a propre pression de vapeur.
Les- amortisseun & représentés: aux fig. 6, 7 et 8 sont plus: simples, que les précédents, main -ont néanmoins été reconnus comme étant très efficaces. Au lieu d'une masse solide à inertie qui tend à rester stationnaire pendant les vibrations d'aube et à refouler peu de liquide à travers les passages,
restreints- d'un certain volume confiné, ces variantes d'amor tisseur emploient un liquide lourd., tel que du plomb fondu, qui agit comme masse à inertie et se refoule de lui-même à travers des pas sages restreints ayant les caractéristiques d'écoulement convenable pour réaliser le meilleur amortissement.
Le caractère de ces cariantes est de réaliser un volume :de li quide confiné complètement rempli et qui soit à même de refouler du liquide hors d'un ori fice et d'aspirer du liquide à un: autre orifice lorsqu'il est soumis à la moindre ac.cfération.
En fig. 6, le plomb confiné. 1.4 se trouve à l'intérieur d'une pièce en cuvette 15 ayant deux orifices 16, 17 au fond, qui communi quent avec une chambre de remplissage 18 qui n'est que partielilement remplie. Le plomb est. représenté dans la position qu'il prend sous l'action de la, force centrifuge et de la chaleur de fusionnement.
Les forces de vibra tion refoulent du plomb hors d'un des ori fices et la force centrifuge agissant sur le plomb à l'intérieur de 1a. chambre de remplis sage comble le volume confiné à travers l'autre orifice. Un gradient de pression laté rale peut exister dans le volume confiné, mais non pas dans la chambre de remplissage en raison de la. surface libre du liquide dans la chambre de remplissage.
Deux orifices additionnels (non représen tés) situés sur un même diamètre, mais à angle droit par rapport aux orifices repré sentés permettant l'amortissement pour des vibrations transversales sans affecter l'amor tissement dans le premier plan.
La fi-. 7 montre une variante avec une tige lourde 19 portant une plaque ou disque de fond 20 avant des orifices 21. Ces der niers sont au V nombre de quatre, comme en fig. 6. La fig. 7a ressemble à 1a fig. 7, sauf que les orifices 21a sont coudés à angle droit par rapport à ceux de la fig. 7 et pratiqués dans. un rebord s'étendant autour du bord du disque 20.
On a trouvé que le liquide émer geant des orifices tend à se mouvoir sous forme de colonne, et en prévoyant la disposi tion de la fig. 7a, cette colonne ne se dépla cera pas à l'encontre de la force centrifuge, de sorte que le flux du 'liquide .sera meilleur. Un jeu annulaire:
21b autour du disque 20, comme montré en fig. 8, rendra d'ailleurs aussi de bons se:rvioes sans qu'il soit alors né cessaire de prévoir des orifices tels que ceux 21 en fig. 7 ou ceux 2'1a en fig. 7a.
La puissanee de l'amortissement dépen dra du rapport de la masse de plomb à la masse d'aube. La résistance que présentent les orifices au passage de fluide doit être en rela tion avec la réactance en masse du plomb con finé. Pour les meilleurs résultats, elle doit être approximativement égale à elle lorsque la, masse de plomb est à un faible rapport à la masse d'aube.
Pour un rapport de 1 : 10, il est théoriquement. possible d'obtenir un amortissement d'aube équivalent à environ 15 % de décalage en amplitude par période de vibration libre. Ce chiffre a été obtenu par des expériences. Les aubes en elfles-mêmes, même aux conditions de température élevée, ont une diminution de seulement 1-1/2 % par période ou moins.