Brevet FR2496162A1 — publié le 19820618

- 1 - La présente invention concerne une turbine à refoulement. La pratique requiert depuis de nombreuses années une machine motrice de forte puissance, notamment une machine à vapeur, qui puisse être commandée effica- cement et économiquement au moyen de différents fluides. Les machines proposées jusqu'à présent n'ont cependant pas accordé suffisamment d'attention au problème de la compensation de la pression interne lorsqu'il s'agit d'une machine devant pouvoir fonctionner à une pression relativement faible. En outre, de grandes machines à vapeur requièrent depuis toujours une addition de lubrifiant, sous forme d'huile ajoutée ai la vapeur, afin de lubrifier suf- fisamment les nombreuses pièces glissantes, par exemple le piston et les boîtes à presse-étoupe. A défaut de cette lubrification le frottement serait considé- rable et l'usure qui s'ensuivrait trop forte. Les turbines à vapeur usuelles présentent une série d'inconvénients; par exemple, les turbines ordinaires ne sont économiques qu'en pleine charge. En charge partielle le coefficient de rendement descend rapidement à zéro. De plus, une vitesse de rotation élevée en permanence est nécessaire pour que la machine développe une puissance optimale, et une réduction de cette vitesse conduit par conséquent à une perte rapide du coefficient de rendement. A cela s'ajoute le fait qu'ô cause de l'utilisation de l'énergie cinétique exclusivement de molécules ea- zeuses se déplaçant rapidement, les turbines sont des machines motrices thermiques à haute température qui, pour assurer un coefficient de rendement élevé, re- quièrent des températures de service supérieures a 3000 C. Enfin, la vitesse de rotation des turbines à vapeur classiques est également limitée par la valve a tiroir principale, elle-même génératrice de frottement -2 - et tendant -.ripper. Le problème auquel l'invention apporte une so- lution est alors de concevoir une turbine a refoule- ment qui opère ' basse température, quisoit munie d'une compensation des pressions intérieures, présente peu de frottement glissant et une faible usure et qui puisse fonctionner extrêmement économiquement et efficacement en utilisant à la fois les forces d'expan- sion d'un fluide sous pression dépourvu de lubrifiant et l'énergie cinétique des molécules gazeuses se dépla- çant. grande vitesse dans ce fluide, tout ceci afin que le coefficient de rendement de cette turbine reste élevé aussi bien dans la plage de pleine charge que dans celle des charges partielles. La solution conforme ô. l'invention consiste en une turbine à deux chambres dépourvue de valve, qui fonctionne essentiellement comme une machine - vapeur à expansion et qui exploite l'effet de turbine pour améliorer le coefficient de rendement de l'ensemble de la machine. Il s'agit donc d'une turbine à refou- lement dans laquelle est mise a profit l'énergie ciné- tique d'un gaz en écoulement rapidea4rappe, comme dans une turbine classique, les aubes d'un rotcr. Dans le détail la solution selon l;invention consiste en une turbine ô refoulement comprenant un carter dont l'enceinte de forme elliptique est subdivi- sée en deux chambres radiales par un rotor monté con- centriquLement. Ce rotor comporte au moins deux groupes d'aubes de rotor montées chacune avec un excentrement et possibilité de coulisser radialement dans le jrotor avec lequel ces groupes d'aubes tournent en assurant une éi;anchéité sans frottement par rapport:. la paroi intérieure de l'enceinte d: carter qui délimite les deux chambres radiales, ce rotor tournant dans le earter muni d'entrées et de sorties de fluide et étant pourvu d'au moins un arbre de sortie, - 3 - Entre le rotor et le carter se trouvent, dans le champ du grand axe de l'ellipse, deux chambres radiales diamétralement opposées l'une à l'autre, de volume variable, que parcourent les deux groupes d'aubes. Pour permettre cela, ces groupes d'aubes sont montés sur un vilebrequin fixe disposé au centre du carter. Un fluide sous pression parvient d'un c8té dans chacune des deux chambres radiales et exerce sa pression sur les aubes qui, durant leur mouvement de rotation, entrent dans ces chambres, puis ce fluide sort de celles-ci par leur côté opposé à leur entrée. Les aubes de rotor qui se meuvent en un mouvement radial de va-et-vient sont guidées dans des fentes du rotor pendant ce mouvement, l'étanchéité étant as- surée par des dispositions formant labyrinthe. De manière semblable, l'étanchéité entre le rotor et