Brevet FR2551493A1 — publié le 19850308

La présente invention concerne des turbines à vapeur ou à gaz, dans lesquelles le fluide moteur agit alternativement sur les aubages de deux rotors coaxiaux tournant en sens inverse l'un de l'autre. Les turbines de ce type ont été pratiquement abandonnées depuis 1960 environ par suite de leur incapacité d'atteindre les puissances de plus en plus grandes demandées actuellement à ces machines, et ce malgré les avantages de rendement, de poids et d'encombrement qu'elles assurent par rapport aux turbines à un seul rotor. Cette incapacité provenait de la disposition de leurs rotors, montes en porte-à-faux par rapport aux paliers qui les supportent, limitant de ce fait les dimensions et les vitesses de ces rotors, et par conséquent la puissance des turbines. La turbine conforme à l'invention est essentiellement caractérisée par une disposition nouvelle et originale des rotors coaxiaux, selon laquelle le rotor extérieur enveloppe complètement le rotor intérieur, tandis que chacun des rotors est supporté par des paliers placés à chacune de ses extrémité, en supprimant de ce fait tout porte-à-faux des parties tournantes. Cette nouvelle conception permet de réaliser des machines à rendement élevé, d'un encombrement réduit, dont la puissance n'est plus limitée par le porte-à-faux des rotors comme dans les turbines construites antérieurement. Les possibilités de construction et de montage du rotor extérieur autour du rotor intérieur, sont précisées plus loin dans la description. Dans les dessins annexés donnés à titre d'exemple on a représenté d'une façon schématique une turbine à vapeur réalisée conformément à la présente invention, et dans lesquels - la figure 1 montre une telle turbine en coupe longitudinale; - la figure 2 montre un exemple de montage d'un dispositif d'accouplement du rotor intérieur au rotor extérieur; - la figure 3 montre un détail des flasques d'extrémités du rotor extérieur; - les figures 4 et 5 montrent respectivement vu par-dessus et en coupe transversale le montage d'un rotor en deux éléments. Selon l'exemple de la figure 1 la turbine est du type axial symétrique à admission centrale de la vapeur. On a montré en 1 et 2 deux rotors coaxiaux, le rotor intérieur 1 étant supporté par un arbre 3 terminé à l'une de ses extrémités par un plateau d'accouplement 4, l'autre extrémité étant arrêtée à l'intérieur d'un arbre creux 5 supportant le rotor extérieur 2. Les paliers 6 de l'arbre intérieur 3 sont solidaires de l'arbre 5 et tournent avec lui. Les paliers 7 de l'arbre 5 sont fixes et supportés de chaque côté de la machine par des massifs 8 dont ils sont solidaires. Les paliers intérieurs et extérieurs peuvent être lisses, à roulements ou d'un autre type convenable, suivant la charge, la vitesse, les dimensions des arbres et le dispositif de graissage adopté. La vapeur est admise au centre de la turbine par une chambre circulaire 9 d'une enveloppe 10, communiquant avec des orifices pratiqués dans le rotor extérieur 2 sur toute sa périphérie. Des flasques 12 ajourés en 13 sont prévus pour fermer l'espace interne du rotor externe 2. La vapeur se divise alors en deux flux symétriques de sens opposés indiqués par les flèches V et V' et agit simultanément sur les aubages de chacun des rotors 1 et 2, provoquant leur rotation en sens inverse l'un de l'autre (pour la clarté du dessin, les aubages ne sont pas représentés dans la Fig. 1). Cette turbine ne comporte pas de stator et la vapeur y circule obligatoirement selon le mode à réaction de valeur 1 dans chaque couronne d'aubages. 2 Après avoir traversé la dernière couronne, la vapeur est dirigée vers le condenseur par les conduits circulaires 14 situés aux extrémités de l'enveloppe 10. L'orientation, la grandeur et la forme des aubages de chaque rotor sont déterminées en fonction du sens de rotation, de la puissance, de la vitesse, et des caractéristiques de la vapeur à l'admission, pour un régime normal continu de la turbine correspondant à son rendement maximal. L'étanchéité entre les rotors, les paliers et l'enveloppe, à l'admission et à l'échappement, peut être realisée par des joints à labyrinthe ou d'un autre type convenable (ces joints ne sont pas représentés dans la Fig. 1). Dans la turbine prise comme exemple, la poussée axiale de la vapeur sur les rotors est pratiquement nulle en raisonde la symétrie du montage, ce qui permet de réduire l'importance des organes de compensation de cette poussée (paliers de butée, plateaux de compensation, etc.). La puissance totale de cette turbine étant répartie par moitié sur chacun des arbres, peut être utilisée en accouplant à chaque extrémité une machine absorbant la même puissance : génératrice électrique, hélice de navire, ventilateur, compresseur, etc. Dans les cas ot l'emploi de deux machines réceptrices présente des inconvénients pour des raisons d'encombrement, de prix, ou autres, on peut obtenir sur un seul arbre la puissance totale de la turbine du côté choisi, en prolongeant du côté opposé l'arbre du rotor intérieur et en l'accouplant à l'arbre du rotor extérieur par un engrenage différentiel qui transmet à l'un des arbres l'énergie de l'autre, et qui, de plus, synchronise automatiquement les vitesses de rotation des deux arbres. La Fig. 2 représente schématiquement un tel engrenage, dans lequel des plateaux dentés 15 et 16, de même diamètre et de même nombre de dents, sont respectivement solidaires des arbres 5 et 3 des rotors et tournent en sens inverse l'un de l'autre. Plusieurs pignons dentés satellites 17 identiques pouvant tourner librement sur leurs axes engrènent avec chacun des plateaux dentés 15 et 16. Les axes de ces pignons sont solidement maintenus en place par un chassis rigide fixe, solidaire des fondations. La rotation de l'arbre 3,par exemple, provoque automatiquement la rotation de l'arbre 5 en sens inverse et à la même vitesse par l'action du plateau 16 sur les pignons 17 et le plateau 15 de l'arbre 5, qui reçoit ainsi la totalité de l'énergie de la turbine et la transmet à la machine avec laquelle il est accouplé à son autre extrémité (les dents des engrenages et le chassis fixe ne sont pas représentés sur cette Fig. 2). On peut d'ailleurs utiliser l'arbre 3 pour entrainer la machine réceptrice en prolongeant cet arbre jusqu'aux organes d'accouplement. Grâce à cet engrenage et à son mode particulier d'utilisation, on peut choisir à volonte le côté et l'arbre avec lequel on désire accoupler la machine réceptrice à turbine. Le montage de la turbine représentée à la Fig. 1 peut s'effectuer de plusieurs façons différentes, selon les procédés, les moyens et la technologie propres à chaque constructeur, aussi bien pour la fabrication des différentes parties de la turbine que pour leur assemblage, leur montage et leur réglage Le procédé indiqué ci-après suppose un chantier provisoire pour le montage des rotors coaxiaux, et des moyens de levage appropriés pour les transporter à leur emplacement définitif dans la turbine. Le chantier provisoire permet de renforcer la résistance du rotor extérieur construit en deux moitiés, par des flasques d'extrémité construits en une seule pièce et introduits à leurs emplacements respectifs comme indiqué plus loin. La chronologie des opérations est la suivante: 10) la demi-enveloppe inférieure, munie de ses demipaliers et de ses joints, est amenée à son emplacement définitif sur les massifs et fondations de la machine, comme pour une turbine classique 20) sur un chantier annexe, le rotor intérieur 1 est entièrement monté sur son arbre 3 avec ses aubages et ses joints. 30) l'arbre creux 5 du rotor extérieur 2 est construit en deux tronçons identiques d'une seule pièce. Chacun de ces tronçons, muni de ses paliers et de ses joints, est alors enfilé à l'une des extrémités de l'arbre 3 du rotor intérieur 1 jusqu'à son emplacement définitif sur cet arbre. 40) chacun des flasques 12 ajourés du rotor extérieur 2 est introduit sur le tronçon correspondant de l'arbre creux 5 jusqu'à un épaulement 18 prévu sur cet arbre (voir fig.3) auquel il sera solidement fixé en fin de montage. La mise en place des tronçons de l'arbre creux et des flasques du rotor extérieur sera facilitée par une augmentation- progressive du diamètre des arbres des rotors intérieur et extérieur et par l'emploi de moyens de sustentation appropriés pour mener à bien cette manoeuvre. 50) le rotor extérieur 2 peut d'autre part être construit en deux moitiés qui se joignent selon un plan diamètral 21 passant par l'axe longitudinal des rotors. Ces deux moitiés sont amenées à leur emplacement exact autour du rotor intérieur et sont alors assemblées entre elles par exemple par une série de frettes 19 avec boulons ou rivets 20, réparties sur toute la longueur du rotor, ne faisant pas saillie sur l'extrados ni l'intrados de ce rotor (voir fig. 4 et 5). Ce dernier est rendu solidaire de l'arbre creux par les flasques d'extrémité 12 (fig. 1 à 3) fixés définitivement sur les épaulements 18 correspondants de cet arbre d'une part, et sur les deux moitiés de la dernière couronne d'aubages à chaque extrémité du rotor, d'autre part. Le montage des rotors coaxiaux est pratiquement terminé. Le rotor intérieur est complètement invisible, son arbre seul dépasse l'arbre creux du rotor extérieur à l'une des extrémités, afin de recevoir le dispositif d'accouplement envisagé pour l'utilisation de la turbine. 