Brevet FR2520052A1 — publié le 19830722

La présente invention est relative à un rotor de turbine à plusieurs étages, comportant un ensemble des disques d'entrée qui dirigent du fluide en mouvement vers un ensemble des disques de sortie sur le même arbre. Les ensembles sont montés pour tourner entre des plaques à l'intérieur d'une enveloppe de turbine et l'entrée de fluide dans l'enveloppe vers l'ensemble d'entrée s'effectue par des ajutages dans une bague fixée à l'enveloppe. Chaque ensemble de disques est constitué de disques espacés avec des barrières qui guident le fluide en mouvement d'abord à travers l'ensemble d'entrée puis à travers l'ensemble de sortie. Un passage central dans les ensembles de disques au voisinage de l'arbre permet le passage de fluide de l'entrée à la sortie. L'échappement du fluide s'effectue par des sorties dans le fond du logement.Dans un mode de réalisation, les ensembles de disques sont coniques et, vus de coté, les ensembles avec les plaques ont une configuration en X en coupe. Dans un autre mode de réalisation, l'ensemble d'entrée est plat, l'ensemble de sortie conique. L'enveloppe dans les deux modes de réalisation est conformée pour assurer des pertes minimales et une résistance maximale. Les ajutages peuvent être convergents/divergents dans une chambre placée au voisinage de la périphérie de l'ensemble d'ehtrée. Le rotor de turbine de la présente invention-utilise un ensemble d'entrée à écoulement radial similaire à celui décrit dans le brevet U.S. 4.036.584 associé sur un arbre unique -à un ensemble de sortie à écoulement radial. En association, les ensembles d'entrée et de sortie constituent une construction de turbine à deux étages légère et très compacte. Les principes décrits dans la présente demande peuvent s'étendre de façon évidente, dans le cas d'applications à des pressions et températures très élevées à des rotors doubles ou des rotors doubles suivis par un rotor unique. Selon la présente invention, la turbine peut présenter un agencement d'entrée/sortie à écoulement radial avec un ajutage annulaire unique ou des ajutages multiples. On peut également prévoir une construction à ajutage variable et collecteur de débris. En utilisant des détecteurs en amont de la turbine et en mettant en oeuvre un contrôle rapide, on évite l'endommagement de la turbine par des débris. On obtient une meilleure conservation de l'énergie avec des ajutages variables du fait que la consommation de fluide en mouvement est automatiquement contrôlée par les variations de la charge et, dans le cas de vapeur humide, on élimine les dangers de décrochages et de survitesses. Toutes ces caractéristiques sont également utilisables dans une turbine à étage unique. D'autres avantages et caractéristiques de l'invention apparaltront à la lecture de la description suivante de modes de réalisation de l'invention en se référant aù dessin annexé dans lequel La figure 1 est une vue en élévation frontale de la turbine, La figure 2 est une vue en élévation latérale en coupe selon 2-2 de la figure 1, La figure 3 est une vue en coupe arrière du premier étage selon la ligne 3-3 de la figure 2, La figure 4 est une vue en élévation frontale en coupe selon 4-4 de la figure 2, La figure 5 est une vue en élévation frontale en coupe d'une variante de turbine, La figure 6 est une vue latérale en coupe selon 6-6 de la figure 5, La figure 7 est une coupe fragmentaire de l'ajutage avec frein, et La figure 8 est une vue fragmentaire d'un collecteur de débris selon 8-8 de la figure 7. On voit sur la figure 1 que la turbine 1 possède une enveloppe extérieure 3 avec des sorties doubles 5 sur chaque côté inférieur qui supporte également la turbine 1. L'enveloppe 3 est conformée de façon à s'adapter à la structure du rotor 7 et peut être de configuration toroïdale ou cylindrique pour une plus grande résistance. Comme on le voit le mieux dans la figure 2, le rotor 7 comporte un arbre commun 9 