Brevet FR2545153A1 — publié le 19841102

TURBINE CENTRIPETE PERFECTIONNEE L'invention concerne une turbine perfectionnée du type centripète sans diffusion dans l'ecou- lement relatif. Elle peut être appliquée dans tous les cas où il est nécessaire d'adapter le régime de la turbine, soit en fonction de conditions variables de l'alimentation en fluide d'entrainement, soit en fonction de besoins de puissance fluctuants en sortie, soit encore en fonction, à la fois, de conditions variables à l'entrée et de besoins fluctuants en sortie. Le champ d'application de l'invention s'étend en particulier aux turbo-alternateurs alimentés notamment par les gaz d'échappement de moteurs, aux turbo-compresseurs de suralimentation des moteurs à explosion (par exemple turbo-compresseur du type décrit dans la demande de brevet française nO 81.21214), etc... Il est fréquent qu'une turbine soit alimentée par un fluide à débit variableetlou à température variable, et/ou qu'elle entraine un récepteur absorbant une puissance variable. Depuis de nombreuses années, on a adapté les turbines axiales à action, aux conditions d'alimentation en entrée ou aux besoins de puissance en sortie, en réalisant un réglage de la perméabilité de la turbine grâce à une injection partielle du fluide d'entrainement : celui-ci est admis uniquement dans certains canaux d'écoulement de la roue mobile de turbine ; toutefois, pour que les performances de la turbine demeurent satisfaisantes, il est essentiel qu'aucune fuite de fluide n'apparaisse entre les çanaux utiles et les canaux nonalimentés, de sorte que ce principe d'injection partielle a été strictement limité aux turbines axiales à action où une pression égale règne en amont et en aval de la roue mobile dans ces conditions, aucune tendance à l'apparition de fuites n'est à craindre, contrairement à ce qui se passe pour les autres turbines où la pression en aval de la roue est inférieure à la pression en amont. Dans l'état actuel des connaissances résumé ci-dessus, il apparaitrait insensé à l'homme du métier de prévoir une injection partielle sur des types de turbines autres que les turbines axiales à action présentant une égalité de pression en amont et en aval de la roue mobile ; fort de ce principe, l'injection partielle, maintenant appliquée depuis plus de 50 ans sur les turbines axiales à action, a été strictement cantonnée à ce type de turbines et l'homme du métier s'est tourné vers d'autres solutions pour tenter, dans le cas des turbines de type différent, d'adapter le régime de celles-ci aux conditions d'alimentation ou aux besoins en puissance. Ainsi, par exemple dans le cas des turbines centripètes, une solution a été proposée consistant à équiper la turbine d'une volute d'alimentation évolutive, dont le corps possède au moins un segment mobile afin de permettre de faire varier la section de ladite volute et de contrôler la vitesse d'admission du fluide d'entrainement (brevet français nO 2 485 634 du 27 Juin 1980). Toutefois, cette solution présente plusieurs. inconvénients ; elle conduit à une mécanique de commande complexe, notamment du fait que les surfaces mobiles en contact avec le fluide sont importantes et exigent des efforts de manoeuvre élevés.De plus, la plage de réglage demeure limitée et cette solution ne permet pas d'obtenir une adaptation de la turbine à de larges plages de variations du débit ou de la température du fluide d'entrainement ou à de larges plages de variations de la puissance absorbée à la sortie. Or, l'on sait que les turbines axiales à action ne sont pas utilisables dans toutes les applications, en particulier dans les applications où le dimensionnement de la turbine conduit à un rapport de moyeux faible ou très faible (rapport du rayon interne au rayon externe de la roue). Dans ce cas, les constructeurs sont contraints de se tourner vers d'autres types de turbine, notamment vers les turbines centripètes. L'absence de solution technique satisfaisante pour adapter ces turbines à de larges plages de fonctionnement représente alors un handicap sérieux. La présente invention se propose de fournir une solution satisfaisante au problème ci-dessus posé. A cet effet, l'objectif essentiel de l'invention est de fournir une turbine perfectionnée du type centripète sans diffusion dans l'écoulement relatif, qui soit adaptable aux conditions d'alimentation en entrée et aux besoins de puissance en sortie et ce, dans une très large plage de variations. Un autre objectif est de fournir une solution simple sur le plan mécanique