la paroi intérieure du carter de la turbine dans le champ de l'intervalle le plus petit entre ces deux parties ainsi qu'entre les aubes et la dite paroi sur toute l'étendue circonférentielle des chambres radiales est assurée par un effet de labyrinthe, sans contact et donc sans frottement. Afin de réduire au minimum les pertes par frottement et améliorer l'effet d'étan- chéité, les parties en mouvement les unes par rapport aux autres peuvent être revêtues de matière synthétique, par exemple de téflon (marque commerciale). La turbine conforme à l'invention ne requiert aucun lubrifiant parce qu'elle ne comporte aucune pièce d frottement glissant (à l'exception des paliers du rotor) et que toutes les étanchéités dynamiques sont assurées par des systèmes en labyrinthe dépourvus de frottement. At1 début de la rotation du rotor le couple de ro- -tation résultant de l'énergie cinétique de la vapeur est bien inférieur. celui aui est du à l'expansion de celle-ci. Cependant, à mesure que la vitesse de rotation -4 - augmente, la quantité d'énergie cinétique par tour augmente, d'o une amélioration du rendement d'en- semble de la machine. A cela s'ajoute le fait que l'effet d'étanchéité des systèmes en labyrinthe se trouve accru par la vitesse périphérique plus grande. Les deux groupes d'aubes suivent le contour intérieur du carter, subdivisant en deux comparti- ments chacune des deux chambres radiales. En consé- quence, l'entrée et la sortie de chaque chambre radiale sont constamment isolées l'une de l'autre pendant que tourne le rotor, cela malgré que la turbine ne comporte pas de valves. Un fluide, par exemple de la vapeur, qui pénètre dans les chambres radiales par les entrées diamétrale- ment opposées l'une à l'autre, exerce une pression sur le rotor, sur deux côtés également en face l'un de l'autre, garantissant ainsi. une complète compersa- tion des pressions. Cette compensation est indispen- sable surtout dans le cas de machines de grande dimension mues par un fluide sous forte pression. La turbine à refoulement conçue selon l'invention est particulièrement appropriée pour être utilisée une température relativement basse, par exemple entre 120 et 150 C, notamment avec un fluide géo- the.mique. A cause de son coefficient de rendement élevé, elle est cependant notamment appropriée pour être épalement mise en oeuvre à la place des turbines dans les centrales de production d'énergie. Elle peut être actionnée par tout fluide i faible pression et/ou à. température peu élevée. C'est ainsi par exemple qu'elle pourrait être alimentée en air comprime stocké dans des cavités souterraines en gaz naturel sous pression, et même par des fluides corrosifs si l'on a pris la précaution de construire cette tur- bine avec des organes résistant h la corrosion. 1ï.ne forme d'exécution préférée de l'invention est décrite en détail ciaprès à titre d'exemple, en -5 - se référant au dessin schématique annexé; sur ce dernier - la figure 1 est une vue en coupe transversale d'une turbine selon l'invention, et - la figure 2 en est une vue en coupe longitudi- nale. La turbine illustrée au dessin comprend un carter composé d'une moitié supérieure 1 et d'une moitié inférieure 2, ces deux moitiés présentant des rebords, 3 et 4 respectivement, par lesquels elles sont fixées l'une a l'autre de manière étanche au moyen de boulons ou vis. Ce carter délimite une chambre allongée de forme elliptique. La moitié de carter supérieure 1 comporte une tubulure d'entrée de vapeur 6 et une tubulure de sortie de vapeur 8, tandis que la moitié de carter inférieure 2 comporte une tubulure d'entrée de vapeur 5 et une tubulure de sortie de vapeur 7. Les tubulures d'entrée 5 et 6 sont diamétralement opposées l'une à l'autre, de même que les tubulures de sortie 7 et 8. Chaque paire de tubulures est située d'un seul côté du moteur, comme représenté à la fig.1, et dessert un côté ou partie du moteur. Un rotor 9 du type à tambour est monté à rotation dans la chambre délimitée par les deux moitiés de carter 1 et 2, de sorte que ce rotor crée entre celles- ci et lui deux chambres radiales 10 et 11 diamétrale- ment opposées l'une là l'autre. L.e rotor 9 du type A tambour se compose de deux disques ou flasques extérieurs 12 et 13. Le flasque 12 comporte un moyeu tubulaire central 1f monté dans un palier 18. Le flasque 13 comporte un arbre central de sortie 15 servant de prise de force; cet arbre est monté dans deux paliers séparés 16 et 17. Le moyeu 14 et l'arbre 15 sont, S leur tour, retenus