Le long et le court du dernier

La rangée d'aubes de dernier étage (LSB) dans la section basse pression (LP) d'une turbine à vapeur est un élément clé de la conception de la turbine car elle définit les performances globales, les dimensions et le nombre de carters de la machine. Historiquement, les efforts visant à accroître l’efficacité globale des turbines se concentraient sur les sections haute et moyenne pression (HP et IP). Toutefois, au cours des dernières années, les fabricants de turbines ont également commencé à cibler la section BP, qui peut produire jusqu'à 50 % de la puissance totale de la turbine (Figure 1). Une façon d'augmenter l'efficacité de cette section à certaines valeurs de pression d'échappement consiste à allonger ses LSB. Cela réduit le nombre de modules LP nécessaires ou augmente la puissance de sortie à des pressions de condenseur inférieures pour le même nombre de modules.

1. Le plus gros contributeur. La section basse pression peut représenter jusqu'à 50 % de l'énergie produite par une turbine à vapeur à l'échelle industrielle. Avec l'aimable autorisation de Bechtel Power Corp.

La volonté d’allonger les LSB ne vient pas seulement des concepteurs de grandes centrales électriques au charbon, mais également des développeurs de centrales à cycle combiné relativement plus petites. Il existe des différences significatives entre les turbines conçues pour les cycles combinés et pour les centrales à vapeur conventionnelles. Étant donné que les réchauffeurs d'eau d'alimentation ne sont normalement pas utilisés dans la conception thermique d'un cycle de fond, pour le même débit de vapeur principal HP, le débit de vapeur d'échappement LP dans un cycle de fond peut être jusqu'à 35 % supérieur à celui d'une turbine conventionnelle de taille comparable. En outre, les conceptions d'usines de fond peuvent utiliser le chauffage par conduits pour compenser la réduction de la puissance de la turbine à gaz à des températures ambiantes élevées ou pour la charge de pointe de l'usine, lorsque cela est économiquement justifié. Il est devenu assez courant aux États-Unis d'utiliser des quantités massives de combustion supplémentaire pour presque doubler la puissance des turbines à vapeur.

Cet article explore les caractéristiques fondamentales de la conception interdisciplinaire (aérodynamique et mécanique) moderne des LSB, y compris le rôle toujours croissant de l'analyse complexe de la dynamique des fluides computationnelle (CFD). Notre objectif est d'étudier comment les performances et l'opérabilité des turbines sont affectées par la tendance actuelle à l'allongement des LSB. L'article se termine par un cas de test qui décrit les options du monde réel disponibles pour sélectionner un système LSB approprié.

La conception LSB conventionnelle (afflux subsonique à l’extrémité de la pale rotative) atteint les limites aérodynamiquement acceptables plus tôt que les limites mécaniques de la pale. Pour remédier à cette lacune, les fabricants d’équipement d’origine (OEM) de turbines ont consacré des efforts considérables à la compréhension et à l’amélioration de la conception des pales fixes et rotatives. Les modifications par rapport aux limites de conception traditionnelles existantes, telles que l'afflux relatif supersonique à l'extrémité de la pale rotative, ont été évaluées au cours d'essais analytiques et expérimentaux approfondis pour obtenir l'acceptation des utilisateurs.

Seule une analyse d'écoulement 3D entièrement développée peut fournir un profil de pale optimal capable de minimiser les pertes dues aux ondes de choc résultant d'un écoulement supersonique. La précision de l'analyse 3D moderne en tant qu'outil de prévision s'est considérablement améliorée : elle peut désormais prendre en compte les flux de condensation hors équilibre avec différentes conditions d'humidité de la vapeur et variations de changement de phase.

Pour les grands LP LSB, le nombre de Mach relatif à la sortie est un paramètre de conception important pour évaluer la plage de fonctionnement et les pertes à l'échappement. Plus la pale est longue, plus le nombre de Mach de sortie est élevé, en raison principalement d'un fort gradient de pression à mi-étage.

La figure 2 montre une distribution typique de la pression statique et du nombre de Mach. La faible pression au moyeu de la pale rotative (Ps1) produit une faible réaction de racine, qui conduit finalement à une séparation des flux au sein de la pale rotative. Le nombre de Mach à la sortie de la pale stationnaire (M1) présente une très forte pente, augmentant les nombres de Mach à l'entrée (Mw1) au niveau du moyeu et de la pointe de la pale en rotation. La haute pression à la pointe produit des valeurs absolues élevées des nombres de Mach de sortie au moyeu des aubes fixes et des nombres de Mach relatifs d'entrée élevés au niveau de la pointe et du moyeu de la pale rotative, qui déclenchent des chocs dans le passage du rotor.