et, donc, d'un court relativement réduit. La turbine centripète visee par l'invention comprend de façon traditionnelle un conduit d'alimentation en fluide d'entrainement, au moins une roue mobile portée par un arbre tournant et dotée.d'aubes délimitant entre elles des canaux d'écoulement centripète du fluide, et un conduit d'é- chappement du fluide après écoulement dans les canaux précités.Selon la présente invention, ladite turbine est equipée de moyens de cloisonnement s'étendant du conduit d'alimentation vers la roue de turbine et délimitant une pluralité de canaux d'alimentation juxtaposés qui débouchent à la périphérie de la roue en regard d'au moins une portion de sa circonférence de façon à diviser et à guider l'écoulement du fluide vers une partie ou la totalité des canaux d'écoulement, des moyens d'obturation manoeuvrables, adaptés pour assurer l'obturatipn d'un nombre ajustable de canaux d'alimentation, en vue de réaliser à travers les autres canaux d'alimentation une injection partielle vers les canaux d'écoulement correspondants, et des moyens de manoeuvre, adaptés pour mouvoir sur commande lesdits moyens d'obturation. Les expérimentations ont démontré, de fa çon inattendue, qu'une telle turbine centripète était apte à fonctionner de façon satisfaisante avec une adaptation dans une large plage de variations des conditions d'alimentation à son entrée ou de la puissance absorbée par son arbre tournant contrairement aux idées et préjugés ancrés dans l'esprit des spécialistes, le principe de l'injection partielle peut être appliqué aux turbines centripètes conformément à l'invention, sans dégradation du rendement de la turbine, et ce, en faisant varier le taux d'injection dans une plage qui peut aller de 1 à 10. I1 est vraisemblable que ce bon fonctionnement est dû dans ce type de turbine3 à une sorte d'effet de "pompage" cen-;; trifuge au niveau de la roue mobile, qui s'oppose aux fuites de fluide vers les canaux d'éeoulement non alimentés. Selon une autre caractéristique de l'in- vention, les moyens d'obturation sus-evoqués peuvent être utilisés, non seulement pour régler le taux d'injection partielle dans la turbine, mais encore pour opérer , le cas échéant, une dérivation d'une partie ajustable du débit du fluide d'entralnement. Dans ce cas, la turbine est équipée d'un conduit de décharge agencé en dérivation entre le conduit d'alimentation et le conduit d'échappement, et les moyens d'obturation sont adaptés pour obturer ledit conduit de decharge dans la position où un ou plusieurs canaux d"ali- mentation sont obturés et pour pouvoir dégager progressivement ledit conduit de décharge lorsque tous les canaux d'alimentation sont eux-mêmes dégagés. Ces dispositions permettent d'éviter un emballement de la turbine lorsque l'énergie du fluide à l'entrée dépasse la puissance absorbée à la sortie, malgré la mise en service de tous les canaux d'alimentation. La présente invention s'applique en partie culier aux turbines centripètes comprenant autour de la roue mobile une volute convergente d0glimentation. Les moyens de cloisonnement comprennent, dans ce cas, une pluralité de cloisons de séparation logées dans ladite volute, lesdites cloisons étant incurvées pour présenter un profil adapté à celui de la volute en vue de diviser celle-ci depuis une section d'entrée en regard de laquelle débouche le conduit d'alimentation Jusqu'à la roue de turbine. I1 est à remarquer que cette solution est radicalement différente dans son principe meme de la solution à volute évolutive évoquée précédemment (brevet FR nO 2 485 634). En effet, dans ce dernier cas, tous les canaux d'écoulement de la roue mobile sont toujours alimentes et c'est une modulation de la forme globale de la volute qui permet de contrôler la vitesse d'admission du fluide à l'entrée de ces canaux d'écoulement en vue de compenser de faibles variations dans les conditions externes en entrée ou en sortie. Au contraire, dans l'invention, on pratique une injection partielle tendant à alimenter un nombre de canaux d'écoulement prédéterminé, nombre qui est ajusté en fonction des conditions externes, les autres canaux devenant passifs.Outre l'avantage de simplicité de structure auquel conduit l'invention, les expérimentations ont montré que celle-ci permettait une adaptation dans une très large plage de variations des conditions d1alimenta- tion en entrée ou d'absorption de puissance en sortie. En outre, l'invention permet une adaptation précise de la turbine en chaque point de fonctionnement du fait que les canaux