Brevet FR2537218A1 — publié le 19840608

La présente invention se rapporte à une turbomachi- ne du type rotodynamique, comportant un rotor destiné à être parcouru par un flux de fluide dans une direction transversale à l'axe de rotation, et équipé d'au moins une aube ou pale pouvant être ajustée à pivotement en service De nombreuses formes de réalisation connues font partiedu groupe des turbomachines du type rotodynamique, parmi lesquelles on peut citer les propulseurs de navires du type Voith-Schneider, les rotors de Darrieus ou de Savonius destinés à des turbines à vent, les turbines d'Ossberger ou de Mitchell pour un entraînement hydrauli- que, et ce qu'on appelle des souffleries à courant trans- versal Par exemple, les propulseurs ou hélices du type Voith-Schneider sont habituellement équipés de pales rotoriques qui peuvent être réajustées au cours de la rotation. En général, dans un rotor qui est traversé par un flux transversal à son axe de rotation et est muni de pales à agencement relativement clairsemé, la possibilité doit être offerte de faire tourner ( d'incliner) les pales par rapport à une tangente à leur trajectoire cir- culaire Le type et l'ampleur de cet ajustement angulai- re sont déterminés, dans chaque position des pales, par la condition selon laquelle une ligne perpendiculaire au plan dans lequel s'étend une pale ( c'est-à-dire au plan de symétrie d'une pale présentant généralement une configuration profilée) passe au moins approximativement par ce qu'on appelle un point de commande Dans le rotor de Darrieus par exemple, ce point de commande se trouve sur l'axe de rotation du rotor et les pales ont des positions fixes, si bien que ledit plan s'étend toujours tangentiellement à la trajectoire circulaire desdites pales. Un ajustement des pales d'une turbine est souhai- table d'une part pour obtenir un couple de démarrage suffisamment grand, d'autre part afin de pouvoir réguler la puissance de sortie et/ou le nombre de tours de la manière désirée et, en troisième lieu, afin de pouvoir éviter une surcharge lorsque le fluide parcourant le rotor accuse une trop grande vitesse d'admission Lors- que des machines à écoulement transversal sont utilisées non pas comme des turbines, mais comme des pompes, des soufflantes, des agitateurs et dispositifs analogues, la faculté de réajustement des pales se traduit par le fait que la capacité peut être aisément modifiée à la demande, moyennant seulement une baisse insignifiante de l'efficacité ou du rendement. Un objet de l'invention consiste à proposer une turbomachine du type précité, dans laquelle l'ajustement des pales peut être effectué d'une manière à la fois très simple et fiable, sans la nécessité de dispositifs compliqués pour transmettre la force d'ajustement à un rotor en rotation. Un moteur à turbine doit comporter un diamètre relativement petit afin d'obtenir une grande vitesse angulaire dans un générateur et, en présence d'une zone considérée du flux traversant, le rotor (c'est-à-dire les pales) doit posséder une longueur axiale relativement grande Conformément aux procédés connus, un réajuste- ment des pales d'un tel rotor est très compliqué Cet inconvénient est supprimé par la présente invention et, entre autres, le champ d'application de machines à courant transversal dotées de rotors à pales relative- ment éparpillées s'en trouve étendu, de sorte qu'il englobe même l'utilisation de l'énergie hydraulique. De petites turbines hydrauliques de micro-dimen- sions ( c'est-à-dire développant des puissances infé- rieures à environ 100 k W) n'ont pas pu, jusqu'à présent, être fabriquées à des coûts raisonnables pour des hau- teurs de chute inférieures à environ 3 mètres Confor- mément à l'invention, une turbine de ce genre peut être réalisée pour des hauteurs de chute de l'ordre de 0,5 mètre seulement car, malgré la faible hauteur, la tur- bine tourne à une grande vitesse et présente, dans le système de mesure " mètre cube par seconde et par mètre", des vitesses angulaires spécifiques pouvant atteindre jusqu'à environ 1000 tours par minute-. Selon les caractéristiques essentielles de l'in- vention, au moins l'une des pales est montée dans le rotor en au moins un point de pivotement, de façon à pouvoir pivoter autour de deux axes de pivotement qui sont au moins approximativement perpendiculaires l'un à l'autre et dont l'un au moins forme, avec un plan passant par l'axe de rotation du rotor et le point de pivotement de la pale, un angle de commande compris en- tre 50 et 850 ou entre 95 et 175 et, en particulier, entre 30 et 60 ou entre 