Brevet FR2026278A1 — publié le 19700918

La présente invention concerne une turbine. Dans les projets de turbines classiques, une lame mince distincte est disposée à la périphérie d'un rotor ou d'un stator pour être attaquée par la vapeur ou autre fluide traversant la turbine. Le fluide entre dans la turbine à une extrémité et la traverse suivant un trajet généralement parallèle à l'axe. A chaque aube la direction du fluide est légèrement déviée en produisant des composantes de force sur le rotor pour l'entraîner en rotation. Ces turbines présentent un couple de démarrage très faible qui a limité jusqu'alors leur applicabilité à de nombreuses utilisations. En outre, elles sont coûteuses à construire car il est difficile de produire et de fixer les aubes individuelles au rotor et au stator. Il existe un danger pendant le fonctionnement de la turbine, de -voir une aube se détacher du rotor. De plus, fréquemment, la matière des aubes doit être soigneusement choisie pour résister à une chaleur élevée car ces éléments minces ne disposent d'aucun moyen de dissiper la chaleur ou d'être refroidis. La présente invention fournit une turbine perfectionnée d'un bas prix de construction qui a un fonctionnement amélioré et un couple de démarrage beaucoup plus grand que les projets classiques. le rotor et le stator de cette turbine sont typiquement formés de disques dans lesquels les augets sont usinés. Ces augets sont formés en taillant dans la face radiale du disque à un angle d'approximativement 15 degrés, en pratiquant des cavités de forme annulaire dont chacune présente une surface interne courbée.Le fluide est dirigé de façon à pénétrer sur un côté de l'auget, et s'écouler autour de la surface courbe où sa direction est inversée, et il sort sur l'autre c8té de l'auget. les augets étant disposés en rangées concentriques, de sorte que le fluide s'écoule extérieurement en direction radiale plutôt qu'axialement comme dans les projets classiques. les rangées d'augets dans les faces adjacentes du rotor et du stator font face en des directions opposées et sont placés en quinconce, de sorte que l'échappement ou la sortie de fluide d'un auget pénètre dans le côté d'entrée de l'auget adjacent. les éléments transversaux, aux parties du milieu des augets, aident à l'inversion de l'écoulement en réalisant un tracé d'écou lement lisse et efficace.Ces éléments transversaux peuvent être des nervures, sur un organe, s'étendant dans des gorges de l'autre organe ou ils peuvent~être constitués par de petites plaques -distinctes ajustées dans les augets. L'invention a notamment pour buts de fournir - une turbine perfectionnée effectuant avec un rendement élevé, un transfert d'énergie du fluide aux parties mobiles - une turbine présentant un couple de démarrage élevé ; - une turbine qui soit simple, sure et d'un bas prix de construction - une turbine qui évite ltusage d'aubes individuelles. D'autres caractéristiques et avantages ressortiront de la description qui va suivre, faite en regard- des dessins annexés et donnant à titre indicatif mais nullement limitatif une forme de réalisation de l'invention. Sur ces dessins La figure 1 est une vue en coupe axiale de la turbine de l'invention. La figure 2 est une vue en bout du rotor de la turbine. La figure 3 est une vue en bout du stator de la turbine. La figure 4 est une vue partielle en perspective montrant les faces adjacentes du rotor et du stator écartées l'une de l'autre. La figure 5 est une vue en coupe suivant 5-5 de la figure 1. La figure 6 est une vue en coupe suivant 6-6 de la figure 1. la figure 7 est une vue en élévation partielle à plus grande échelle, de l'extrémité du rotor, et elle montre les augets internes. La figure.8 est une vue en coupe partielle, à plus grande échelle- suivant 8-8 de la figure 2. La figure 9 est une vue en coupe suivant 9-9 de la figure 8. La figure 10 est une vue schématique représentant le trajet du fluide dans la turbine. la figure il est une vue partielle en perspective d'une variante de réalisation de la turbine dans laquelle des plaques distinctes de division sont prévues dans les augets, et La figure 12 est une vue en coupe suivant 12-12 de la figure 11. La turbine de l'invention telle que montrée et décrite, est conçue pour fonctionner avec la vapeur, mais on peut aussi utiliser d'autres fluides. Comme on le voit à la figure 1, la turbine comprend un arbre moteur ou de sortie 10 qui pénètre dans un carter ll-dans lequel il est supporté par des roulements 12 et 13. L'extrémité interne de l'arbre 10 se visse dans le centre d'un rotor 15. Un écrou de blocage 17, sur l'arbre 10, s'appuie contre la face externe du rotor 15, de sorte que ce dernier et l'arbre sont