d'écoulement actifs sont toujours alimentés dans des conditions d'incidence et de vitesse optimales. Par ailleurs, selon un mode de réalisation préféré, les cloisons de séparation présentent, au niveau de la section d'entrée, des chants d'extrémité, positionnés sur une surface cylindrique d'axe situé du côté amont par rapport à ladite section d'entrée ; les moyens d'obturation comprennent alors un volet articulé autour d'un axe coïncidant avec l'axe précité et agencé dans une chambre située entre le conduit d'alimentation et la section d'entrée. Ce volet peut ainsi obturer ladite section d'entrée sur une section variable, en venant tour à tour s'appuyer au cours de son pivotement sur les chants d'extrémité des cloisons de façon à dégager un nombre croissant de canaux d'alimentation. Les moyens de manoeuvre peuvent en particulier être constitués par un servo-moteur agencé pour pouvoir actionner l'axe portant le volet précité. La turbine visée par l'invention peut ou non être munie d'une roue de distribution fixe à aubes directrices. Dans le premier cas, cette roue fixe ext.interposée entre la sortie des cloisons de séparation et la roue mobile en vue de délimiter des canaux d'inrection s'étendant entre les canaux d'alimentation de la volute et les canaux d'écoulement de la roue mobile. Dans le second cas, les cloisons de séparation s'étendent jusqu'à la périphérie de la roue mobile de façon que les canaux d'alimentation débouchent directement dans les canaux d'écoulement, l'extrémité des cloisons de séparation ayant un profil adapté pour assurer une distribution de fluide avec une incidence appropriée. En outre, selon les applications la volute d'alimentation et ses cloisons de séparation peuvent s'étendre sensiblement sur toute la circonférence de la roue de turbine ou, au contraire, sur une fraction seulement de la circonférence de cette roue. D'autres caractéristiques, buts et avantages de l'invention se dégageront de la description qui suit en référence aux dessins annexés9 lesquels présentent, à titre d'exemple non limitatif, un mode de réalisation de turbine conforme à l'invention, appliqué à la réalisation d'un turbo-alternateur ; sur ces dessins qui font partie intégrante de la présente description - la figure B est une coupe longitudinale dudit turbo-alternateur, selon une ligne brisée A, B, C, - la figure 2 en est une coupé transversale par un plan DD', - la figure 3 en est une coupe partielle par un plan EE', - la figure 4 est un schéma synoptique des moyens de manoeuvre équipant la turbine du turboalternateur. Le turbo-alternateur représenté à titre d'exemple aux figures comprend une turbine de type centripète 1, qui entraine un arbre tournant 2 portant le rotor 3a d'un alternateur 3 dont le stator est symbolisé en 3b. Cet alternageur 3 de type classique en soi ne sera pas décrit plus en détail. De De façon traditionnelle, l'arbre 2 est monté par l'entremise de roulements 4 dans un palier 5 doté d'une arrivée et d'un départ d.'huile. L'ensemble est logé dans un corps 6. L'arbre 2 est entrain en rotation par une roue de turbine 7, composée d'un fiasque frontal 7a assujetti en bout dudit arbre, d'une jante annulaire 7b et d'aubes telles que 7c qui réunissent la jante 7b et le flasque 7a. Dans une telle roue de turbine centripète, les aubes 7c sont conformées de façon classique en soi pour déliniter entre elles des canaux d'écoulement centripète CE de section sensiblement constante afin de supprimer toute diffusion dans l'écoulement relatif. Les canaux débouchent au centre de la roue et le fluide s'échappe par un condu-it 13 après avoir travaillé. Autour de la roue mobile 7, est montée une roue fixe de distribution 8 dont les aubes directrices 8a sont insérées entre une partie frontale 6a du corps et une bague annulaire 6b ; la partie frontale 6a délimite le conduit d'échappement 13, ainsi qu'un conduit de décharge 12 comme on le verra plus loin. Les aubes directrices 8a forment de façon traditionnelle des canaux d'injection convergents CI qui guident le fluide vers les canaux d'écoulement CE et lui confèrent l'incidence appropriée correspondant au rendement optimal. De plus, autour de la roue fixe 8, le corps (6, 6a) délimite une volute convergente 9. En l'exemple cette volute en forme générale de spirale d'Archimède s'étend depuis une section d'entrée SEs sur une fraction seulement de la circonférence de la roue 8 (environ sur 11/18ème de la circonférence de celle-ci). Ainsi les canaux d'écoulement de la roue mobile 7 ne sont pas alimentés lorsqu'ils