EP0020426B1 - Grille d'aubes pour turbine - Google Patents
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- F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
- F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
- F01D—NON-POSITIVE DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, e.g. STEAM TURBINES
- F01D5/00—Blades; Blade-carrying members; Heating, heat-insulating, cooling or antivibration means on the blades or the members
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- F01D5/141—Shape, i.e. outer, aerodynamic form
- F01D5/145—Means for influencing boundary layers or secondary circulations
-
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- F04—POSITIVE - DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS FOR LIQUIDS OR ELASTIC FLUIDS
- F04D—NON-POSITIVE-DISPLACEMENT PUMPS
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- F04D29/66—Combating cavitation, whirls, noise, vibration or the like; Balancing
- F04D29/68—Combating cavitation, whirls, noise, vibration or the like; Balancing by influencing boundary layers
- F04D29/681—Combating cavitation, whirls, noise, vibration or the like; Balancing by influencing boundary layers especially adapted for elastic fluid pumps
Definitions
- the present invention relates to a grid of blades for a turbine comprising a series of blades arranged between a ceiling and a floor.
- This series of blades thus defines a series of channels traversed by a fluid, each channel being limited by the upper surface of a blade and by the lower surface of the neighboring blade as well as by the floor and the ceiling.
- the slippage generates a whirlwind of trigonometric direction at the ceiling of the channel and in the opposite direction to the floor for an observer placed downstream of the grid of blades.
- One known way of reducing secondary losses consists in reducing the aerodynamic load of the blades, which amounts to decreasing the difference in average pressure between lower and upper surfaces by decreasing for example the pitch pitch ratio of the blade grid.
- this method has the drawback of increasing the friction losses in the healthy zone of the channel, so that the gain obtained on the secondary losses can be canceled out by increasing the friction losses in the main flow.
- the invention aims to reduce secondary losses without affecting the friction losses in the main flow.
- This object is achieved by a grid of blades which is characterized in that it comprises for each blade at least two pierced communications, one in the ceiling and the other in the floor, each communication opening at one end in the vicinity of the upper surface of the blade at the neck of the channel limited by the upper surface of said blade at a point remote from the middle part of this channel, and at the other end at a point located upstream of said grid.
- the neck of the canal is where the upper surface of the dawn and the lower surface of the neighboring dawn which delimits it are closest.
- the grid is characterized in that it comprises communications associated with the blades and pierced in the ceiling, each communication opening at one end in the vicinity of the upper surface of the blade at the neck of the channel limited by the 'extrados of said blade at a point remote from the middle part of this channel, and at the other end at a point located upstream of said grid.
- the grid is characterized in that it comprises communications associated with the blades and drilled in the floor, each communication opening at one end in the vicinity of the upper surface of the blade at the neck of the channel limited by the upper surface of said blade at a point distant from the middle part of this channel, and at the other end at a point situated upstream of said grid.
- the grid is characterized in that it comprises communications associated with the blades drilled in the floor, each communication opening at one end in the vicinity of the upper surface of the blade at the neck of the channel limited by the 'extrados of said blade at a point remote from the middle part of this channel, and at the other end at a point located upstream of said grid.
- the grid is characterized in that it includes communications associated with the blades and pierced in the ceiling, each communication opening at one end in the vicinity of the upper surface of the blade at the neck of the channel limited by the upper surface of said blade at a point distant from the middle part of this channel, and at the other end at a point situated upstream of said grid.
- the point located near the upper surface of the dawn in the neck of the canal is the point of the canal where the pressure is minimal.
- the suction surface pressure is reduced by communication with a higher pressure chamber, thereby reducing the average pressure difference between suction and pressure surfaces.
- this pressure reduction takes place only in line with the floor and / or the ceiling of the canal, thereby reducing secondary losses, while the aerodynamic load remains optimal in the healthy part of the canal.
- This reduction in depression at the level of the upper surface results in a reduction in the slip of the boundary layers and in losses by secondary flow.
- FIG. 1 there are shown two blades A and B which are part of a crown and whose foot is fixed on a floor 1 and the head on a ceiling 2.
- the floor and the ceiling are usually cylindrical or frustoconical surfaces.
- Channel 3 has a neck 6 (see Figure 3) which is where the upper surface of the dawn A is closest to the lower surface of dawn B.
- FIG. 2 there is shown in axial section a turbine provided with fixed vane grids 4 and movable 5 according to the invention.
- the fixed blade grid 4 comprises for each blade a communication 13 hollowed out in the floor 11 between a point located in the vicinity of the upper surface of the blade at the level of the neck 6 of the channel at a point distant from the middle part of this channel and a point located upstream of the vane grid 4 (see Figure 3) in a region where the pressure is high.
- the neck 6 of the canal is the minimum pressure point along the upper surface.
- the fixed grid 4 also includes, for each blade, a communication 14 hollowed out in the ceiling 12 between a point located in the vicinity of the upper surface of the blade at the level of the neck 6 of the channel at a point distant from the middle part of this channel and ending upstream of said blade grid in a region 30 where the pressure is high.
