Brevet FR2570436A1 — publié le 19860321

La présente invention a pour objet une turbine à détente de liquide chaud pressurisé et des dispositifs comportant une telle machine. Elle permet la récupération d'énergie sur des liquides chauds pressurisés, intervenant par exemple dans des processus industriels ou dans des techniques nouvelles, telles que la géothermie ou la génération solaire. On connait déjà des systèmes thermodynamiques à turbomachine génératrice d'énergie mécanique, destinés à la récupération d'énergie appliquée à des liquides chauds pressurisés. Ces systèmes connus fabriquent d'abord de la vapeur, à partir desdits liquides chauds pressurisés, par changement de phase liquide-vapeur d'un liquide volatil auxiliaire dans un bouilleur ou dans une capacité de vaporisation, puis appliquent ladite vapeur à toute turbomachine connue, du type à action ou à réaction. A cause de la cascade de la production et de la détente isentropique de la vapeur d'un liquide auxilaire, ces systèmes ne permettent qu'une mauvaise récupération de l'enthalpie de la source chaude. Par ailleurs, on connaît également des turbines à détente de liquide (LAWRENCE-LIVERMORE-Laboratory University of California) du type à action pure. Dans ces turbines, le liquide chaud pressurisé traverse une tuyère fixe et transforme, au cours de la détente qu'il subit, sa variation d'enthalpie en énergie cinétique. Le jet de vapeur et de liquide formé, généralement supersonique, est dirigé vers les aubages d'une roue à action pure (du type roue Pelton ou roue axiale). On remarquera que de telles conditions de fonctionnement ne permettent pas d'atteindre un rendement très élevé, notamment du fait des grandes vitesses d'éjection du jet et des décalages de vitesse existant dans les écoulements biphasiques entre la vapeur et le liquide. Par ailleurs, une turbine à action pure ne permet l'utilisation que d'un seul étage de détente, ce qui limite fortement la chute d'enthalpie du liquide de travail et donc le rendement total. La présente invention a pour objet de remédier aux inconvénients des dispositifs connus rappelés ci-dessus. Elle concerne une turbine à détente de liquide chaud pressurisé, du type à réaction pure, permettant d'utiliser, comme liquide de travail, la phase liquide de la source chaude elle-même ou un liquide réchauffé à travers un échangeur. Le liquide de travail se détent à travers la turbine en transformant sa variation d'enthalpie en travail sur l'arbre de ladite turbine. On remarquera qu'au niveau de l'éventuel échangeur, l'échange liquide-liquide entre la source chaude et le'liquide de travail assure la quasi-réversibilité des échanges et une récupération maximale de l'enthalpie de la source chaude. A cette fin, selon l'invention, la. turbine à détente de liquide chaud pressurisé pourvue d'une roue est remarquable en ce que ladite roue comporte dans son plan une pluralité de conduits dont chacun d'eux a l'une de ses extrêmités ouvertes disposée au voisinage du moyeu de ladite roue et l'autre desdites extrêmités au voisinage de la périphérie de ladite roue, en ce que chaque conduit incorpore un convergent du côté dudit moyeu, en ce que la partie de chaque conduit comprise entre le convergent correspondant et l'extrêmité périphérique dudit conduit forme un divergent et en ce que ledit liquide chaud pressurisé est amené auxdits conduits par leurs extrêmités ouvertes disposées du coté dudit moyeu. Ainsi, le liquide subit une détente au passage du convergent de chaque conduit, détente qui se développe au-delà dudit convergent en faisant tourner ladite roue dans un mode à réaction pure. Le fluide détendu (vapeur contenant des gouttelettes de liquide) s'échappe par les extrêmités ouvertes des conduits disposées du côté de la périphérie de la roue. De préférence, la roue comporte, du côté de son moyeu, un espace annulaire coaxial, qui est ouvert dans une face de ladite roue et dans lequel débouchent lesdits conduits. Il est donc possible d'alimenter lesdits conduits en liquide chaud pressurisé par l'intermédiaire dudit espace annulaire ouvert. Afin d'améliorer au maximum la distribution du liquide chaud