Brevet FR2513312A1 — publié le 19830325

NOUVELLE CONCEPTION DE ROUE DE TURBINE, TELLE QU'UNE TURBINE DE DETENTE, ET PROCEDE D'UTTISATION D'UNE TELLE ROUE Cette invention concerne une nouvelle conception de roue d'une turbine, telle qu'une turbine de détente, ainsi que le procédé d'utilisation d'une telle roue consistant, notamment, dans l'adaptation du volume de fluide à traiter aux conditions de rotation d'une turbine. Des roues conformes à l'invention peuvent être utilisées particulièrement avantageusement pour résoudre le problème de récupération d'énergie. On connaît déjà des méthodes pour contrôler la vitesse d'une roue de turbine, par exemple par l'utilisation de vannes de laminage du fluide, ou encore par l'injection partielle du fluide. Toutefois, ces méthodes connues ne donnent pas satisfaction car elles introduisent des pertes importantes aux charges partielles. La présente invention a pour objet de pallier à ces inconvénients. En effet, en utilisant plusieurs injections totales ou parallèles on peut limiter les pertes si l'on veut faire de la régulation continue. Le rendement de la turbine peut encore être amélioré en faisant de la régulation en escalier. Succinctement, conformément à la présente invention, la roue de la turbine est réalisée en utilisant des aubages indépendants montés en parallèle sur la même roue de turbine, lesdits aubages étant alimentés par des canaux séparés ou bien des volutes indépendantes, un canal ou une volute coopérant au moins partiellement avec un aubage correspondant de la roue. Plus particulièrement, la roue de turbine conforme à l'invention est caractérisée en ce qu'elle comporte au moins deux séries d'aubages indépendants montés sur ladite roue de turbine et séparées les unes des autres,des moyens réglables d'alimentation en fluide étant prévus pour chacune des séries d'aubages sus-mentionnées en fonction de la quantité totale de fluide fourni à chaque instant à l'entrée de la turbine. Selon un premier mode de réalisation de l'invention, lesdits moyens réglables d'alimentation sont réalisés sous forme de volutes indépendantes, dont le nombre est généralement égal au nombre de séries d'aubages indépendants montés sur ladite roue,la quantité de fluide passant par chaque volute étant contrôlée par des moyens appropriés, tels que des vannes, en fonction de la quantité totale de fluide fourni à chaque instant à l'entrée de la turbine. Selon un deuxième mode de réalisation de l'invention, lesdits moyens réglables d'alimentation sont réalisés sous forme d'au moins un obturateur placé à la sortie d'une volute unique d'alimentation en fluide, cet obtura teur étant commandé par au moins un tiroir pour obturer au moins partiellement au moins une série d'aubages indépendants montés sur ladite roue, en fonction de la quantité totale de fluide fournie à chaque instant à l'entrée de la turbine. Selon ce même mode de réalisation, l'obturateur est au moins partiellement annulaire et comporte au moins un organe-guide du flux de fluide issu de la volute unique. Selon encore un mode de réalisation de l'invention, les moyens réglables d'alimentation sont réalisés sous forme d'un ensemble obturateur comportant au moins deux séries d'ailettes statoriques séparées entre elles par des moyens appropriés, le nombre desdites séries d'ailettes statoriques pouvant être égal ou différent du nombre de séries d'aubages indépendants montés sur la roue de turbine, ledit ensemble obturateur étant commandé par des moyens pour faine coïncider au moins partiellement au moins une série d'ailettes statoriques avec une série d'aubages montés sur la roue de la turbine, en fonction de la quantité totale du fluide fournie à chaque instant à l'entrée de la turbine. Selon ce troisième mode de réalisation, la quantité totale de fluide fournie à chaque instant à l'entrée de la turbine est acheminée vers les ailettes statoriques à travers au moins une volute, et ledit ensemble obturateur est réalisé sous forme d'au moins un tiroir comprenant une première partie pour le guidage dans une première partie du corps de la turbiner une deuxième partie comportant lesdites séries d'ailettes statoriques et une troisième partie pour le guidage dans une deuxième partie du corps de la turbine. L'invention concerne également un