1200 et 1500 En outre, le rotor peut être équipé de deux élé- ments terminaux ou extrêmes dans lesquels la ou les pales pivotantes sont montées par leurs extrémités, ces deux éléments extrêmes pouvant, en vue d'ajuster la position de ladite ou desdites pales, être inclinés de manière appropriée par rapport à l'axe de rotation du rotor, au moins l'un desdits éléments extrêmes étant relié à un dispositif de commande de l'ajustement de la position inclinée Au moins l'un de ces éléments extrêmes peut être relié rigidement à un axe matéria- lisé situé dans un palier auquel des pivotements peu- vent être imprimés autour d'un axe perpendiculaire à l'axe de rotation du rotor L'autre élément extrême peut être assujetti, dans une position de transmission du pivotement et du couple, à un bout d'arbre qui coïncide avec l'axe de rotation du rotor, est monté non ajustable et forme l'arbre de sortie de-la machine. La longueur du rotor peut être égale à plusieurs fois son diamètre Au moins un organe de support peut être intercalé entre les deux éléments extrêmes, les pales ajustables étant reliées à pivotement à cet organe Le ou les organes de support peuvent être formés par des diaphragmes dont la perméabilité à l'eau est limitée, voire nulle Enfin, chaque pale ajustable peut être reliée aux éléments extrêmes à l'aide d'un arbre comprenant une bague centrale de guidage à laquelle des parties pivo- tantes s'étendant dans le plan de la pale considérée sont assujetties dans des directions radialément opposées, ainsi que d'un boulon qui-traverse ladite bague de gui- dage et est bloqué radialement dans l'élément extrême; enfin, ledit arbre peut former l'angle de commande préci- té avec l'axe de rotation du rotor. En règle générale, la machine conformément à l'in- vention est munie d'un rotor ayant la forme d'un cylin- dre allongé, c'est-à-dire d'un cylindre dont la longueur est plus grande que son diamètre, les pales pouvant alors être supportées adéquatement en divers endroits sur la longueur du rotor, éventuellement par des bagues circulaires de support. En présence de faibles hauteurs de chute, une tur- bine hydraulique conformément à l'invention, équipée d'un rotor cylindrique, s'avère supérieure à un turbo- propulseur (turbine de Kaplan) grâce à sa grande vitesse de rotation et, grâce aussi bien à cette grande vitesse de rotation qu'à son efficacité, elle est également supérieure à des turbines hydrauliques à roues à aubes réalisées selon les principes de construction les plus modernes Néanmoins, l'idée fondamentale de la présente invention n'est nullement limitée à des applications dans des turbines hydrauliques, mais elle est appropriée pour être appliquée à toutes les machines du type à courant transversal notamment, par exemple, pour permet- tre d'une manière notablement simple le réajustement de pales d'un rotor du type Darrieus sans tenir compte du rapport entre le diamètre et la longueur d'un tel rotor. Dans un certain sens, l'invention se fonde sur des relations géométriques dans l'espace entre les mouvements accomplis lorsqu'une pale pivote autour d'un axe et que sa rotation est simultanément commandée autour d'au moins un autre axe, au moins l'un de ces axes s'étendant à l'oblique, c'est-à-dire ni parallèlement, ni coaxiale- ment à l'axe de rotation du rotor. Il a été établi que, lorsqu'on imprime des pivote- ments à des pales autour d'axes qui sont inclinés par rapport à l'axe de rotation du rotor au lieu de lui être parallèles, les forces nécessaires au réajustement peu- vent être aisément transmises à toutes les pales même si ces dernières, c'est-à-dire l'ensemble du rotor, sont très longues Cependant, lorsqu'un axe de pivote- ment est parallèle à l'axe de rotation du rotor, un mécanisme de réglage doit être prévu pour chaque pale sur le support respectif de celle-ci, ou bien des for- ces d'ajustement engendrant un couple doivent être transmises aux profils de pales longs et effilés. En revanche, conformément à la présente invention, la transmission de forces d'ajustement à vecteurs axiaux et le réajustement des pales du rotor peuvent être obte- nus de manière simple en faisant pivoter au moins l'un des paliers de l'arbre rotorique Il en résulte qu'un élément de réglage permettant l'ajustement de toutes les pales d'un rotor en rotation peut être installé sur une partie stationnaire de la machine Les éléments terminaux ou extrêmes d'un rotor allongé, ou bien des supports particuliers des pales prévus dans un rotor de Darrieus, peuvent être fixés rigidement audit arbre monté dans le palier pouvant