pressurisé auxdits conduits, ladite roue comporte alors un distributeur mobile constitué d'aubages disposés au coude de raccord desdits conduits et dudit espace annulaire. Avantageusement, afin d'améliorer la détente du liquide chaud pressurisé, on prévoit un turbulateur, tel qu'une grille, du côté de lvextremité de chacun desdits conduits dirigée du côté dudit moyeu. Chaque conduit présente de préférence une direction générale transversale par rapport au rayon de la roue passant par le centre de l'extremité dudit conduit dirigée vers ledit moyeu. Les parois de chaque conduit parallèles à l'axe de ladite roue peuvent etre constituée par des aubages courbes. Dans un mode avantageux de réalisation, ladite roue est constituée de deux flasques accoles menageant entre eux lesdits conduits. Le convergent prévu dans chaque conduit peut être déterminé entre chaque couple de deux aubages consécutifs et/ou les faces en regard desdits flasques. La turbine selon l'invention peut etre accouplée à tout système adéquat pour toute application recherchée. Selon une première application conforme à la présente invention la turbine à détente de liquide chaud pressurisé est accouplée à une roue centripète pour détendre la vapeur résultant de la détente du liquide. Ainsi, on récupère également l'énergie de la vapeur produite. Pour augmenter encore le taux de récupération d'énergie contenue initialement dans le liquide chaud pressurisé, on peut mettre en oeuvre un dispositif comportant une suite de turbines calées sur un arbre commun, et remarquable en ce que, à au moins certaines des roues desdites turbines, sont associées des roues centripètes, en ce que la roue d'une turbine reçoit du liquide de la turbine précédente et en ce que chaque roue centripète détend la vapeur de la roue de turbine à laquelle elle est associée et la vapeur provenant des turbines en amont. Selon une seconde application, également conforme à l'invention, on prévoit un dispositif comportant une turbine et remarquable en ce qu'une roue hélicoidale centrifuge est accouplée à ladite roue de la turbine pour comprimer la vapeur sortant des extrêmités ouvertes périphériques des conduits de ladite roue. On peut ainsi comprimer la vapeur résultant de la détente du liquide chaud pressurisé. Dans un mode avantageux de réalisation, un dispositif pour la détente d'un liquide chaud pressurisé et pour la compression de la vapeur résultant de ladite détente, est remarquable en ce qu'il comporte une turbine selon l'invention et une suite de roues helicoldales centrifuges calées sur l'arbre de ladite roue de la turbine et destinées à la compression de gaz et en ce que chaque roue hélicoidale centrifuge reçoit la vapeur de la roue de turbine ou de la roue hélicoidale précédente. De préférence, dans les deux applications ci-dessus, on prévoit une construction modulaire. La présente invention peut être mise en oeuvre dans de nombreux domaines d'application tels que récupération d'énergie dans un processus industriel, géothermie, production d'électricité, pompage à partir d'énergie solaire, production d'énergie en milieu anaérobie, etc... Les figures du dessin annexé feront bien comprendre comment l'invention peut être réalisée. Sur ces figures, des références identiques désignent des élements semblables. La figure 1 est une vue en coupe axiale partielle d'un mode de réalisation de la turbine à détente de liquide chaud pressurisé selon l'invention, cette coupe correspondant à la ligne I-I de la figure 2. La figure 2 est une vue partielle en coupe transversale de la turbine de la figure 1, selon la ligne II-II de cette dernière. La figure 3 est une vue en coupe axiale partielle d'une variante de réalisation de la turbine à détente de liquide chaud pressurisé selon l'invention, cette coupe correspondant à la ligne III-III de la figure 4. La figure 4 est une vue partielle en coupe transversale de la turbine de la figure 3, selon la ligne IV-IV de la figure 3. La figure 5 montre, en vue correspondant à celles des figures 2 et 4, une autre variante de réalisation de la roue de la turbine selon l'invention. La figure 6 illustre, en coupe axiale, le