maintenus assemblés. Le carter 10 est relié par des vis 19 à l'extérieur d'un stator 20 qui se visse dans une extrémité d'un élément annulaire 21 qui, à l'autre extrémité, est relié par vissage à un stator 22. La partie centrale du stator 20 présente une chambre qui reçoit une garniture d'étanchéité -23 et un chapeau de presse-étoupe 24 pour assurer l'étanchéité autour de l'arbre 10. De plus, un-disque 25 sur l'arbre 10 constitue une bague-de-déflection qui dévie l'eau qui pourrait éventuellement entrer dans le carter 11 à travers les roulements 12 et 13. Un trou 26 est pratiqué pour permettre à cette eau éventuelle autre évacuée. La vapeur pénètre dans la turbine à travers une conduite axiale 27 et elle frappe la surface externe conique 28 du moyeu du rotor 15 ; elle est dirigée dans un passage 29 qui se vide dans le premier étage d'augets 32 du rotor 15 qui sont disposés en une rangée circulaire concentrique à l'arbre 10. Sur le côté gauche du rotor, comme représenté, sont trois étages de rangées concentriques d'augets, y compris la rangée intérieure d'augets 32 à l'extérieur de laquelle sont les augets 33, et une rangée--finale d'augets 34.Un nombre égal d'augets est compris dans chaque étage mais ces augets sont progressivement plus grandskadialement vers Dans le stator 22 sont des rangées circulaires concentriques d'augets 36 et 37 se vidant dans les augets du rotor sur ce côté du rotor 15. les augets 36 sont légèrement plus grands que les augets 32 du rotor et plus petits que les augets 33 du rotor dans 12 étage suivant extérieur. Les augets 77 du stator ont des dimensions comprises entre celles des augets 33 et 34 du rotor. La vapeur, à sa sortie du passage, pénètre dans les augets 32, se déplace radialement vers l'extérieur dans les augets 36 du stator, puis, extérieurement dans les augets 34 du rotor et dans la zone ouverte 38, au-delà de la cireonférence extérieure du rotor 15, pour sortir à l'extérieur par les trous d'échappement 39 pratiqués dans l'élément annulaire 21. L'augmentation de la dimension des augets de la première rangée adjacente à l'axe à la dernière rangée à la périphérie, permet à la vapeur de se détendre lorsqu'elle traverse la turbine. Des lumières 40 sont aussi reliées au passage 29, ces lumières s'étendant obliquement par rapport à l'axe dans le rotor 15. La vapeur des lumières 40 se décharge dans la première rangée d'augets 41 dans le stator 20 d'où elle pénètre dans les augets 42 dans le rotor 15. De ces derniers augets, la vapeur pénètre-dans un second étage d'augets 43 dans le stator 20 et, finalement, elle s'écoule dans les augets 44 de l'étage extérieur dans le rotor 15. De nouveau, la vapeur se déplace radialement vers l'extérieur et se décharge dans la zone 38 pour s'échapper à l'extérieur par les trous 39. Les augets sont d'une configuration semblable dans le rotor et les stators. Comme le montrent clairement les figures 7, 8 et 9, dans lesquelles les augets sont tracés à plus grande échelle, les cavités que déterminent les augets sont formées en effectuant à la fraise des entailles inclinées dans les faces latérales du rotor et des stators. Les augets font un petit angle avec ces faces, et par exemple, un angle type de 15 degrés. Chaque auget, par conséquent, présente une entrée dans la face du stator ou du rotor perpendiculaire à l'axe et s'étend vers l'intérieur dans une direction en principe circonférentielle. L'auget 32 a un fond parallèle et il présente des surfaces de dessus 45 et 46, à son extrémité extérieure qui relient ce fond à une surface d'extrémité 47 de forme sensiblement semi-circulaire. Les surfaces latérales 48 et 49 des augets sont parallèles entre elles et perpendiculaires à l'axe du rotor 15. La face 50 perpendiculaire à l'axe, à une extrémité du rotor 15 présente une entaille arquée 51 placée dans la partie milieu de chacun des augets 32. Collectivement, les entailles 51 sont disposées suivant un tracé circulaire coaxial à l'arbre 10. Des entailles similaires 52 et 53 sont pratiquées au point milieu des augets 33 et 34. Ces entailles reçoivent des nervures annulaires saillantes 54, 55 et 56 sur la face 57 du stator 22, qui s'ajustent dans les entailles. En conséquence, à chacun des augets dans le rotor correspond une saillie du stator qui s'étend en partie en direction axiale du rotor. D'une manière comparable, le stator 22 présente des gorges arquées 60 et 61 disposées en rangées circulaires concentriques à l'axe, dans sa face 57 perpendiculaire à l'axe, aux parties médianes des augets 36 et 37. Le rotor 15 présente des nervures 63 et 64, en saillie axialement vers l'extérieur, qui s'étendent dans les gorges 60 et 51, respectivement. Ces nervures