procédé d'adaptation du volume de fluide à traiter aux conditions de rotation d'une turbine, telle qu'une turbine de détente, caractérisé en ce que la quantité de fluide à l'entrée de la roue de la turbine, étant variable à chaque instant, est acheminée dans au moins l'un des multiples passages dans ladite roue comportant chacun des aubages indépendants, cet acheminement étant contrôlé par des moyens réglables. Un grand nombre d'avantages et d'autres caractéristiques ressortiront de la description suivante et des figures y afférentes, données à titre d'exemple. La figure 1 montre, en coupe, de façon schématique, un premier mode de réalisation de l'invention. Les figures 2a et 2b montrent, en coupe, de façon schématique, un deuxième mode de réalisation de l'invention. La figure 3 montre, en coupe, de façon schématique, un troisième mode de réalisation de l'invention. Dans toutes les figures, les organes principaux ayant les mêmes fonctions ont été désignés par les mêmes chiffres de référence. Les exemples décrits et montrés dans les figures concernent des turbines radiales. L'invention peut, toutefois, auffi bien être utilisée pour des turbines axiales, sans pour autant sortir de son cadre. Les turbines, objets de l'invention, sont, par exemple, des turbines de détente. La figure 1 montre un premier mode de réalisation de l'invention. Le corps (1) de la turbine loge une roue (2) qui peut tourner autour de l'axe x - x. Le fluide à traiter entre la turbine par trois volutes (9,10, 11), par exemple, dont les sorties (6,7,8) coïncident avec les passages (3, 4,5) de la roue (2) dont chacun est pourvu d'aubages indépendants (non montrés dans la figure) de façon à obtenir trois turbines fonctionnant en parallèle. Les passages (3,4,5) sont séparés les uns des autres par des parois (31, 41). Des dispositifs d'étanchéité (12,13) d'un type connu sont prévus dans le corps (1) de la turbine. Le fluide détendu quitte la turbine par la sortie (3). Dans l'exemple montré dans la figure 1, les passages (3,4,5) de la roue (2) formant turbines parallèles sont de largeur égale, chaque passage acheminant, par conséquent, le tiers du flux maximum; les volutes (9,10,11) sont dimensionnées pour fournir à chacun des passages précités un tiers du flux maximum disponible. La section d'entrée de chaque volute est contrôlée par une vanne (non montrée dans la figure), par exemple, qui diminue ou augmente automatiquement la section de chaque volute (9, 10, 11) en fonction du flux total instantané de fluide fourni à la turbine. Le système de commande automatique de chaque vanne peut être effectué par des moyens connus (hydraulique, électrique, etc..), une régulation appropriée (manométrique, volumétrique ou analogue) de chaque commande de vanne étant prévue. Il est évidemment possible et dans le cadre de l'invention de pouvoir utiliser des passages (3,4,5) dont chacun a une largeur différente, les volutes (6,7,8) devant alors être dimensionnées pour donner chacune un débit de fluide différent correspondant au passage de la roue (2) avec laquelle elle ooopère,Les passages peuvent,par exemple, permettre des flux correspondant à 1/7, 2/7 et 4/7 du flux total; ceci permet 1/7, 2/7, 3/7, 4/7, 5/7, 6/7 et 7/7 du flux maximum. D'autres combinaisons peuvent être envisagées. Il est également possible d'utiliser une roue (2) ayant un nombre de passages supérieur à trois, le nombre de volutes devant nécessairement correspondre au nombre de passages. Les figures 2a et 2b concernent un deuxième mode de réalisation de l'invention. La roue (2) comporte quatre passages (21, 22, 23,24), dont chacun étant pourvu d'aubages indépendants; les quatre passages sont séparés les uns des autres par des parois (211,221, 231); on obtient ainsi quatre turbines disposées en parallèle. Le flux total de fluide est acheminé par une seule volute (20) dont le diamètre diminue, de façon connue en soi, à partir de l'entrée à la turbine vers la roue (2) (voir figure 2b en comparaison avec la figure 2a). Pour adapter le flux total instantané aux conditions de fonctionnement de la roue (2), un obturateur (25) peut se déplacer dans le sens axial de la turbine pour obtenir au moins partiellement les passages (21, 22, 23, 24) précités en fonction de la quantité totale instantanée de