être commandé par ledit élément de réglage A cause du fait que l'axe de rota- tion pour la fixation des pales dans les éléments extrêmes ou les supports s'étend à l'oblique, un pivo- tement, imprimé audit palier autour d'un axe qui n'est ni coaxial ni parallèle à l'axe de rotation du rotor, se traduit par un changement de position des pales par rapport à la tangente à leur trajectoirecirculaire, c'est-à-dire un changement de leur position prise par pivotement ou " inclinaison des pales ". En variante, les éléments extrêmes ou les supports des pales peuvent être agencés à pivotement ou à incli- naison sur un arbre rotatif non inclinable du rotor et l'ajustement des pales est alors obtenu de manière clas- sique, c'est-à-dire par voie hydraulique Il est égale- ment possible de monter l'un desdits éléments extrêmes de façon qu'il puisse être incliné par l'élément de réglage par l'intermédiaire du palier, et de monter l'autre élément extrême avec faculté d'inclinaison sur un arbre monté dans un palier fixe et formant de préfé- rence l'arbre de sortie de la machine. L'invention va à présent être décrite plus en détail à titre d'exemples nullement limitatifs en regard des dessins annexés sur lesquels la figure 1 est une vue schématique en plan d'une machine à courant transversal à laquelle la présente invention peut être appliquée; la figure 2 est une vue schématique en plan d'un dispositif conformément à la présente invention; la figure 3 est une vue en perspective de l'agence- ment de la figure 2; la figure 4 est une vue fragmentaire à échelle agrandie illustrant une région extrême d'une pale du dispositif selon les figures 2 et 3 la figure 5 est une coupe fragmentaire selon la ligne V-V de la figure 4; les figures 6 a à 6 c représentent par trois projec- tions les grandeurs géométriques fondamentales pour la présente invention; et la figure 7 est une vue fragmentaire schématique d'une variante de réalisation du montage du rotor. Sur les dessins, des éléments correspondants sont affectés des mêmes références numériques. La machine classique à écoulement transversal représentée sur la figure 1 possède un rotor 40 muni de trois pales allongées 4 Ce rotor comporte un axe de rotation 1 délimité par un arbre matérialisé Des per- pendiculaires N aux pales, mentionnées dans le préam- bule, sont toutes dirigées vers un point de commande 2 également mentionné ci-avant La direction de l'admis- sion d'un fluide traversant le rotor est indiquée par une flèche P Le rotor 40 peut être logé dans un carter 3 qui l'entoure, ou bien dans une zone à-écoulement li- bre du fluide La figure 1 montre schématiquement une machine à écoulement transversal qui est appropriée pour une application de la présente invention, sans illustrer toutefois cette invention proprement dite Un agencement selon l'invention est représenté sur les figures suivantes Selon les figures 2 et-3, un rotor 40 ' de turbine conformément à l'invention est destiné à tourner autour d'un axe de rotation 1 qui, cependant, n'est pas délimité dans ce cas sur-toute sa longueur par un arbre matérialisé d'un seul tenant Ce rotor 40 ' présente deux éléments terminaux ou extrêmes 5 et 6 qui sont assujettis à des axes propres 7 et 8, respectivement Comme le montre la figure 3, la longueur E du rotor 40 ' peut être égale à plusieurs fois son dia- mètre D. Les axes 7 et 8 sont montés à rotation dans des paliers respectifs 9 et 10 et, à l'aide de bras de support 9 ', 10 ' et de tourillons 11, 12, chacun desdits paliers 9 et 10 est monté rotatif par pivotement autour d'un axe K dans la partie stationnaire ou semelle 13 de la machine Au moins l'un des axes 7 et 8 forme l'arbre de sortie de la machine dont le couple peut être préle- vé, par exemple, pour un générateur Au moins l'un des tourillons il et 12 est relié à un dispositif 18 d'a- justement de la position, par exemple' un servo-méca- nisme actionné par l'intermédiaire d'un conduit 18 '. Dans la réalisation la plus simple, ce dispositif d'a- justement peut être formé par une biellette à actionne- ment manuel fixée au-tourillon. Les pales 4, dont deux sont représentées dans un but de clarté (bien qu'il puisse être prévu une seule pale, ou bien trois-pales comme sur la figure 1, voire même un nombre supérieur) sont montées à pivotement au moyen d'éléments d'articulation 14 et 15 pouvant touril- lonner sur les éléments extrêmes 5 et 6 auxquels ils sont fixés Des rotors 40 ' de plus grandes longueurs peuvent être complétés par une ou plusieurs bagues in- tercalaires de support 16 auxquelles les pales sont éga- lement