Brevet FR2444792A1 — publié le 19800718

l'invention concerne une turbine à vapeur à action La crise de l'énergie a mis en évidence la nécessité de récupérer des "calories fatales, c'est-à-dire des quantités de chaleur sous-produits de processus industriels, mal récupérés jusqu'à présent, ou pas récupérés du tout. C'est le cas notamment de toutes les opérations de destruction de déchets, destruction généralement opérée par combustion. Dans les grandes agglomérations, la collecte des déchets est soigneusement organisée et leur incinération peut s'effectuer dans des unités importantes, où les récupéra tions sont très étudiées. Il n'en est pas de même pour les pe titres collectivités ou pour les petites efiploitations désireuses de valoriser certains résidus d'epploitation (pailles, déchets de bois, etc.030 Une possibilité, largement utilisée, consiste à produire de la vapeur ou de l'eau chaude destinée au chauffa zendes locaux avoisinants, mais ce procédé constitue une très mauvaise utilisation de l'énergie : les gaz de combustion sont en effet à des températures très élevées, de l'ordre de 5000C ou même beaucoup plus, et la chaleur outils contiennent est finalement délivrée dans des locaux à 20 C environ. Une amélioration du procédé ci-dessus consiste à produire, grâce aux gaz de la combustion, de la vapeur sous pression, capable d'actionner un moteur de détente, de manière à disposer d'une part de force motrice et d'autre part de chaleur pour le chauffage, en réglant convenablement la température d'échappement du moteur de détente. Toutefois, la réalisation d'un moteur de détente approprié n'est pas simple. Les constructeurs ont mis au point des turbines à vapeur de technologie quasi-parfaite pour les grandes centrales de production d'énergie. Pour les petites puissances, de l'ordre de 100 à 800 kW, il n'existe sur le marché que des machines rudimentaires à rendement très médiocre, ou des machines excessivement compliquées, et donc très coûteuses. La difficulté provient des très faibles débits volumiques mis en jeu dans ces machines.Sa l'on veut utiliser une turbine dite "à action't à écoulement axial comme il en est décrit au brevet français N0 2 238 382, on se heurte à plusieurs types d'inconvénients : - la vitesse pérjphérique de la roue doit être très élevée, de l'ordre de 400 à 5Q0 m/s et pour obtenir une telle vitesse on est obligés soit d'adopter des vitesses de rotation très élevées (de l'ordre de 30 à 40 000 trima ce qui conduit à une technique délicate et chère), soit de choisir un disque de diamètre important, de l'ordre du mètre, - avec un disque de diamètre important, et si l'on veut conserver une hauteur d'aubages qui ne soit pas ridiculement faible, la section disponible pour le passage du fluide est relativement grande.Or, le débit du fluide étant très faible, on est amené à réduire artificiellement la section de passage par le procédé bien connu de "l'injection partielle"3 ce procédé conduit à des pertes importantes et donc à un rendement très médiocre, - la composante axiale de la vitesse de la vapeur à sa sortie de la roue de turbine représente une énergie importante qui n'est pas récupérée. le but de l'invention est de proposer une turbine à vapeur évitant les inconvénients précités, présentant une grande simplicité mécanique, qui puisse Strie réalisée en différentes puissances nominales et/ou pour différentes pres suions de vapeur à partir d'un petiot nombre de pièces en stock. Ce but est atteint, selon l'invention, par une turbine à vapeur à action comportant une roue mobile à augets périphériques présentant chacun une face active concave de déviation de jet, une enceinte de collection et d'évacuation de tangentiels vapeur et une pluralité d'injecteuraSde détente de vapeur an gulairement équidistants dirigeant chacun vers la face active d'au moins un auget un jet de diamètre sensiblement constant, par le fait qu'elle comporte la combinaison des moyens suivants:: - la roue mobile est symétrique, - les injecteurs de détente dirigent leurs jets de vapeur dans le plan de symétrie de la roue mobile, et - la dimension radiale des augets et la distance mutuelle angulaire et la direction et le calibre des injecteurs sont adaptés mutuellement pour que le parcours angulaire d'un auget pendant qu'il est soumis à tout ou partie d'un jet quelconque soit sensiblement égal à la distance angulaire mutuelle des injecteurs. Les jets de vapeur sont donc réalisés par des "injecteurs" régulièrement répartis sur toute la périphérie, et en nombre suffisant pour que chaque auget de la roue mobile soit sollicité en permanence, de manière à éliminer les zones passives qui créent sur les turbines classiques à inåec- tion partielle d'importantes pertes dites "de ventilation1,. La turbine suivant l'invention est bien du type "à actioa", c'est-à-dire que toute la chute de pression de la vapeur est réalisée avant son entrée dans la roue mobile celle-ci ayant pour but de transformer en puissance mécanique la puissance cinétique du jet de gaz ou de vapeur. Il va de soi que la turbine peut comporter un ou plusieurs étages de déten te. Selon un mode de réalisation préféré, les injecteurs dirigent leurs jets tangentlellement à un cercle parcouru par un point voisin du centre des formes actives des augets . La vapeur agit sur des "augets" de forme appropriée, qui inversent le mouvement relatif de la vapeur par rapport à la roue mobile, par un fonctionnement analogue à celui des augets des turbines hydrauliques dites UPelton", En choisissant convenablement la vitesse de rotation de la roue, on obtient une vitesse absolue de sortie de la vapeurs quasi nulle à une légere composante transversale pres ; il en résulte une récupération quasi totale de la puissance cinétique de la veine fluide. Selon l'invention, la turbine comporte une paire d'écrans circulaires calés recouvrant avec faible jeu, de préférence de l'ordre de 5 mm, les flancs de la roue jusqu'aux pieds des augets. Ces écrans réduisent les pertes par entrainement de vapeur morte en réalisant un interstice d'épaisseur faible dans lequel la centrifugation de la vapeur en diminue la pression et ainsi la masse spécifique. Conformément à l'invention, le rapport de la dimension radiale de chaque auget au diamètre du jet de vapeur délivré par chaque injecteur est de l'ordre de 2,5 à 5 et de préférence de l'ordre de 3,5 a Etant donné la faible ciirrension des augets, il est avantageux que la roue et les augets soient 'une seule pièce dans laquelle sont usinés les augets par tout moyen approprié tel que fraisagei ou usinage électrochimique. Il est avantageux que la turbine comporte un moyen de déviation des jets sensible aux vatessesO A cet effet, il est conforme à l'invention que les écrans circulaires calés soient légèrement décalables en rotation, que leur périphérie porte des lames déflectrices s'étendant normalement au-delà de la périphérie des augets en dehors des jets et susceptibles d'être interposés sur le trajet des jets par léger décalage en rotation des écrans. Dans ce cas, il est avantageux que les écrans circulaires soient retenus en position non décalée par un organe de retenue contre l'entrainement en rotation par frottement de la vapeur dont le maintien est asservi à une limite supérieure de vitesse donnée. L'ensemble ainsi formé qui peut tourner autour de l'axe général de la machine est normalement retenu dans la position normale fixe par exemple par un vérin sous pression. Un dispositif classique de détection des survitesses, quand il agit, met ce vérin à l'échappement, l'ensemble tourne sous l'effet du couple de friction de la vapeur sur les écrans latéraux et les lames périphériques viennent alors dévier simultanément tous les jets de vapeur, vers l'extérieur, de façon qu'ils ne rencontrent plus les augets de la roue.On réalise ainsi une sécurité t'positive" puisqu'en cas de panne du système de détection la turbine s'arrête d'elle-même, D'autres caractéristiques et avantages ressortiront de la description qui sera donnée, ci-après uniquement à titre d'exemple, d'un mode de réalisation de l'invention.On se reportera à cet effet aux figures annexées, dans lesquelles, - la figure i représente une vue de bout avec coupe partielle d'une turbine selon l'invention, - la figure 2 représente une coupe axiale de la turbine selon II de la figure 1, dont on a déposé le vérin de calage des écrans pour plus de clarté, cotée en mm - la figure 3 est une vue de fac , à plus grande échelle, d'un auget de la roue mobile de la turbine des figures 1 et 2, - la figure 4 est une coupe selon IV de l'an- get de la figure 3, - la figure 5 est une coupe selon V de la figure 4. Une turbine selon l'invention comporte un stator constitué par une enveloppe 1 constituant elle-même enceinte de collection et d'évacuation de vapeur pour un rotor, ou roue mobile 2, constitué par un disque 3 symétrique d'acier forgé monté sur des paliers lisses 4 et centré par une butée à patins 50 Des augets 6 (voir figures 3 à 5) sont taillés dans des saillies périphériques du disque 3 et ils comportent chacun une surface active 7 en double cuillère à arête centrale et à ouvertures d'extrémité radiale, ayant pour plan de symétrie le plan médian de la roue 2 et dont toutes les formes sont symétriques à ce plan. Les surfaces actives 7 dédoublent les jets symétriquement et dévient chaque demi-jet pour leur donner à la sortie de l'auget une vitesse relative faisant dans une direction oblique un angle