passent en regard de la portion de la roue distributrice 8 située au delà de la partie terminale 9a de la volute. Ces dernières dispositions inhabituelles dans les turbines centripètes ne sont que facultatives et permettent dans certaines applications d'optimiser le fonctionnement de la turbine. Par ailleurs, la volute 9 est divisée en une pluralité de canaux d'alimentation juxtaposés CA par des cloisons de séparation 10 qui, dans le sens longitudinal (c'est-à-dire parallèlement à l'arbre 2) réunissent le corps 6 à la portion frontale 6a et sont portés par ces éléments et, dans le sens transversal, présentent un profil courbe adapté à celui de la volute. Chaque canal CA guide ainsi le fluide depuis la section entrée SE vers un ou plusieurs canaux d'injection CI de la roue directrice 8. Les cloisons de séparation 10 peuvent notamment être constituées par des tôles mises en forme et brasées soit sur le corps 6, soit sur la partie frontale 6a de celui-ci. Ces cloisons peuvent également être moulées dans la masse, le corps 6 et la partie frontale formant une seule pièce. Ces cloisons de séparation 10 sont agencées dans la volute de sorte que les canaux d'alimentation CA qu'elles délimitent, présentent une section convergente, c'est-à-dire constante ou décroissante dans le sens centripète allant de la section d'entrée 5E vers la roue de turbine (7). Au niveau de la section d'entrée SEs les cloisons de séparation (10) présentent des chants d'extrémité tels que 10a qui sont positionnes sur une surface cylindrique symbolisée en Z, d'axe Y situé du côté amont par rapport à ladite section d'entrée SE (le terme "amont" se référant au sens d'écoulement du fluide). Par ailleurs, le corps 6 est conformé pour délimiter un conduit d'alimentation 11 qui débouche en regard de la section d'entrée SE dans une chambre interne Ch. Le canal de décharge 12 précite s'ouvre dans cette chambre Ch après le dernier canal d'alimentation CAD. Dans la chambre Ch, est logé un volet 14 qui est articulé autour d'un axe 15 coincidant avec l'axe Y de la surface cylindrique Z. Ce volet présentent une longueur adaptée pour venir au cours de son pivotement s'appuyer par son arête aval 14a, sur les chants dsextrémité lOa des clolsons 10 ; sa forme est adaptée pour séparer la chambre Ch en deux parties isolées, de façon à pouvoir mettre en communication le conduit d'alimentation ll avec un nombre réglable de canaux d'alimentation CA et, en fin de course, avec le conduit de décharge 12, lequel est dégagé progressivement au fur et à mesure de la rotation du volet. Dans l'exemple représenté, la volute 9 comporte un premier canal d'alimentation CAP qui est situé au-delà de la position d'obturation maximum du volet 14 de façon à demeurer constamment dégage. L'axe 15 qui porte le volet 14 est articulé de façon classique sur des paliers étanches portés par le corps 6 et est manoeuvre en rotation par un serve-moteur 16. Ce servo-moteur est commandé en fonction de l'application envisagée pour ajuster le taux d'injection partielle, afin d'adapter la turbine à chaque instant au débit du fluide d'entraînement et à sa température (qui peuvent être très variables, notamment dans le cas où ce fluide est constitué par des gaz d'échappement de moteurs) et à la puissance absorbée. Par exemple, dans le cas du turbogénérateur visé, la position du volet 14 peut être asservie à la vitesse de rotation N de l'arbre 2 de façon à obtenir une regulation de cette vitesse-autour d'une valeur de consigne. On a symbolisé à la figure 4 la commande du servomoteur 16 qui s'effectue à travers, d'une part, un comparateur 17 délivrant un signal de différence, d'autre part, un circuit 18 d'alimentation électrique dudit servo-moteur en fonction de ce signal. REVENDICATIONS li - Turbine centripète du type sans diffusion dans l'écoulement relatif, comprenant un conduit (11) d'alimentation en fluide d'entraînement, au moins une roue mobile (7) portée par un arbre tournant (2) et dotée d'aubes (7c) délimitant entre elles des canaux d'écoulement centripète du fluide (CE), et un conduit (13) d'échappement du fluide après écoulement dans les canaux précités, ladite turbine centripète étant caractérisée en ce qu'elle est équipée de moyens de cloisonnement (10) s'é tendant du conduit d'alimentation (11) vers la roue de turbine (7) et délimitant une pluralité de canaux d'alimentation juxtaposés (CA) qui débouchent à la périphérie de la roue (7) en regard d'au moins une portion de sa circonférence de façon à diviser et à guider l'écoulement du fluide vers une partie ou la totalité des canaux d'écoulement (CE), des moyens d'obturation manoeuvrables (14) adaptés pour assurer l'obturation d'un nombre ajustable de canaux d'alimentation (CA), en vue de réaliser à travers les autres canaux d'alimentation une injection partielle vers les canaux d'écoulement (CE) correspondants, et des moyens de manoeuvre (15, 16), adaptés pour mouvoir sur commande lesdits moyens d'obturation. 