respectivement dans des douilles 21 et 22 dans lesquel- -6 - les sont montés les paliers 18 (douille 21) et 16,17 (douille 22). Les paliers 17,18 sont logés dans des évidements prévus dans les dou'les 21 et 22; ils y sont retenus par des chapeaux de palier 19 et 20 qui assurent une bonne étanchéité entre les flas- ques 12 et 13 et les douilles 21 et 22, respectivement. La partie du tambour 9 comprise entre ces flas- ques 12,13 constitue le reste du tambour et se com- pose de plusieurs segments 23 à 28 fixés rigidement autour des flasques 12 et 13 avec un espace dans le sens circoinférentiel entre chaque segment et le sui- vant, ces espaces constituant des fentes axiales. Chacun de ces segments 23 à 28 se termine le long de bords latéraux définissant les limites des fentes, ces bords latéraux étant recourbés vers l'intérieur du tambour pour former des lèvres d'étanchéité 29 dé- limitant entre elles une face semi-circulaire comprise entre les deux bords opposés de chaque fente. Six disques porteurs 30 sont montés à rotation n l'intérieur des flasques 12 et 13 du rotor 9, près des:Rentes de ce dernier, sur des paliers 31 étanches et résistants à la corrosion. Quatre tiges rigides 52 s'étendent de la surface de chaque disque porteur 30 vers l'intérieur du tam- bour, et des rouleaux 32 sont montés à rotation sur ces tiges par l'intermédiaire de roulements a aig.il- les étanches et résistants à la corrosion (non repré- sentés). Deux barres d'étanchéité 33 et 34 sont mon- tées sur les cStés de chaque disque circulaire 30 auquel elles sont vissées rigidement, formant ainsi avec lui une seule unité d'étanchéité avec les rou- leaux 32. La surface extérieure de ch2cune des barres d'é- tachéité 33 et 34 a une forme telle qu'elle épouse étroitement, mais sans contact, la courbure concave des l-vres d'étanchéité 29. I -7 - La surface intérieure de chacune des barres d'étanchéité 33 et 34 a une forme telle qu'elle épouse sans contact environ la moitié de la circon- férence des deux rouleaux 32. Egalement, plusieurs fentes étroites (non représentées) sont formées dans le sens de la longueur le long des surfaces extérieure et intérieure de chacune des barres d'étanchéité 33 et 34, de façon que soit ainsi obtenuuin effet d'étanchéité sans frottement, du genre labyrinthe, entre les dites barres et d'une part les lèvres d'étanchéité 29, d'autre part les rouleaux 32. En outre, les surfaces extérieures des segments de tambour 23 à 28 sont, par rapport aux surfaces intérieures des chambres radiales 10 et 11, espacées d'une distance appropriée pour que, lorsque ces surfaces extérieures passent au plus près de ces surfaces inté- rieures, des fentes longitudinales (non représentées) ménagées dans leurs surfaces extérieures, ou de toute autre façon entre elles, créent en ces points un ef- fet d'étanchéité sans frottement, du genre labyrinthe. Les surfaces extérieures étroites, c'est-a-dire les chants, d'aubes de rotor 35 i 40 définissent entre elles et la surface intérieure des chambres plusieurs fentes longitudinales (non représentées), de sorte que là encore une étanchéité sans frottement, du genre labyrinthe, est assurée entre les extrémités de chacune de ces aubes et la surface intérieure du carter déli- mitant la chambre radiale. Ainsi, les aubes de rotor + 40 pourront se dénlacer près des parois des cham- bres radiales 10,11, mais sans toucher ces parois, tout en maintenant en même temps un joint étanche par rapport r la surface intérieure du carter. Tout frottement glissant est empêche par le fait que les aubes de rotor 35 >.!0 touchent les rou- leaux 32, ce qui fait que ces derniers tournenrt lorsque ces aubes entrent et sortent alternativement des fentes -8 - lorsque le tambour 9 tourne. Afin d'accroltre l'étanchéité réalisée dans ceta partie, il est pré- férable que les faces latérales des aubes 35 à 40 soient revêtues de matière synthétique, par exemple de téflon (marque commerciale). De même, ces aubes se déplacent d'un côté à l'autre de leur fente res- pective lorsque le tambour 9 tourne et les barres d'étanchéité 33 et 34 en coopération avec les lèvres d'étanchéité 29 permettent ce déplacement et assurent l'étanchéité nécessaire. Un vilebrequin fixe, désigné dans son ensemble par le repère 82, comprend deux extrémités concen- triques 41 et 44, l'extrémité 41 étant fixée rigidement au moyen de clavettes q pente 45, dans la douille de palier 21, comme on le voit à la fig.2. Ce vilebrequin comprend ensuite au moins deux manetons excentrés 42 et 43 