Brevet FR2520051A1 — publié le 19830722

La présente invention est relative a une turbine sans arbre. Les turbomachines à disque efficace doivent présenter une structure aussi compacte que possible sans sacrifier pour autant la consommation d'énergie, la fiabilité, la facilité d'entretien et la longévité. La présente invention se propose d'atteindre ces avantages dans une bien plus grande mesure qu'avec les conceptions antérieures. Un des buts de la présente invention est de réduire la taille d'une turbine ou d'une pompe en obtenant des vitesses de rotation plus élevées tout en maintenant les contraintes sur les pièces tournantes bien en deça des limites actuelles. La présente invention a également pour but d'améliorer les passages d'écoulement de fluide en mouvement et d'éliminer les pertes de charge inutiles. Le brevet U.S. nb 4.036.584 décrit un ressort de turbine sans arbre dans lequel des disques sont séparés les uns des autres par les barrières en spirale qui guident le fluide en mouvement vers une ouverture de sortie centrale. Ce brevet U.S. nO 4.036.584 décrit une construction de disque de rotor éliminant à la fois le boulonnage ou des attaches en forme de rayon à un arbre de serrage central, et présentant des disques reliés entre eux par des barrières en spirale. On élimine ainsi les zones de discontinuité des disques provoquées par les trous des boulons qui réduisent les possibilités de vitesse de rotation du fait des concentrations excessives de contraintes centrifuges locales. Les disques d'épaisseur constante ont des défaillances à des rapports vitesse de rotation/diamètre bien inférieurs à ceux obtenus par des rotors de turbine a aubes conventionnels pour des caractéristiques de matière identiques, du fait que les rotors sont inclinés de façon parabolique vers l'extérieur depuis les moyeux réalisant des contraintes sensiblement constantes du centre vers la périphérie. La présente invention permet d'atteindre des résultats améliorés en réalisant des disques creux depuis le diamètre extérieur de jante du moyeu jusqu'au périmètre du disque, l'espace creux étant fermé par une bande ou un bandage circonférentiel assujettissant les faces frontale et arrière. Cette construction de disque composite creux peut également être très avantageusement appliquée au centre sans ouverture qui dirige l'écoulement vers l'avant et vers l'arrière du fluide de turbine, du fait que la résistance structurelle supplémentaire ainsi obtenue renforce les ensembles de disques. L'écoulement scindé obtenu par le disque central plein sans ouverture permet une plus grande capacité de fluide sans accroissement ni du diamètre extérieur du disque ni du diamètre de l'orifice de sortie, du fait que les passages d'écoulement effectifs sont réduits de moitié et qu'une surface de sortie adéquate est réalisée à chaque extrémité de turbine à la place des turbines à sortie à extrémité unique conventionnelles. La présente invention concerne une turbine dans laquelle un ensemble de disques de rotor est divisé en deux parties par une plaque centrale pleine de telle sorte que le fluide en mouvement s'échappe du centre de l'ensemble dans des sens opposés. Chaque élément de l'ensemble est relié à un arbre respectif tourillonné dans l'enveloppe de turbine et les arbres, de préférence, se terminent au voisinage des extrémités extérieures de l'ensemble laissant libres des ouvertures de sortie centrale. Une bague d'ajutage fixe entoure le disque de rotor et dirige le fluide en mouvement entre les péri 'phéries extérieures des disques. Des barrières internes entre les disques séparent les disques voisins et réalisent des liaisons entre les disques.Les barrières guident le fluide vers les passages de sortie et fournissent des surfaces supplémentaires pour le fluide en mouvement. La présente invention assure des pertes de charge faibles du fluide en mouvement, grâce à une chambre alimentant des éléments d'ajutage longitudinale conformés pour réaliser des surfaces convergentes/divergentes, évitant ainsi des changements de sens d'écoulement brusques et délivrant au rotor un flux continu. Lorsque l'on utilise des disques de forme conique, les éléments d'ajutage longi tudinalement droits, de type convergent/divergent, peuvent être remplacés par des orifices d'ajutage