compris entre 165 et 1750 avec celle du jet reçu.Etant donné la complexité de la forme des augets leurs caractéristiques doivent être considérées comme décrites par les figures 3 à 5 faisant donc partie intégrale de la présente description donnée seulement à titre d'exemple. le rot or représenté comporte trente augets. le stator comporte à sa périphérie, dans la réalisation représentée, dix injecteurs de détente 8 angulairement équidistants et dirigeant leurs jets 9 dans le plan de symétrie de la roue mobile 2. La dimension radiale des augets 6 leur distance mutuelle angulaire (ici 120), et la direction et le calibre des injecteurs sont adaptés mutuellement pour que le parcours angulaire d'un auget pendant qu'il est soumis à tout ou partie d'un jet quelconque soit sensiblement égal à la distance angulaire mutuelle des injecteurs (ici 360). C'est ainsi que pour un cercle "primitif" de 700 mm, défini comme étant le cercle tangent aux axes des jets de vapeur 9 et pour des augets d'ouverture de 38 mm mesurée en direction radiale, on peut prévoir avantageusement des injecteurs de 8,5 mm au col du Venturi délivrant un jet 9 de 12 mm. Si les injecteurs sont orientés de telle sorte que le "cercle primitif" se confonde sensiblement avec le cercle décrit par le centre des formes actives de chaque auget, le jet 9 rencontre, comme on le voit sur la figure 1, trois augets-. finalement le parcours angulaire d'un auget pendant qu'il est soumis à tout ou partie d'un jet quelconque est sensiblement égal à 360, distance angulaire entre injecteurs0 les injecteurs 8 sont alimentés, à travers des conduites 12 par un collecteur haute pression 10, luimême alimenté par une tuyauterie d'amenée de vapeur 11. L'enveloppe 1, qui est largement dimensionnée, pour éviter toute perte de charge, comporte deux grands orifices de sortie 13 débouchant dans une conduite d'évacuation 14 (voir figure 1). Selon une caractéristique importante de llin- vention, il est prévu, de part et d'autre du disque 3 constituant la roue mobile 2, une paire symétrique d'écrans circulaires 15 montés sur l'enveloppe 1 au moyen de paliers 16. En fonctionnement normal ces écrans circulaires sont maintenus calés en rotation dans la position de la figure 1 comme il sera exposé plus loin. les deux écrans circulaires sont réunis à ler7s périphéries par des ponts 17 dégageant un passage libre pour les augets 6z. Ces ponts 17, à distances angulaires régu lières, sont en nombre égal à celui des injecteurs, c'est-àdire ici dix, et portent chacun à son sommet, une lame déflectrice 18 qui, dans la position représentée, est décalée en amont de chaque injecteur de façon à ne pas perturber le jet 9P. L'un des écrans 15 porte une broche fixe 19 écartée de son axe et dirigée parallèlement à cet axe vers la paroi vis-à-vis de l'enveloppe 1. Du c8té de la broche 19 l'enveloppe I porte une autre broche 20 dirigée en sens inver ie à celui de la broche 19 et écartée de celle-cir. Les deux broches 19 et 20 sont liées par un vérin 21 hydrauliqle ou à pression de vapeur, qui en service normal, exerce une traction tendant à rapprocher les broches 19 et 20 l'une de l'autre, c'est-à-dire à caler les écrous 15 dans la position représentée à la figure 1, dans laquelle les lames déflectrices 18 sont en retrait des jets 9. On asservit la commande en traction du vérin 21 à un dispositif de type connu de détection de survitesse, de telle sorte qu'en cas de détection de survitesse, le vérin cesse toute-traction par mise à la bâche ou mise à l'atmosphère. Comme on a pris soin de monter les écrous 15 sur des paliers 16 le frottement de la vapeur sur leurs parois les entraine dans son sens, c' est-à-dire dans le sens inverse des aiguilles d'une montre pour la figure 1, si bien que les lames déflectrices 8 sont entraRnées pareillement jusque sur le trajet des jets 9 où elles sont alors réglées en décalage par rapport à leur position normale par l'élongation appropriée du vérin 21. On voit que, dans une réalisation suivant l'invention, la vapeur arrivant par la tuyauterie Il et le collecteur 10 à haute-pression est complètement détendue dans un certain nombre d'injecteurs 8 identiques et qui forment des jets tangentiels à grande vitesse (dix dans l'exemple). L'éner gie cinétique de ces jets est utilisée en déviant la vapeur par les augets 6 taillés à la périphérie de la roue 3. Cette vapeur sort des augets 6 à une vitesse absolue faible, elle est collectée par 11 enveloppe 1 et s'en échappe latéralement par les deux tuyauteries de sortie 13 symétriques. les déflecteurs 18 retenus par le vérin 21 permettent, en déviant rapidement les jets, de réduire les survitesses en cas de disjonction du réseau.La régulation proprement dite se fait par laminage de