reliées à pivotement par l'entremise d'éléments d'articulation 17 Au lieu d'être de forme discoldale ou annulaire, les éléments extrêmes 5, 6 et/ou les bagues de support 16 peuvent aussi être formés par des bras s'étendant radialement, chaque bras supportant un élé- ment d'articulation à son extrémité libre En vue de soulager les pales 4 d'une quelconque torsion, un arbre matérialisé peut être monté le long de l'axe 1 et être relié aux éléments extrêmes 5 et 6, en des endroits 5 a et 6 a (figure 2), à l'aide de joints universels ( non illustrés) transmetteurs de couples. Conformément aux figures 4 et 5, un arbre 20 à 22 est prévu dans chaque pale 4 aux points de pivotement 14, 15 et 17 et il se compose de deux parties coaxia- les 20 et 21 fixées, de part et d'autre, à une bague centrale de guidage 22 Cette bague 22 est montée rotative sur un boulon 23 présentant un axe H et vissé radialement dans l'élément extrême 6 Le montage sur l'élément extrême 5 et éventuellement sur la bague de support 16 est identique Un axe F de l'arbre 20 à 22 s'étend à l'oblique par rapport à l'axe de rotation 1 et cet axe 1 est parallèle à des bords longitudinaux 4 ' des pales 4 ( voir également la figure 3), ce qui fait que ledit axe F forme un angle de commande a X avec un plan passant par ledit axe de rotation 1 et, par exemple, par l'un desdits bords longitudinaux 4 ' ou par une génératrice longitudinale G de la pale 4 qui coupe l'axé H du boulon 23 On obtient les rapports suivants ou a = 5 à 850 et en particulier a = 300 à 600. Les valeurs extrêmes de 50 et 85 citées ci-dessus sont appliquées lorsqu'il est nécessaire d'obtenir un rapport de transmission particulièrement grand ou particulière- ment petit entre l'inclinaison des éléments extrêmes et le mouvement pivotant des pales. Dans une variante de réalisation, l'axe de pivote-. ment F peut former un angle a X selon la figure 4, dont la grandeur est de l'ordre de 95 à 1750 ou'de 120 à- De plus, l'axe H peut être orienté dans une direc- tion arbitraire par rapport à l'axe de rotation 1 et aux lignes radiales partant de cet axe. En variante de la réalisation représentée sur les figures 4 et 5, les éléments d'articulation 14, 15 et 17 peuvent consister en des éléments élastiques ou en élastomère, tels que des coussinets en caoutchouc ou des barres de torsion. Les figures 6 a à 6 c mettent en évidence les tra- jectoires que suivent deux points A et B sur l'axe F lors de la rotation Selon la figure 6 a, ces points se déplacent le long de trajectoires circulaires Q, R et S autour du point de commande 2, plus précisément au- tour d'un axe 2 ' passant par ce point La projection de la figure 6 b met en évidence la position inclinée de l'axe de pivotement F par rapport à un plan englo- bant les axes 1 et 2 ' Dans la projection selon la figure 6 c, les trajectoires circulaires Q, R et S de la figure 6 a se présentent comme des ellipses avoisi- nant de près la forme de cercles Le fait que les axes 1 et 2 ' forment mutuellement un angle désigné par P sur la figure 6 a implique que, sur la figure 6 c, les trajectoires Q, R et S des points A et B et de l'élément d'articulation 14 sont mutuellement déplacées Lesdits points A et B sont des points situés sur l'axe F dans une position donnée du rotor 40 ' prise par rotation, les références A' et B' indiquant les positions respec- tives de ces points lorsque ledit rotor 40 ' a accompli une demi-révolution autour de l'axe 1 - Sur la figure 6 c, la projection de l'axe F (repré- sentant aussi le plan de la pale 4) montre la direction de l'inclinaison de cette pale telle que souhaitée et en général nécessaire dans-une machine à courant trans- versal La vitesse périphérique de la machine (plus pré- cisément du rotor), la vitesse d'admission du fluide et la configuration des pales sont choisies de préférence afin que le plan desdites pales (figuré par l'axe F) s'étende, dans des conditions de charge normale, tangen- tiellement à ladite trajectoire circulaire, c'est-à-dire à une circonférence tracée autour de l'axe 1 et passant par la bague de guidage 22 Ainsi, un réajustement des pales est seulement nécessaire au stade de la mise en marche (afin d'obtenir un grand couple de démarrage) et lorsque la machine est seulement en condition de charge partielle (pour obtenir une bonne efficacité même dans ce cas), ou-bien encore lorsque cette machine est en condition de charge excessive De la sorte, on évite entre autres les difficultés qui surgissent habituelle- ment dans ce qu'on appelle des turbines hydrauliques de pleine charge par suite