à conformation en hélice vus en élévation latérale de la turbine. D'autres avantages et caractéristiques de l'invention ressortiront de la description donnée ci-après d'exemples particuliers de mise en oeuvre en se référant au dessin annexé dans lequel La figure 1 est une vue en perspective de la turbine en partie en coupe, La figure 2 est une vue frontale en coupe du rotor fendu supporté dans l'enveloppe de turbine, La figure 3 est une vue en élévation latérale de la turbine de la figure 1 selon 3-3 de la figure 2, La figure 4 est une vue en élévation du disque, avec la structure de barrières, La figure 5 est une vue en coupe d'une variante de disque, La figure 6 est une vue en coupe de deux disques voisins avec des bords extérieurs modifiés. Dans la figure 1, la turbine 1 possède à chaque extrémité un support d'extrémité 3 et une partie d'enveloppe 5 qui est constituée de deux segments 4 et 6 et des entrées de fluide 7 diamétralement opposées sur la bride de raccordement 9 (figure 3). Les entrées 7 peuvent être des tuyaux tangentiels ou perpendiculaires 9 la surface d'enveloppe. Un seul support d'extrémité d'enveloppe 3 est représenté pour plus de clarté. De même les détails de structure d'une extrémité des connexions d'extrémité de rotor sont représentés dans la figure 1. L'assemblage de rotor comprend un rotor 10 avec des tronçons d'arbre 11 et 12 qui sont tourillonnés sur des cônes 14 et 15 des segments 4 et respectivement 6.Les cônes 14 et 15 sont boulonnés à des plaques d'extrémité 17 et 18 munies d'ouvertures et des plaques d'armature internes 21 et 23 logent le rotor 10 et la bague d'ajutage 20. Comme on le voit dans les figures 2 et 3, l'ajutage 20 est boulonné aux plaques 21 et 23 et comprend de préférence six segments 25 disposés autour du rotor 10 et qui forment six ajutages de type convergent/ divergent d'entrée de fluide en mouvement avec des étranglements débouchant dans le rotor. Le rotor 10 est constitué d'un ensemble de disques espacés 29 qui sont divisés en deux portions 10A et 10B par une plaque plane pleine centrale 30. Les disques 29 sont de forme conique et, A l'exception de l'agencement de barrières, sont identiques aux disques 20 de la figure 7 du brevet U.S. nO 4.036.554. Dans la structure selon l'invention, des barrières d'écoulement 33 constituent de préférence les seuls liens entre les disques 29. Les barrières 33 sont constituées par des bandes incurvées plates placées à proximité du trou central 35 de chaque disque 29, et les trous 35 des parties 10A et 10B sont alignés pour former des passages de sortie de fluide 35A et 35B aux côtés opposés de la plaque 30. Des plaques d'extrémité 38 et 39 munies d'ouvertures pour les parties 10A et respectivement 10B sont fixées aux arbres 11 et 12. Le rotor 10 est étanchéifié par des joints annulaires 41 dans les plaques 21 et 23 pour empêcher des fuites de fluide. Les joints 41 peuvent être en graphite et des moyeux 43 et 44 dans les plaques d'extrémité 38 et 39 relient le rotor 10 aux arbres 11 et 12 tout en permettant une sortie de fluide par les passages 35A et 35B. Les disques 29 dans la figure 4 sont similaires aux disques coniques du brevet U.S. nO 4.036.584 à l'exception du fait que les barrières 33 sont des bandes continues relativement courtes placées à proximité des ouvertures centrales 35. Les barrières 33 sont brasées, soudées ou liées d'une autre manière aux disques voisins 29 et aux plaques d'extrémité 38 et 39 de telle sorte que chaque disque rigidifie tout l'ensemble du rotor et la plaque centrale 30, l'absence de trous au centre soumis à des contraintes élevées ayant pour conséquence une capacité de support de charge supérieure. L'absence de trous de fixation ou de boulonnage permet à l'ensemble du rotor d'atteindre des vitesses plus élevées que cela ne serait autrement possible avec des boulons et des trous provoquant des contraintes. On voit dans la figure 5 une variante de disque creux 129 qui est constitué de deux plaques 129A et 129B, chacune des plaques ayant un côté incliné selon une courbe sensiblement parabolique similaire à la moitié d'un disque de rotor de turbine conventionnel. Les deux plaques sont soudées ou brasées à leurs périphéries externes à une bande ou bandage 131 et leurs périphéries internes à une bague de