- the movable blade grid 5 includes, for each blade, a communication 24 hollowed out in the ceiling 22 which starts from a point located in the vicinity of the upper surface of the blade at the neck 6 of the channel (minimum pressure point ) at a point distant from the middle part of this channel and which ends upstream of said grid 5 (high pressure region).
- the movable blade grid 5 also includes for each blade a communication 23 hollowed out in the floor 21 which starts from a point located in the vicinity of the upper surface of the blade at the neck 6 of the channel (minimum pressure point) at a point distant from the middle part of this channel and which ends upstream of the grid 5 (high pressure region).
- the turbine according to the invention could comprise such communications only on the movable grids or on the fixed grids hollowed out in the floor and / or the ceiling of these grids.
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Abstract
Description
- La présente invention a trait à une grille d'aubes pour turbine comportant une suite d'aubes disposées entre un plafond et un plancher. Cette suite d'aubes définit ainsi une suite de canaux parcourus par un fluide, chaque canal étant limité par l'extrados d'une aube et par l'intrados de l'aube voisine ainsi que par le plancher et le plafond.
- On sait que dans un canal donné, suffisamment loin des parois du canal, les filets de fluide suivent des trajectoires sensiblement parallèles aux parois du canal formées par les aubes, intrados pour l'une et extrados pour l'autre. En tous points de cette trajectoire, l'effort centrifuge qui s'exerce sur une particule est équilibré par les forces de pression. Il en résulte que globalement l'intràdos de l'aube est en surpression par rapport à l'extrados de l'autre aube délimitant le canal.
- On sait d'autre part que dans la couche limite située à proximité du plancher et du plafond les vitesses du fluide sont faibles ; il s'ensuit que les efforts de pression ne sont plus équilibrés et les trajectoires des filets sont des courbes perpendiculaires aux isobares et vont dans chaque canal de l'intrados vers l'extrados en un véritable dérapage bien connu de l'homme de l'art (voir par exemple l'article « Sur les pertes à l'extrémité des aubes de turbine •, Revue Brown Boveri, en français, novembre 1941, p. 356 à 361, en particulier les figures 2 et 3).
- Le dérapage engendre un tourbillon de sens trigonométrique au plafond du canal et dans le sens inverse au plancher pour un observateur placé à l'aval de la grille d'aubes.
- Ces perturbations s'accompagnent de pertes importantes qui sont connues sous le nom de pertes secondaires qui affectent d'autant plus le rendement d'une grille d'aubes que le rapport entre la hauteur des aubes et la corde est faible.
- Un moyen connu de réduire les pertes secondaires consiste à diminuer la charge aérodynamique des aubes, ce qui revient à diminuer la différence de pression moyenne entre intrados et extrados en diminuant par exemple le rapport pas sur corde de la grille d'aubes.
- Mais ce procédé présente l'inconvénient d'augmenter les pertes par frottement dans la zone saine du canal, de telle sorte que le gain obtenu sur les pertes secondaires peut être annulé par l'augmentation des pertes par frottement dans l'écoulement principal.
- L'invention a pour but de diminuer les pertes secondaires sans influer sur les pertes par frottement dans l'écoulement principal. Ce but est atteint par une grille d'aubes qui est caractérisée en ce qu'elle comporte pour chaque aube au moins deux communications percées, l'une dans le plafond et l'autre dans le plancher, chaque communication débouchant à une extrémité au voisinage de l'extrados de l'aube au niveau du col du canal limité par l'extrados de ladite aube à un point éloigné de la partie médiane de ce canal, et à l'autre extrémité en un point situé en amont de ladite grille. Le col du canal est l'endroit où l'extrados de l'aube et l'intrados de l'aube voisine qui le délimite sont les plus rapprochés.
- Selon une variante, la grille est caractérisée en ce qu'elle comporte des communications associées aux aubes et percées dans le plafond, chaque communication débouchant à une extrémité au voisinage de l'extrados de l'aube au niveau du col du canal limité par l'extrados de ladite aube à un point éloigné de la partie médiane de ce canal, et à l'autre extrémité en un point situé en amont de ladite grille.
- Selon une autre variante, la grille est caractérisée en ce qu'elle comporte des communications associées aux aubes et percées dans le plancher, chaque communication débouchant à une extrémité au voisinage de l'extrados de l'aube au niveau du col du canal limité par l'extrados de ladite aube à un point éloigné de la partie médiane de ce canal, et à l'autre extrémité en un point situé en amont de ladite grille.
- Selon une autre variante, la grille est caractérisée en ce qu'elle comporte des communications associées aux aubes percées dans le plancher, chaque communication débouchant à une extrémité au voisinage de l'extrados de l'aube au niveau du col du canal limité par l'extrados de ladite aube à un point éloigné de la partie médiane de ce canal, et à l'autre extrémité en un point situé en amont de ladite grille.