2! - Turbine centripète selon la revendication 1, comprenant un conduit de décharge (12) agencé en dérivation entre le conduit d'alimentation (11) et le conduit d'échappement (13), caractérisée en ce que les moyens d'obturation (14) sont adaptés pour obturer ledit conduit de décharge (12) dans la position où un ou plusieurs canaux d'alimentation (CA) sont obturés et pour pouvoir dégager progressivement ledit conduit de décharge lorsque tous les canaux d'alimentation sont eux-mêmes dégagés. 3/ - Turbine centripète selon l'une des revendications 1 ou 2, comprenant autour de sa roue mobile (7) une volute convergente d'alimentation (9), caractérisée en ce que les moyens de cloisonnement comprennent une pluralité de cloisons de séparation (10) logées dans ladite volute, lesdites cloisons étant incurvées pour présenter un profil adapté à celui de la volute en vue de diviser celle-ci depuis une section d'entrée (SE) 4/ - Turbine centripète selon la revendication 3, caractérisée en ce que les cloisons de séparation (10) sont agencées dans la volute (9) de sorte que les canaux d'alimentation (CA) qu'elles délimitent, présentent une section droite constante ou décroissante dans le sens allant de la section d'entrée (SE) vers la roue de turbine (7). 5/ - Turbine centripète selon l'une des revendications 3 ou 4, caractérisée en ce que les cloisons de séparation (10) présentent, au niveau de la section d'entrée (SE) des chants d'extrémité (10a) positionnés sur une surface cylindrique (Z) d'axe (Y) situé du c & é amont par rapport à ladite section d'entrée, les moyens d'obturation comprenant un volet (14) articulé autour d'un axe (15) coIncidant avec l'axe (Y) précité et agencé dans une chambre (Ch) située entre le conduit d'alimentation (11) et la section d'entrée (SE) en vue de pouvoir obturer cette dernière sur une section variable, en venant tour à tour s'appuyer au cours de son pivotement sur les chants d'extrémité (10a) des cloisons de façon à dégager un nombre croissant de canaux d'alimentation (CA). 6/ - Turbine centripète selon les revendications 2 et 5 prises ensemble, caractérisée en ce que le conduit de décharge (12) débouche dans la chambre (Ch) après le dernier canal d'alimentation (CAD) de façon que le volet (14) précité dégage progressivement ledit conduit de décharge (12) après dégagement du dernier canal d'alimentation (CAD). 71 - Turbine centripète selon l'une des revendications 5 ou 6 caractérisée en ce qu'elle comprend un premier canal d'alimentation (CAP) situé au-delà dune position d'obturation maximum du volet (14), de façon à demeurer constamment dégagé. 8/ - Turbine centripète selon l'une des revendications 5, 6 ou 7, caractérisée en ce que les moyens de manoeuvre comprennent un servo-moteur (16) agencé pour pouvoir actionner l'axe (15) portant le volet (14). 9/ - Turbine centripète selon l'une des revendications 3, 4, 5; 6, 7 ou B, dans laquelle une roue de distribution fixe (8) à aubes directrices (8a) est interposée entre la sortie des cloisons de séparation (10) et la roue mobile (7) en vue de délimiter des canaux d'injection (cri) s'étendant entre les canaux d'alimentation (CA) et les canaux d'écoulement (CE). 10/ - Turbine centripète selon l1une des revendications 3, 4, 5, 6, 7 ou 8, dans laquelle les cloisons de séparation s'étendent Jusqu'à la périphérie de la roue mobile de façon que les canaux d'alimentation débouchent directement dans les canaux d'écoulement, l'extrémité des cloisons de séparation ayant un profil adapté pour assurer une distribution de fluide avec une incidence appropriée. 11/ - Turbine centripète selon l'une des revendications 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9 ou 10, dans laquelle la volute d'alimentation et ses cloisons de séparation s'étendent sensiblement sur toute la circonférence de la roue de turbine. 12/ - Turbine centripète selon l'une des revendications 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9 ou 1O, dans laquelle la volute d'alimentation (9) et ses cloisons de séparation (10) s'étendent sur une fraction seulement de la circonférence de la roue de turbine (7).