tourillonné dans des paliers arrière 11 et avant 13 supportés par des portées 15 et respectivement 17 de l'enveloppe. La portée 17 est maintenue par le logement d'une boite à engrenages 19 monté à l'avant de l'enveloppe 3.L'agencement d'engrenages peut être planétaire avec une roue-soleil 21 fixée par un boulon 22 sur l'arbre 9 et un pignon satellite 23 monté rotatif sur la roue 21 et engrenant avec des dents 25 fixées à la surface circulaire interne du logement 19 ainsi qu'avec deux dents 27 sur le moyeu de sortie 29 tourillonné à l'avant du logement 19. Lé rotor 7 comprend un ensemble 31 d'entrée à écoulement radial de disques 33, similaires aux.disques 20 du brevet U.S. nO 4.036.584; qui sont séparés les uns des autres par des barrières internes qui peuvent être des segments en spirale séparés comme on le voit sur le dessin du brevet mentionné. Les disques 33 sont supportés par une plaque de base 35 d'un seul tenant avec ou fixée à l'arbre 9 et forment le premier étage ou étage d'entrée. Un ensemble de disques coniques 37, montés de manière similaire, forme une sortie radiale de fluide et un second étage de la turbine. L'ensemble 37 est constitué de disques 39 qui sont montés sur une plaque de support 41 d'un seul tenant avec ou fixée à l'arbre 9. Les disques 39, de même que les disques 33 sont reliés entre eux par des barrières qui sont brasées ou reliées d'une autre manière aux disques voisins et aux plaques de support 35 et 41. Les centres des disques 33 et 39 possèdent des orifices alignés qui forment un passage de fluide central 45 au centre du rotor 7 à proximité d'une section réduite de l'arbre 9. Les ensembles de disques, 31 et 37, sont supportés sur l'arbre 9, et des plaques internes d'armature 47, 48, 49 sont reliées les unes aux autres et séparées des plaques de support 35 et 41 par des joints circulaires en graphite 53 et 55 pour empêcher des fuites de fluide. La plaque 47 possède une partie extérieure évasée ou incurvée 42 qui forme un guide de sortie de fluide. Comme on le voit sur la figure 2, le rotor est conformé en "X". Le fluide en mouvement, tel que de la vapeur ou du gaz, est introduit par des entrées opposées 56 dans une chambre 57 formée par les plaques d'armature 48 et 49 et la paroi adjacente de l'enveloppe 3. Une bague d'ajutage fixe 61 entoure l'ens-emble 31 au voisinage immédiat de celui-ci. Comme on le voit le mieux dans la figure 3, le fluide pé- nètre dans la chambre 57 et traverse l'ajutage 61 vers l'ensemble d'entrée 31, puis le passage central 45, traverse l'ensemble de sortie 37 jusqu'aux sorties 5. La bague d'ajutage 61 comprend de préférence deux segments identiques qui sont fixés à l'enveloppe avec des étranglements diamétraux 63 placés éloignés des entrées 56 L'ajutage 61 peut être sensiblement le même que celui décrit cidessous en référence à la figure 8. On voit dans les figures 5 et 6 une variante de turbine qui possède une enveloppe externe 103 possédant des sorties 105 dan chaque support inférieur. Un rotor 107 avec un arbre 109 est touril lonné dans des paliers arrière 111 et avant 113. Une boîte à engrenages 119 comprend un système d'engrenages planétaire similaire à celui que l'on voit dans la figure 2. L'arbre 109 est boulonné à un portée 115 qui débouche à l'extérieur de l'enveloppe 103. Le rotor 107 comprend un ensemble d'entrée à écoulement radial 131 formé de disques sensiblements plats 133 qui sont, là encore, séparés par des barrières internes qui sont soudées ou brasées ensemble et à une plaque de support 135 sur l'arbre 109.L'ensemble de disques de sortie d'écoulement 137 peut être le même que celui de la figure 2 avec des disques coniques 39 fixés les uns aux autres et à une plaque de support 141 sur l'arbre 109 ou la portée 115. Les centres des ensembles 131 et 137 sont ouverts et alignés pour former un passage 145. Des entrées diamétralement opposées 156 amènent un fluide en mouvement tel que de la vapeur ou un gaz à une