constituent, par suite, un prolongement dans le sens axial dans chacun des augets du stator. Sur la face opposée est prévue une disposition similaire avec des nervures annulaires 65 et 66 du rotor s'étendant dans les parties du milieu des augets 41 et 43, respectivement, du stator 20. Ce dernier, de son côté, présente des nervures annulaires 7 et 68 qui pénètrent dans les parties du milieu des augets 42 et 44 du rotor 15. Conformément à cette disposition, le fluide entre dans les augets sur un côté de la nervure pénétrant dans chaque auget, subit une inversion de son sens d'écoulement dans la surface intérieure semi-circulaire, et il s'échappe de l'au get, à l'extérieur, sur le côté opposé de la nervure. Ainsi, pour les augets 32, le fluide se décharge des passages 29 aux entrées des augets, le long des parties inférieures de ces augets, entre les surfaces 45 et la nervure 56. Ensuite, comme indiqué par les flèches des figures 7 et 9, le fluide tourne autour de la surface semi-circulaire 47, de sorte que son sens d'écoulement est inversé et devient en principe parallèle à son sens initial, le long de la surface de dessus 46. Le fluide sort des augets 32 à leur sortie au-dessus de la nervure 46 et au-dessous de la surface de dessus 46.Pendant que le fluide est dévié dans les augets 32, il exerce une force sur le rotor 15. -Du fait que les augets sont inclinés d'un petit angle par rapport à la face du rotor, la composante principale de cette force a une direction circonfé rentielle et elle fournit une réaction sur le rotor pour l'entraîner en rotation. le même résultat est obtenu dans les autres augets des stators et du rotor. Quand le fluide quitte les augets 32, il pénètre dans les parties inférieures des augets 36 qui se tiennent en opposition par rapport aux augets 32. La vapeur entre dans les augets 36, au-dessous des nervures 63, en ayant le sens de son écoulement inversé et elle se décharge au-dessus des nervures 63 dans les parties inférieures des augets 33. Ainsi,-le fluide pénètre dans les augets 33 dans le même sens qutil pénètre dans les augets 32, de sorte qu'il fournit une impulsion additionnelle vers Lavant au rotor 15. le fluide progresse radialement vers l'extérieur à travers les augets 33 et dans les augets 37 du stator qui sont opposés aux augets du rotor.Des augets 37 du stator, la vapeur s'écoule en revenant aux augets 34 du rotor et dans les surfaces de décharge 38 et 39. Un-effort analogue est réalisé à la face opposée du-rotor. Conformément à cette disposition, toutefois, le fluide subit un changement de direction de sensiblement- 180 degrés pour chaque auget. Ceei veut dire qutil exerce une très grande force contre les-augets lorsque se direction n'est pas seulement déviée légèrement mais est inversée. Cette force s'ajoute grandement au couple développé par la turbine. I1 en résulte que la turbine est capable de démarrer de la vites se nulle en ayant approximativement deux fois la valeur du couple de démarrage, à une pression donnée. L'inversion du sens de déplacement du fluide l'oblige aussi à prendre une direction correcte pour entrer dans l'auget suivant.Les nervures dans la partie du milieu des augets participent à l'inversion de l'écoulement et elles établissent un joint de chicane labyrinthe qui empêche les fuites de vapeur entre les faces adjacentes du rotor et des stators. Le rendement de l'écoulement est accru de cette manière lorsque le fluide passe d'un auget au suivant sous un angle optimum. les cavités obtenues par usinage qui forment les augets sont très facilement exécutées sans exiger des tolérances étroites. I1 n'est pas besoin d'un dispositif d'attache pour des lames distinctes comme dans une turbine classique, les augets étant solidaires du rotor et du stator. La turbine, par suite, devient une machine à très bas prix de revient, Tout nombre d'étages peut être prévu pour répondre à des besoins de puissance particuliers.Avec des augets prévus dans le rotor et les stators, ces augets sont capables de dissiper une quantité de chaleur considérable, ce qui permet par coneéquent d'utiliser de la vapeur, ou un autre fluide, plus chaud. La masse du rotor et des stators peut dissiper la chaleur et, si besoin est, on peut prévoir un dispositif de refroidissement différent de la conception ordinaire dans laquelle on utilise une lame mince distincte. En outre, la turbine est d'un fonctionnement silencieux puisque la vapeur, à l'échappement, se déplace plus lentement qu'à l'entrée, la vapeur, à son entrée à grande vitesse au centre de la turbine étant isolée de l'extérieur. Dans certaines dimensions de turbines, on préfère supprimer les nervures et les cavités aux parties du milieu des augets et, à