60! l'ensemble des deux rotors se présente alors comme un seul rotor analogue à celui d'une turbine classique. Avec un moyen de levage approprié, cet ensemble est alors enlevé du chantier de montage et introduit dans la demi-enveloppe inférieure de la turbine à son emplacement définitif. Le montage de la demi-enveloppe supérieure s'effectue enfin d'une manière analogue à celui de la demi-enveloppe d'une turbine classique autour de son stator. Le procédé de montage indiqué ci-dessus est basé sur une construction des rotors dite en tambour. Lorsque les rotors sont construits en utilisant des disques pour le rotor intérieur, et des diaphragmes pour le rotor extérieur, il est possible à l'aide d'un chantier provisoire et d'un outillage approprié, de monter l'ensemble des deux rotors avec des disques et des diaphragmes d'une seule pièce, sans joints ni coupures, en les fixant successivement à leurs emplacements définitifs les uns par rapport aux autres. Ce procédé supprime l'emploi de frettes, devenues inutiles, et permet de résister facilement aux effets de la force centrifuge. Comme dans le procédé précédent, dit en tambour, il nécessite également le montage et la fixation des flasques d'extrémités d'une seule pièce pour le rotor extérieur. Les avantages d'une turbine construite conformément à la présente invention sont, d'une part, son rendement plus élevé que celui d'une turbine classique, en raison de la suppression du stator et des pertes correspondantes, d'autre part, sa possibilité d'atteindre des puissances aussi grandes que celles des turbines à un seul rotor, du fait de la disposition particulière des rotors et des paliers qui les supportent, permettant de leur donner les dimensions nécessaires sans inconvénient. D'une manière générale, l'invention s'applique à tous les types de turbines, axiales, radiales ou mixtes comportant deux rotors coaxiaux contra-rotatifs. Les turbines con çues et réalisées selon la présente invention peuvent remplacer avantageusement les turbines classiques dans tous les domaines utilisant des turbo-machines, quelle que soit la puissance demandée. Entre autres applications, elles sont particulièrement intéressantes pour les centrales d'énergie électrique, en raison de leur rendement élevé qui permet une économie importante de combustible. Elles peuvent également être utilisées pour fournir l'énergie nécessaire à la propulsion des navires de guerre et de commerce comportant deux hélices tournant en sens inverse, en raison de leurs diverses possibilités d'accouplement et de leur encombrement réduit. REVENDICATIONS 1. Turbine à vapeur ou à gaz, comprenant des rotors coaxiaux tournant l'un en sens inverse de l'autre, caractérisée en ce que le rotor extérieur (2) entoure et enveloppe complètement et coaxialement le rotor intérieur (1), tandis que des paliers (6,7) sont prévus à chacune des extrémités des deux rotors pour les supporter individuellement et sans porte-à-faux. 2. Turbine selon la revendication 1 caractérisée en ce que l'arbre (3) portant le rotor intérieur (1) est plein et disposé coaxialement dans l'arbre creux (5) portant le rotor extérieur (2), des paliers (6,7) appropriés étant prévus entre le bâti de la turbine et l'arbre creux précite, d'une part, et entre l'arbre plein portant le rotor intérieur et l'arbre creux portant le rotor extérieur, d'autre part. 3. Turbine selon la revendication 1 caractérisée en ce qu'une enveloppe (10) entoure les deux rotors et comporte une tuyauterie permettant l'arrivée de la vapeur ou du gaz et son déplacement dans deux sens opposés. 4. Turbine selon la revendication 1 caractérisée en ce qu'elle comporte un engrenage (15, 16, 17) ou dispositif semblable par exemple du type différentiel réunissant l'une des extrémités du rotor intérieur (1) à l'extrémité opposée du rotor extérieur (2). 5. Turbine selon l'une des revendications 1 à 4 caractérisée en ce que le rotor extérieur (2) est constitué par la réunion de deux éléments formant coquilles selon un plan diamètral 21.