chambre 157 et à une bague d'ajutage 161, lesdites entrées étant de préférence tangentielles par rapport à l'ajutage comme dans le mode de réalisation de la figure 2. Des plaques d'armature 147, 148 et une plaque de support 149 sont reliées à, et forment partie de enveloppe 133 ; la plaque 147 possède une partie évase ou incurvée 142 pour guider le fluide. Des ajutages similaires sont décrits dans la demande de brevet U.S. nO 188.988 et peuvent être utilisés dans le cadre de la présente invention. tomme on le voit dans la figure 8, un étranglement 163 est formé entre les parties en recouvrement des segments de la bague 161. La partie de dessus du segment supérieur 161A possède une poche 181 qui forme une trappe à débris, et un conduit de sortie 183 (figure 7) peut être ajouté pour les accumulations de siphon de débris. En variante, des débris accumulés peuvent être enlevés automatiquement de la poche 181 lorsqu'ils sont signalés par un détecteur. Dans des applications géothermiques, un enlèvement automatique des débris est avantageux pour éviter des coupures. Au voisinage de l'étranglement 163, les plaques 148 et 149 ont étémodifiées de façon à présenter des plaques d'étanchéité latérales circulaires 185 qui peuvent être mises sous pression par des lignes hydrauliques 187 et forcées contre les segments d'ajutage 161A et 161B pour assurer l'étanchéité. Les deux étranglements 163 présentent une structure identique, et leurs mécanismes respectifs 171 ainsi que les lignes hydrauliques 187 communiquent mutuellement pour une synchronisation. L'agencement d'engrenages planétaire de la turbine de la figure 6 peut être sensiblement le même que celui représenté dans la figure 2 et la boîte à engrenages 119 est conformée pour s'adapter sur l'extérieur de la plaque extérieure 149. Comme on le voit dans les figures 7 et 8, les étranglements 163 de la bague 161 sont du type convergent-divergent et sont réglables. La bague est pleine et s'étend sur la largeur de l'ensemble d'entrée 131 et la chambre 157. La bague 161 comprend un dispositif combiné 171 de frein de rotor de réglage d'étranglement, dans lequel un tube 173 possède une partie inférieure 172 vissée par une tête 177 qui est susceptible de coulisser dans la bague 161. L'extrémité de la partie 172 peut être tournée pour s'appliquer sur une tête de plongeur 177 qui supporte un embout de graphite 176. Le tube 173 est susceptible de coulisser dans un bloc 178 vissé à la bague 161. Ainsi le coulissement du tube 173 vers le bas déplace la tête 177 de telle manière que l'embout 176 s'appuie contre la périphérie extérieure de l'ensemble 131 pour freiner celui-ci.Le coulissement du tube 173 vers le haut peut soulever la tête 177 jusqu'à ce qu'elle s'applique contre des épaulements 179 de la bague 161 comme représenté dans la figure 7. Un mouvement vers le haut ultérieur du tube 173 soulève le segment de bague supérieur et ouvre ou dilate l'étranglement 163. Les segments de bague sont fixés à l'enveloppe 103 à distance des étranglements 163 pour permettre le réglage de l'écartement d'environ 3 à 15 mm lorsque la bague 161 possède une profondeur d'environ 10 mm comme on le voit dans la figure 7. Toutefois, les dimensions d'étranglement sont fonction des dimensions de la turbine et peuvent de ce fait varier notablement. Egalement, les mouvements de coulissement du tube 173 peuvent être automatiques et effectués par un servo-mécanisme conventionnel en fonction entre autres de la température et de la pression du fluide en mouvement. De même, une décélération instantanée ou rapide du rotor peut etre effectuée avec le dispositif de freinage si l'on détecte une survitesse ou dans le cas d'une accumulation de débris. Bien que l'invention ait été décrite en liaison avec des modes de réalisation particuliers, elle n'y est nullement limitée et l'on peut lui apporter de nombreuses variantes et modifications sans pour autant sortir ni de son cadre, ni de son