la place, comme montré sur les figures 11 et 12, on monte une petite plaque plane 69 dans l'auget. Vue en plan, la plaque 69 est triangulaire, de sorte que, lorsquelle est montée, elle affleure sur le même plan que la face 71 du rotor ou des stators auxquels elle est associée. Elle s'ajuste dans une entaille 72 pratiquée dans la partie milieu de l'entrée de l'auget 70-et est orientée parallèlement à l'axe de la turbine. L'extrémité interne 73 de la plaque 69 se termine au centre de courbure de la surface d'extrémité interne de l'auget 70. I1 va de soi que l'invention a été décrite ci-dessus à titre d'exemple préférentiel indicatif mais nullement limitatif et que lson pourra introduire toute équivalence dans ses éléments constitutifs sans sortir de son cadre défini par les revendications annexées. REVENDICATIONS 10) - Turbine comprenant un élément rotatif présentant une face perpendiculaire à son axe, cette face comprenant plusieurs cavités s'étendant dans l'élément sous un angle relativement petit par rapport à ladite face, ces cavités étant réparties en un tracé circulaire coaxial à l'axe de rotation de 12 élément, chacune des cavités ayant une surface d'extrémité interne arquée qui s'étend sur sensiblement 180 degrés, une partie d'entrée sur un côté de ladite surface d'extrémité, et une partie de sortie sur le côté opposé de ladite surface d'extrémité et des moyens pour diriger du fluide dans les parties d'entrée des cavités. 20) - Turbine suivant la revendication 1 comprenant des moyens s'étendant transversalement dans chacune desdites cavités entre leur entrée et leur sortie. 30) - Turbine comprenant deux éléments tournant relativement et ayant des faces adjacentes, chacun desdits éléments présentant plusieurs cavités s'étendant intérieurement auxdites faces suivant un angle relativement petit, ces cavités étant réparties en tracés circulaires, et au moins un desdits éléments comprenant plusieurs rangées, chacune des cavités ayant une surface d'extrémité intérieure arquée sté- tendant sur sensiblement 180 degrés, et ayant une partie d'entrée sur un côté de ladite surface d'extrémité et une partie de sortie sur le côté opposé de ladite surface d'extrémité, ces cavités, dans les faces adjacenteB, étant disposées en quinconce et opposées de façon que les sorties des cavités dans un desdits éléments se déchargent dans les entrées dans l'autre desdits éléments, et des moyens pour amener du fluide dans les parties d'entrée d'au moins certaines desdites cavités. 40) - Turbine suivant la revendication 3 comprenant des moyens en saillie transversalement dans lesdites cavités pour en diviser les parties d'entrée et de sortie. 5") - Turbine suivant la revendication 4 dans laquelle les moyens en saillie dans lesdites cavités comprennent des nervures annulaires s'étendant axialement sur un desdits éléments, l'autre--desdits éléments ayant des entailles annulaires pour recevoir ces nervures annulaires. 60) - Turbine suivant la revendication 5 dans laquelle chacun desdits éléments présente au moins une des nervures annulaires et une cavité pour recevoir chacune desdites nernures annulaires de l'autre élément. 70) - Turbine suivant la revendication 4 dans laquelle les moyens qui s'étendent transversalement dans les cavités comprennent une plaque qui s'étend transversalement dans l'extrémité extérieure de chacune desdites cavités entre les parties d'entrée et de sortie. 80) - Turbine suivant la revendication 3 dans laquelle chacune desdites cavités a des surfaces latérales parallèles sensiblement planes en principe normales à l'axe des éléments en rotation relative. 90) - Turbine suivant la revendication 3 dans laquelle lesdits-éléments sont des disques dont l'un est rotatif et l'autre stationnaire, lesdites cavités étant définies par des cavités dans ces disques communiquant avec les faces. 100) - Turbine suivant la revendication 9 dans laquelle les faces sont perpendiculaires à l'axe et dans laquelle lesdites cavités sont inclinées d'approximativement 15 degrés par rapport auxdites faces. 110) - Turbine suivant la revendication 3 dans laquelle les cavités dans lesdits éléments sont disposés en rangées concentriques, les moyens pour amener du fluide auxdites cavités se déchargeant dans ces dernières dans un desdits éléments dans la rangée adjacente à l'axe. 120) - Turbine suivant la revendication 11 dans laquelle les cavités sont progressivement plus grandes dans lesdites rangées en partant de la rangée la plus rapprochée des axes desdits éléments et en se rendant vers la rangée la plus éloignée de ces axes. 130) - Turbine.suivant la revendication 12 dans laquelle il existe des nombres sensiblement égaux de cavités dans les rangées.