moyeu 133. Les barrières ont été omises dans cette figure. En cours d'utilisation, un fluide tel que de la vapeur ou du gaz pénètre par les entrées 7 dans la chambre 2 entourant l'ajutage 20 et circule dans cette chambre dans le sens de rotation du rotor. Le fluide pénètre ensuite dans l'ajutage 20 à travers les étranglements convergent/divergent dans l'ajutage 28 formés par les segments 25. Le fluide en mouvement pénètre ensuite dans les orifices entre les disques voisins 29 des deux portions 10A et 10B. Les bords extérieurs du disque peuvent être ininterrompus ou continus comme représenté dans la figure 4 ou peuvent être munis d'indentations comme représenté dans la figure 6. Dans la figure 6, les disques 229 possèdent des indentations 229A qui sont décalées par rapport à celles des disques voisins. Cette structure empêche des pertes indésirées dues à une alimentation faible en fluide dans l'ensemble de disques à partir de l'ajutage 20 et le couple est accru. Des fuites de fluide aux extrémités du rotor sont également réduites du fait que l'on empêche 1' écoulement transversal. Le fluide dans l'ensemble de disques est guidé par les barrières 33, qui fournissent des surfaces supplémentaires pour le mouvement du fluide, le fluide sortant par les passages 35A et 35B dans des sens opposés. Dans la demande de brevet U.S. nO 188.987 sont décrits des ajutages de type convergent/divergent avec des étranglements résla- bles, et la structure de réglage que l'on voit le mieux dans la figure 7 de la demande de brevet mentionnée peut être utilisée pour la mise en oeuvre de la présente invention. Bien que l'on ait décrit des structures particulières, de nombreuses variantes et modifications peuvent leur être apportes sans pour autant sortir ni du cadre ni de l'esprit de l'invention. REVENDICATIONS 1. Turbine comprenant une enveloppe et un rotor tourillonné pour tourner dans ladite enveloppe, ledit rotor étant circulaire et monté dans l'enveloppe de façon à laisser une chambre autour de la périphérie extérieure du rotor, des moyens d'entrée de fluide dans ladite chambre et des moyens d'ajutage placés au voisinage de ladite périphérie externe, caractérisée par le fait que ledit rotor (10) comprend un ensemble de disques espacés (29) qui définissent des moyens d'entrée de fluide (25) dans ladite périphérie, des trous de sortie centraux dans lesdits disques qui forment des sorties de fluide (35A, 35B) non obstruées sur les côtés opposés dudit rotor, ledit ensemble de disques comprenant deux parties (10A, 10B) qui sont séparées par une plaque centrale pleine (30) qui divise le fluide en circulation en deux courants de sortie s'écoulant en sens opposés, lesdites parties de l'ensemble de disques étant reliées aux arbres d'entraînement respectifs (11, 12) aux côtés opposés de ladite enveloppe (5). 2. Turbine selon la revendication 1, caractérisée par le fait que lesdits moyens d'ajutage (20) s'étendent sensiblement sur toute la longueur dudit ensemble de disques. 3. Turbine selon la revendication 1, caractérisée par le fait que lesdits moyens d'ajutage (20) comprennent des ajutages (28) de configuration convergente/divergente, lesdits ajutages étant fixés à ladite enveloppe pour entourer à faible distance la circonférence du rotor (10). 4. Turbine selon la revendication 1, caractérisée par le fait que lesdits arbres (11, 12) présentent des extrémités internes qui se terminent à proximité des côtés externes desdites parties (10A, 10B) d'ensemble de disques, les disques d'extrémité extérieure desdites parties comportant des éléments de support (38, 39) avec des moyeux ouverts (43, 44) qui sont reliés auxdits arbres. 5. Turbine selon la revendication 1, caractérisée par le fait que les bords extérieurs des disques sont munis d'indentations (229A) et que les indentations de disques adjacents sont décalées mutuellement les unes des autres. 6, Turbine selon la revendication 1, caractérisée par le fait que l'un au moins desdits disques est creux et comprend deux plaques 1129A, 129B) munies d'indentations, chaque plaque circulaire possédant une surface parabolique externe inclinée, les bords extérieurs desdites plaques étant reliés par une bande circulaire (131) et les bords intérieurs desdites plaques étant reliés par un moyeu annulaire (133).