- Selon une autre variante, la grille est caractérisée en ce qu'elle comporte des communications associées aux aubes et percées dans le plafond, chaque communication débouchant à une extrémité au voisinage de l'extrados de l'aube au niveau du col du canal limité par l'extrados de ladite aube à un point éloigné de la partie médiane de ce canal, et à l'autre extrémité en un point situé en amont de ladite grille.
- Le point situé au voisinage de l'extrados de l'aube dans le col du canal est le point du canal où la pression est minimale. Grâce à la grille d'aubes selon l'invention, la dépression extrados est réduite par une communication avec une chambre de pression plus forte, diminuant ainsi l'écart de pression moyen entre extrados et intrados. Mais cette réduction de pression a lieu uniquement au droit du plancher et/ou du plafond du canal, diminuant ainsi les pertes secondaires, tandis que la charge aérodynamique reste optimale dans la partie saine du canal. Cette réduction de la dépression au droit de l'extrados entraîne la diminution du dérapage des couches limites et des pertes par écoulement secondaire.
- L'état de la technique antérieur tel qu'il est décrit dans le document FR-A-833 985 concerne une grille de compresseur, dans laquelle on procède à une aspiration par une fente parallèle destinée à empêcher le décollement de la couche limite sur toute la longueur du plafond et/ou du plancher le long d'un pas. On aspire donc pour recoller une couche limite, alors que selon l'invention, on souffle pour réduire les pertes secondaires dans la turbine. On donne donc de l'énergie cinétique à des écoulements pour les redresser.
- La description qui va suivre en regard des dessins annexés fera mieux comprendre comment l'invention peut être mise en oeuvre.
- La figure 1 représente une partie de la grille d'aubes d'une turbine classique.
- La figure 2 représente une coupe axiale d'une turbine comprenant les grilles d'aubes selon l'invention.
- La figure 3 représente une coupe transversale vue de dessus d'une grille d'aubes selon l'invention.
- Sur la figure 1 on a représenté deux aubes A et B qui font partie d'une couronne et dont le pied est fixé sur un plancher 1 et la tête sur un plafond 2. Le plancher et le plafond sont habituellement des surfaces cylindriques ou tronconiques.
- L'intrados de l'aube B, l'extrados de l'aube A et le plancher et le plafond définissent un canal 3. Le canal 3 comporte un col 6 (voirfigure 3) qui est l'endroit où l'extrados de l'aube A est le plus proche de l'intrados de l'aube B.
- Dans ce canal, loin des parois, l'écoulement se fait en suivant des filets sains tels que (c). Par contre, au contact du plafond et du plancher les filets de fluide sont orthogonaux aux isobares et suivent les directions représentées (1) (m) puis commencent à tourbillonner dès qu'ils ont heurté l'extrados de l'aube (A).
- Sur la figure 2 on a représenté en coupe axiale une turbine munie de grilles d'aubes fixe 4 et mobile 5 selon l'invention.
- La grille d'aubes fixe 4 comporte pour chaque aube une communication 13 creusée dans le plancher 11 entre un point situé au voisinage de l'extrados de l'aube au niveau du col 6 du canal à un point éloigné de la partie médiane de ce canal et un point situé en amont de la grille d'aubes 4 (voir figure 3) dans une région où la pression est haute. Le col 6 du canal est le point de pression minimale le long de l'extrados.
- La grille fixe 4 comporte également, pour chaque aube, une communication 14 creusée dans le plafond 12 entre un point situé au voisinage de l'extrados de l'aube au niveau du col 6 du canal à un point éloigné de la partie médiane de ce canal et aboutissant en amont de ladite grille d'aubes dans une région 30 où la pression est haute.
- La grille d'aubes mobile 5 comporte, pour chaque aube, une communication 24 creusée dans le plafond 22 qui part d'un point situé au voisinage de l'extrados de l'aube au niveau du col 6 du canal (point de pression minimale) à un point éloigné de la partie médiane de ce canal et qui aboutit en amont de ladite grille 5 (région de pression haute).
- La grille d'aubes mobile 5 comporte également pour chaque aube une communication 23 creusée dans le plancher 21 qui part d'un point situé au voisinage de l'extrados de l'aube au niveau du col 6 du canal (point de pression minimale) à un point éloigné de la partie médiane de ce canal et qui aboutit en amont de la grille 5 (région de pression haute).
- Les communications entre un point du plancher et/ou du plafond situé au point de pression minimale de l'extrados des aubes et un point situé dans une chambre haute pression constituée par la partie située en amont des aubes permettent de réduire la dépression au voisinage de l'extrados des aubes au niveau du plancher et/ou du plafond.
- Il va de soi que la turbine selon l'invention pourrait ne comporter de telles communications que sur les grilles mobiles ou sur les grilles fixes creusées dans le plancher et/ou le plafond de ces grilles.
- De plus ces communications pourraient n'être' associées qu'à certaines aubes d'une même grille.
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