fluide fournie à la turbine et acheminée par la volute (20).L'obturateur (25) - qui peut, par exemple, être réalisé sous forme d'un organe au moins partiellement annulaire - peut être déplacé axialement par au moins un tiroir (251) qui peut être réalisé sous forme d'un anneau continu ou sous forme d'un ou de plusieurs tiroirs agissant sur ledit obturateur. L'ensemble obturateur-tiroir (25,251) se déplace axialement Roue l'effet d'au moin4 une tige (25 (251) de commande en fonction de la quantité totale instantanée de fluide fournie à la turbine, une régulation automatique(manométrique, volumétrique, etc..) d'un type connu étant prévue pour permettre ce déplacement contrôlé. L'obturateur (25) est, de préférence, muni d'un guide (26) en forme de disque ou analogue pour assurer un parfait écoulement du fluide issu de la volute unique (20).La figure 2a montre l'obturateur (25) dans une position d'ouverture totale, c'est-à-dire que le flux maximum de fluide est acheminé par la volute (20) vers tous les passages (turbines) (21,22,23,24). La figure 2b montre l'obturateur (25) dans une position intermédiaire permettant l'écoulement d'une quantlté inférieure au flux maximum possible à travers un passage et demi environ. Ainsi, l'obturateur (25) peut, à chaque instant, prendre toute position intermédiaire entre la position d'ouverture totale et la position de fermeture totale en fonction de la quantité totale instantanée de fluide fournie à la turbine et masquer, au moins partiellement, plus ou moins de passages (21, 22, 23, 24) pourvus d'aubages dans la roue (2) de la turbine.Il est dans le cadre de l'invention de réaliser une roue (2) ayant un nombte de passages (21, 22, 23, 24, ...) différents de quotte et/ou ayant des passages de dimensions différentes. La commande contrôlée automatiquement du mouvement axial de l'obturateur sera alors adaptée aux dimensions desdits passages. La figure 3 montre un troisième mode de réalisation de l'invention. La quantité totale de fluide fournie à la turbine est acheminée vers la roue (2) à travers une volute unique (30). La roue (2) comporte des passages (31, 32, 33) pourvus d'aubages indépendants de façon à obtenir trois turbines disposées en parallèle. Le nombre de passages peut être différent de trois et/ou les dimensions desdits passages être différentes. L'admission du fluide aux passages de la roue (2) est contrôlée automatiquement en fonction de la quantité totale instantanée de fluide acheminée à travers la volute (30) par au moins un ensemble obturateur (37) pouvant avoir une forme annulaire. Cet ensemble obturateur est constitué de trois parties distinctes : une première partie (371) formant tiroir dont une extrémité est reliée à une tige de commande (371) du déplacement axial de l'ensemble (37) en fonction de la quantité totale de fluide à traiter; cette première partie peut se déplacer axialement dans une partie (11) du corps de la turbine.L'ensemble obturateur (37) comporte, par la suite, une deuxième partie (372) pourvue d'une série de passages (34,35,36) qui sont séparés les uns des autres par des parois (341, 351); chacun de ces passages étant pourvu d'ailettes statoriques de détente qui peuvent avoir une largeur sensiblement égale aux passages (31,32,33) dans la roue 2.L'ensembl obturateur (37) comporte enfin une troisième partie (373) qui sert au guidage de l'ensemble (37) dans une deuxième partie (12) du corps (1) de la turbine. Lors du déplacement axial de l'ensemble - obturateur (37) (vers la gauche dans le dessin) en fonction de la quantité totale de fluide à traiter, au moins un passage (31, 32, 33) dans la roue sera au moins partiellement obturé. Une adaptation parfaite du volume de fluide à traiter à chaque instant aux conditions de la rotation de la turbine peut ainsi être assurée. De nombreuses modifications et améliorations peuvent être apportées à l'ainvention sans pour autant sortir du cadre de l'invention. Il est possible, notamment, de combiner la solution à plusieurs volutes (Fig. 1) avec celle utilisant au moins un tiroir (Fig. 2 ou Fig. 3) R E V E N D I C A T I O N S 1.) - Roue de turbine, telle qu'une turbine de détente, caractérisée en ce qu'elle comporte au moins deux séries d'aubages (3,4,5) indépendants montés sur ladite roue (2) de turbine et séparées les unes des autres, des moyens réglables d'alimentation en fluide étant prévus pour chacune des séries d'aubages sus-mentionnées en fonction de la quantité totale de fluide fournie à chaque instant à l'entrée de la turbine. 