de l'érosion en aval de la tur- bine, due à un écoulement irrégulier de l'eau. Lorsque l'invention est appliquée à des turbines à eau, les bagues de support 16 peuvent être réalisées sous la forme de cloisons ou de diaphragmes intercalaires dont la perméabilité à l'eau est seulement limitée ou inexistante et qui subdivisent longitudinalement le rotor en plusieurs parties, si bien que l'eau n'est au- torisée à s'écouler que par certaines parties sélection- nées de ce rotor Un moteur à turbine conformément à l'invention peut aussi être combiné à un rotor classi- que à pales fixes et les deux rotors entraînent alors un arbre principal avec un seul et unique générateur. Dans une forme de réalisation pratique d'une turbine hydraulique conformément à l'invention, repré- sentée sur la figure 7, l'un des axes 7 et 8, plus préci- sément un bout d'arbre 8 ' formant un arbre de sortie auquel est relié un générateur 20, est monté dans un palier 10 ' non ajustable L'autre bout d'arbre est, quant à lui, monté ajustable de la façon représentée, par exemple, sur la figure 3 au sujet de l'axe 7 Un élément extrême 6 ' du rotor adjacent au bout d'arbre monté non ajustable (ç'est-à-dire du côté du générateur) est relié à pivotement au bout d'arbre non pivotant, par exemple à l'aide d'un joint à rotule 19 transmetteur de couple. Il va de soi que de nombreuses modifications peu- vent être apportées à la turbomachine décrite et repré- sentée, sans sortir du cadre de l'invention - REVENDICATIONS 1 Turbomachine du type rotodynamique, comportant un rotor ( 40 ') qu'un fluide peut traverser dans une direction (P) perpendiculaire à son axe de rotation ( 1) et qui est muni d'au moins une pale ( 4) ajustable en service par pivotement, machine caractérisée par le fait qu'au moins l'une des pales est montée dans le rotor en au moins un point de pivotement, de façon à pouvoir pivo- ter autour de deux axes de pivotement (F, H) qui sont au moins approximativement perpendiculaires l'un à l'au- tre et dont l'un (F) au moins forme, avec un plan passant par l'axe de rotation du rotor et le point de pivotement de la pale, un angle de commande (O) compris entre 5 et ou entre 95 et 175 et, en particulier, entre 30 et 60 ou entre 120 et 150 . 2 Turbomachine selon la revendication 1, caractéri- sée par le fait que le-rotor est équipé de deux éléments terminaux ou extrêmes ( 5, 6) dans lesquels la ou les pales pivotantes sont montées par leurs extrémités; et par le fait que ces deux éléments extrêmes peuvent, en vue d'ajuster la position de ladite ou desdites pales, être inclinés de manière appropriée par rapport à l'axe de rotation du rotor, au moins l'un desdits éléments extrêmes étant relié à un dispositif ( 18) de commande de l'ajustement de la position inclinée. 3 Turbomachine selon la revendication 2, caracté- risée par le fait qu'au moins l'un des éléments extrêmes est relié rigidement à un axe matérialisé ( 7; 8) situé dans un palier ( 9; 10) auquel des pivotements peuvent être imprimés autour d'un axe (K) perpendiculaire à l'axe de rotation ( 1) du rotor. 4 Turbomachine selon la revendication 3, caractéri- sée par le fait que l'autre élément extrême ( 6 ') est assujetti, dans une position de transmission du pivotement et du couple, à un bout d'arbre ( 8 ') qui coïncide avec l'axe de rotation du rotor, est monté non ajustable et forme l'arbre de sortie de ladite machine. 5 Turbomachine selon l'une quelconque des revendi- cations 1 à 4, caractérisée par le fait que la longueur (E) du rotor est égale à plusieurs fois son diamètre (D). 6 Turbomachine selon la revendication 5, caractéri- sée par le fait qu'au moins un organe de support ( 16) est intercalé entre les deux éléments extrêmes, les pales ajustables étant reliées à pivotement audit organe. 7 Turbomachine selon la revendication 6, caractéri- sée par le fait que le ou les organes de support peuvent être formés par des diaphragmes dont la perméabilité à l'eau est limitée ou nulle. 8 Turbomachine selon l'une quelconque des revendi- cations 1 à 7, caractérisée par le fait que chaque pale ajustable est reliée aux éléments extrêmes à l'aide d'un arbre ( 20 22) comprenant une bague centrale de guidage ( 22) à laquelle des parties pivotantes ( 20, 21) s'étendant dans le plan de la pale considérée sont assujetties dans des directions radialement opposées, ainsi que d'un bou- lon ( 23) qui traverse ladite bague de guidage et est bloqué radialement dans l'élément extrême; et par le fait que ledit arbre forme, avec l'axe de rotation du rotor, l'angle de commande (a L) mentionné ci-avant.