la vapeur avant l'entrée dans le collecteur 11, cette vanne de laminage étant commandée hydrauliquement à partir d'un régula- teur de vitesse monté en bout d'arbre libre. Enfin l'arbre tournant sur deux paliers lisses 4 symétriques, et centré par une butée à patins 5 entraîne par l'intermédiaire d'un accouplement métallique flexible un arbre d'entrée de réducteur 12000-3000 tr/mn. Une telle machine est d'une simplicité mécanique insurpassable0 Elle comporte un seul disque d'acier forgé et les formes actives des augets sont directement taillées dans la masse. les injecteurs sont de petites pièces, usinées à part, et facilement interchangeables. Il s'agit d'une machine à action, c'est-à-dire que dès l'entrée dans l'enveloppe, la pression qui règne partout est celle de l'echappement. Ainsi, il ne se pose pas de problème d'étanchéité entre roue et enveloppe, et il n'est requis nulle part de jeu reduit, d'usinage délicat, et il ne peut pas non plus se produire des poussées axiales chargeant la butée et provoquant son usure. L 'envêloppe soumise à la pression interne la plus faible possible, petit donc être un carter mécano-soudé de construction tres economi- que.Enfin, si une vitesse de rotation de 12000 tr/nn, nécessite un équilibrage soigné du rotor, elle conduit aussi à une machine d'encombrement réduit (diamètre de roue inférieur à 0,70 m). Dans une machine de ce genre, le diamètre de roue ne dépend que des conditions initiale et ale de la vapeur (ici 4000 et 16 bars absolus à l'entrée, 2 bars à la sortie). Avec un même diamètre moyen de roue, on peut réaliser des machines présentant pratiquement le même encobrexent pour des puissances allant de 100 kW à 800 kw, ne changent que les dia- mètres des tuyauteries et des injecteurs et les disensoons dca augets taillés et le nombre de ces éléments REVENDICATIONS 1. Turbine à vapeur à action comportant une roue mobile à augets périphériques, présentant chacun une face active de déviation de jet, une enceinte de collection et d'évacuation de tansentiels vapeur et une pluralité d'injecteurs de détente de vapeur angulairement équidistants dirigeant chacun vers la face active d'au moins un auget un jet de diamètre sensiblement constant, caractérisée en ce qu'elle comporte la combinaison des moyens suivants - la roue mobile est symétrique, - les injecteurs de détente dirigent leurs jets de vapeur dans le plan de symétrie de la roue mobile, et - la dimension radiale des augets et la distance mutuelle angulaire et la direction et le calibre des injecteurs sont adaptés mutuellement pour que le parcours angulaire d'un auget pendant qu'il est soumis à tout ou partie d'un jet quelconque soit sensiblement égal à la distance angulaire mutuelle des injecteurs. 2. Turbine à vapeur selon la revendication 1, caractérisée en ce que les injecteurs dirigent leurs jets tangentiellement à un cercle parcouru par un point voisin du centre des formes actives des augets. 3. Turbine à vapeur selon l'une quelconque des revendications 1 et 2, caractérisée en ce qu'elle comporte une paire d'écrans circulaires calés recouvrant avec faible jeu les flancs de la roue jusqu'aux pieds des augets. 4. Turbine à vapeur selon la revendication 3, caractérisée en ce que le jeu entre chaque écran circulaire calé et le flanc de la roue est de l'ordre de 5 mm. 5. Turbine à vapeur selon l'une quelconque des revendications 1 et 2, caractérisée en ce que le rapport de la dimension radiale de chaque auget au diamètre du jet de vapeur délivre par chaque injecteur est de l'ordre de 2,5 à 5. 6. Turbine à vapeur selon la revendication 5, caractérisée en ce que le rapport de la dimension radiale de chaque auget au diamètre du jet de vapeur délivré par chaque injecteur est de l'ordre de 3,5. 7. Turbine à vapeur selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisée en ce que la roue et les augets sont d'une seule pièce dans laquelle sont usinés les augets. 8. Turbine à vapeur selon l'une quiconque des revendications 1 à 7, caractérisée en ce qu'elle comporte un moyen de déviation des jets sensible aux survitesses. 9. Turbine a vapeur selon les revendications 3 et 8 combinées, caractérisée en ce que les écrans circulaires calés sont légèrement décalables en rotation, leur périphérie porte des lames déflectrices s'étendant normalement au-del de la périphérie des augets en dehors des jets et susceptibles d'être interposés sur le trajet des jets par léger décalage en rotation des écrans. 10. Turbine selon la revendication 9, caractérisée en ce que les écrans circulaires sont retenus en position non décalée par un organe de retenue contre l'entraînement en rotation par frottement de la vapeur dont le maintien est asservi a une limite supérieure de vitesse donnée.