2.) - Roue de turbine selon la revendication 1, caractérisée en ce que lesdits moyens réglables d'alimentation sont réalisés sous forme des volutes (9,10,11) indépendantes,dont le nombre est généralement égal au nombre de séries d'aubages (3,4,5) indépendants montés sur ladite roue,la quantité de fluide passant par chaque volute étant contrôlée par des moyens appro priés, tels que des vannes en fonction de la quantité totale de fluide fournie à chaque instant à l'entrée de la turbine. 3.) - Roue de turbine selon la revendication 1, caractérisée en ce que lesdits moyens réglables d'alimentation sont réalisés sous forme d'au moins un obturateur (25) placé à la sortie d'une volute unique (20) d'alimentation en fluide, cet obturateur étant commandé par au moins un tiroir (251) pour obturer au moins partiellement au moins une série d'aubages (21, 22, 23, 24) indépendants montés sur ladite roue (2), en fonction de la quantité totale de fluide fournie à chaque instant à l'entrée de la turbine. 4.) - Roue de turbine selon la revendication 3, caractérisée en ce que l'obturateur est au moins partiellement annulaire et comporte au moins un organe-guide (26) du flux de fluide issu de la volute unique. 5.) - Roue de turbine selon la revendication 1, caractérisée en ce que les moyens réglables d'alimentation sont réalisés sous forme d'un ensem ble obturateur (37) comportant au moins deux séries d'ailettes (34, 35, 36) statoriques séparées entre elles par des moyens appropriés, le nombre desdites séries d'ailettes statoriques pouvant être égal ou différent du nombre de séries d'aubages (31,32,33) indépendants montés sur la roue (2) de la turbine, ledit ensemble obturateur (37) étant compandé par des moyens pour faire coïncider au moins partiellement au moins une série d'ailettes statoriques avec une série d'aubages montés sur la roue de la turbine, en fonction de la quantité totale du fluide fourni à chaque instant à l'entrée de la turbine. 6.) - Roue de turbine selon la revendication 5, caractérisée en ce que la quantité totale de fluide fournie à chaque instant à l'entrée de la turbine est acheminée vers les ailettes statoriques à travers au moins une volute (30). 7.) - Roue de turbine selon la revendication 5 ou 6, caractérisée en ce que ledit ensemble obturateur est réalisé sous forme d'au moins un tiroir comprenant une première partie (371) pour le guidage dans une première partie (1) du corps de la turbine, une deuxième partie (372) comportant lesdites séries d'ailettes statoriques et une troisième partie (373) pour le guidage dans une deuxième partie (11) du corps de la turbine. 8.) - Procédé d'adaptation du volume de fluide à traiter aux conditions de rotation d'une turbine telle qu'une turbine de détente, caractérisé en ce que la quantité de fluide à l'entrée de la roue de la turbine,étant variable à chaque instant, est acheminée dans au moins l'un des multiples passages dans ladite roue comportant chacun des aubages indépendants, cet acheminement étant contrôlé par des moyens réglables. 9.) - Procédé selon la revendication 8, caractérisé en ce que lesdits moyens réglables déterminent la quantité de fluide à l'entrée de chacune des volutes d'acheminement du fluide à traiter, une volute étant en général prévue pour chaque passage précité dans la roue de la turbine. 10.) - Procédé selon la revendication 8, caractérisé en ce que lesdits moyens réglables étant disposés à l'entrée de la roue de la turbine, déterminent la quantité de fluide acheminée dans chacun desdits passages dans ladite roue de la turbine, une seule volute étant prévue pour l'acheminement de la quantité de fluide à traiter è partir de l'entrée de la turbine jusqu'auxdits moyens réglables disposés à l'entrée de ladite roue de la turbine. 11.) - Turbine telle qu'une turbine de détente caractérisée en ce qu'elle comporte une roue et des moyens de régulation du flux instantané du fluide à traiter tels que décrits dans les revendications 1 à 7 et fonctionnant conformément au procédé tel que décrit dans les revendications 8 à 10.