sur lesquels sont fixés les jeux d'aubes de rotor 35 à 40. Les aubes 35t36 et 37 sont montées a rotation sur le maneton 43 par l'intermédiaire de biellettes appropriées 46 et de roulement étanches anti-corrosion 48, tandis que l'autre jeu d'aubes de rotor 38,39 et 40 est monté à rotation sur l'autre maneton excentré 42, par l'intermédiaire de biellettes appropriées 47 et de roulements étanches anti-corro- sion 48. L'autre extrémité 44 du vilebrequin 82 est montée deans le flasque de rotor 13 par l'intermédiaire d'un roulement étanche anti-corrosion 53 autour duquel ce flasque 13 peut tourner, le vilebrequin restant fixe malgré la rotation du tambour 9 autour de lui. Pour faciliter l'assemblage, des ouvertures 49 sont ménagées dans les flasques 12 et 13, comme représenté clairement a la fig.l. Les tubulures de sortie 7 et 8 sont reliées aux chambres 10 et 11 par des alésages de petit diamètre ménagés en parallèle et en série dans les moitiés de carter 1 et 2, afin de réduire la génération de bruit. - 9 D'autre part, les tubulures d'entrée 5 et 6 sont raccordées aux chambres 10 et 11 par des alésages de grand diamètre 51 qui sont inclinés en direction des aubes et que traverse le fluide moteur pour faire pression sur les aubes de rotor passant au droit de ces alésages. - 10 - REVENDICATIONS 1. Turbine. refoulement avant un carter (1,2) et un arbre de sortie (15), remarquable d' une part en ce que l'enceinte délimitée par le carter (1,2) est elliptique et subdivisée par un rotor (9) monté concentriquement en deux chambres radiales (10,11) opposées l'une à l'autre, d'autre par part/au moins deux groupes d'aubes de rotor (35 à 40) montées chacune avec un excentrement et possibilité de coulissement radial dans le rotor avec lequel elles tournent en assurant une étanchéité sans frottement par rapport A. la paroi intérieure de l'en- ceinte elliptique qui délimite les deux chambres ra- par diales (10,11), d'autre part encore/des entrées (5,6) et des sorties (7,8) et un arbre de sortie (15) asso- cié au rotor (9). 2. Turbine selon la revendication 1, remarquable en ce que des tubulures d'entrée (5,6) sont reliées aux chambres radiales (10,11) par l'intermédiaire de canaux d'admission (51) inclinés en direction des aubes (35 a. 40) du rotor. 3. Turbine selon la revendication 1 ou 2, re- marquable on ce que les aubes (35 a. 40) du rotor sont guidées dans des dispositifs d'étanchéité (32, 33,34). 4. Turbine selon la revendication 3, remarquable en ce que chaque dispositif d'étanchéité comporte plusieurs rouleaux (32). 5. Turbine selon la revendication 4, remarquable en ce que les rouleaux (32) et/ou les aubes (35 - 40) sont revêtus de matière synthétique. 6. TIurbine selon l'une quelconque des revendica- tions -précédentes, remarquable en ce que le carter (1,2), le rotor (9) et ses aubes (35. 40) sont en une matière synthétique résistante aux températures Z496162 - 11 - élevées et à la corrosion. 7. Turbine selon l'une quelconque des revendica- tions précédentes, remarquable en ce que les aubes (35 à 40) du rotor sont montées sur un vilebrequin (82) axé au milieu de l'enceinte du carter, sans possibilité de tourner et de se déplacer. 8. Turbine selon la revendication 7, remarquable en ce que le rotor (9) comporte deux flasques (12, 13) formant couvercles, montés à rotation sur le vilebrequin (82). 9. Turbine selon l'une quelconque des revendica- tions précédentes, remarquable en ce que le pourtour du rotor se compose de plusieurs segments (23 à 28) qui laissent entre eux des fentes pour les aubes (35 i. 40) et qui sont encastrés entre les flasques (12,13). - 10. Turbine selon l'une quelconque des revendica- tions précédentes, remarquable en ce qu'elle comporte des dispositifs d'étanchéité composés de disques por- teurs (30) montés k rotation dans les flasques (12, 13) et se faisant face, ces disques portant des barres d'étanchéité (33,34) disposées des deux côtés des aubes (35 à 40) du rotor, ainsi qu'au moins un rouleau d'étanchéité (32) monté à rotation entre les dits dis- ques et au contact cTune aube (35 i 40). 11. Turbine selon la revendication 10, remarquable en ce qu'une étanchéité par labyrinthe est assurée entre les rouleaux d'étanchéité (32) et les barres d'étanchéité (33,34) ainsi qu'entre ces barres et les fentes du rotor. 12. Turbine selon l'une quelconque des revendica- tions précédentes, remarquable en ce que les entrées (5,6) et sorties (7, 8) de fluide sont raccordées aux chenbres radiales (10,11) sans interposition de valves.