esprit. REVENDICATIONS 1. Turbine à plusieurs étages comprenant une enveloppe et un rotor monté sur un arbre tourillonné pour tourner dans ladite enveloppe, caractérisée par le fait que ledit rotor comprend deux ensembles (31, 37) de disques adjacents montés en tandem sur ledit arbre (9), un premier ensemble (31) étant un ensemble circulaire d'entrée de fluide avec une circonférence extérieure possédant des orifices de fluide, des moyens d'entrée dans ladite enveloppe (3) et un ajutage interne (61) réalisant une communication de fluide entre lesdits moyens d'entrée et lesdits orifices, un second ensemble (37) comprenant des disques coniques (39) espacés possédant une circonférence externe avec des moyens de sortie de fluide dans l'enveloppe, des moyens de passage de fluide dans ledit rotor (7) etau voisinage dudit arbre (9) qui réalisent une communication de fluide de l'intérieur de l'ensemble d'entrée (31) à l'intérieur de l'ensemble de sortie (37). 2. Turbine selon la revendication 1, caractérisée par le fait que lesdits moyens d'entrée (56) comprennent deux conduits opposés débouchant dans une bague ajutage (61) qui entoure la circonférence extérieure dudit ensemble d'entrée (31). 3. Turbine selon la revendication 2, caractérisée par le fait que lesdits ensembles sont maintenus chacun dans des plaques d'armature respectives (47, 48, 49) et que lesdites plaques sont fixées l'une à l'autre et à l'intérieur de l'enveloppe. 4.- Turbine selon la revendication 3, caractérisée par le fait que ledit ensemble d'entrée comprend des disques coniques (33) tournés dans un sens opposé à ceux (39) de l'ensemble de sortie, les plaques et disques des deux ensembles ayant une configuration en X vue en coupe. 5. Turbine selon la revendication 1, caractérisée par le fait qu'une extrémité dudit arbre comprend un accouplement d'entrai- nement supporté à l'avant de ladite enveloppe. 6. Turbine selon la revendication 1, caractérisée par le fait que l'ensemble d'entrée comprend des disques plats (133) et qu'une ouverture d'enlèvement de débris (181) débouche dans lesdits moyens d'entrée. 7. Turbine selon la revendication 1, caractérisée par le fait que ladite enveloppe comporte des moyens (171) de freinage du rotor. 8. Turbine selon la revendication 1, caractérisée par le fait que lesdits moyens d'ajutage possèdent des orifices d'étranglement (163) réglables et qu'un mécanisme (173) sur ladite enveloppe règle la dimension desdits orifices d'étranglement. 9. Turbine comprenant une enveloppe avec des moyens d'entrée de fluide et un rotor tourillonné pour tourner dans ladite enveloppe, caractérisée par le fait que ledit rotor (107) est de forme sensiblement circulaire et est au moins partiellement entouré par un ajutage (161), ledit ajutage étant relié à l'enveloppe (103) et comprenant au moins un orifice d'étranglement (163) qui réalise une communication de fluide vers ledit rotor, ledit étranglement étant constitué par des parties voisines dudit ajutage et que des mayens (173) sont prévus pour régler la distance entre lesdites parties pour faire varier l'ouverture et régler l'alimentation en fluide vers ledit rotor. 10. Turbine selon la revendication 9, caractérisée par le fait que ledit ajutage est un assemblage en forme de bague (161) de segments voisins (161A, 161B) qui définissent des orifices d'étranglement (163) disposés diamétralement, lesdits moyens de réglage comprenant un élément déplaçable (173) monté dans un segment correspondant au voisinage de l'orifice d'étranglement correspondant, ledit élément étant déplaçable avec le segment par rapport à ltenve- loppe pour augmenter ou diminuer la distance entre les parties voisines. 11. Turbine selon la revendication 10, caractérisée par le fait que les moyens d'entrée comprennent des entrées (156) qui débouchent dans une chambre (157) entre l'ajutage (161) et l'enveloppe (103), un orifice d'étranglement (163) étant placé à distance de chaque entrée.