couplage de la turbine à détente de liquide chaud pressurisé conforme à l'invention avec une roue centripète à détente de vapeur, afin de former un module destiné à produire de l'énergie mécanique. La figure 7 illustre schématiquement l'association en cascade d'une pluralité de modules analogues à celui de la figure 6. La figure 8 illustre, en coupe axiale, le couplage de la turbine à détente de liquide chaud pressurisé conforme à l'invention avec une roue hélicoidale fonctionnement en compresseur centrifuge, afin de former un module destiné à produire la recompression mécanique de la vapeur résultant de la détente dudit liquide. La figure 9 illustre schématiquement l'association en cascade d'une pluralité de modules analogues à celui de la figure 8. La turbine à détente de liquide chaud pressurisé, montrée par les figures 1 et 2 et conforme à l'invention, porte la référence générale 1. Enfermée dans un carter 2 (partiellement représenté), elle comporte une roue 3 calée sur un arbre 4 pouvant tourner par rapport au carter 2 grâce à des paliers 5, dont un seul est visible sur la figure 1. La roue 3 est constituée de deux flasques coaxiaux accolés 6 et 7s assemblés l'un à l'autre par l'intermédiaire de vis 8. Le flasque 6 comporte un moyeu 9 servant de moyeu à ladite roue 3, tandis que le flasque 7 comporte un large évidement central 10 dans lequel est loge ledit moyeu 9, les diamètres respectifs dudit moyeu 9 et dudit évidement 10 étant choisis pour qu'ils ménagent entre eux un espace annulaire 11 ouvert vers l'extérieur du côté du flasque 7. Entre les flasques 6 et 7 sont serrés des aubages courbes 12, par exemple fixés chacun par une vis 8, et disposés de façon que deux aubages consécutifs 12 définissent entre eux, en coopération avec les parois 6a,7a en regard des flasques 6 et 7, un conduit 13 disposé dans le plan de ladite roue 3. Chaque conduit 13 comporte une extrémité ouverte 14 débouchant dans l'espace annulaire 11 et une extremité ouverte 15 débouchant à la périphérie de la roue 3. Les conduits 13 peuvent présenter une direction générale transversale par rapport au rayon de ladite roue 3 passant par le centre de llextremité ouverte 14. Les parois en regard 6a et 7a des flasques 6 et 7 forment un convergent 16 dans chaque conduit 13, au voisinage de l'extremité ouverte 14, la partie desdits conduits 13 comprise entre le convergent correspondant 16 et l'extremité ouverte périphérique 15 formant en revanche un divergent. Par ailleurs, comme cela est représenté sur la figure 3, les aubages 12 et plus particulièrement leurs pieds traversés par les vis 8, peuvent participer à la formation des convergents 16. Le carter 2 forme, en regard de la roue 3, une chambre 17 en libre communication avec l'espace annulaire 11, par une ouverture centrale 18. A l'extérieur de l'ouverture centrale 18, l'étanchéité entre la roue 3 et la chambre 17 est assurée par un joint 19. Un- conduit 20 relie la chambre 17 à l'extérieur. Dans le coude de raccord entre l'espace annulaire il et les conduits 13 sont prévus des aubages 21. Ainsi, lorsqu'un fluide chaud pressurisé est amené dans la chambre 17 par l'intermédiaire du conduit 20, il pénètre dans l'espace annulaire 11 et atteint le distributeur mobile central constitué par les aubages 21. Ce distributeur mobile met ledit liquide en vitesse tangentielle, et l'amène à une vitesse relative faible et correctement orientée par rapport aux entrées 14 des conduits 13, tout en lui communiquant une énergie piézométrique capable de compenser les pertes de charge et d'éviter la vaporisation aux entrées des conduits 13. Le liquide est ensuite canalisé par les convergents 16 d'entrée dans les conduits 13 et commence à se détendre.La détente se développe en accélérant la vitesse tout au long de chaque conduit 13 et en produisant un jet de vapeur chargé de fines gouttelettes de liquide, tandis que l'enthalpie du fluide décroit selon la loi de Barré Saint Venant généralisée à espace relatif. Afin de ne pas réduire le rendement isentropique, il est important que la vitesse absolue du fluide sortant par les extrêmités 15 soit aussi faible que possible. A cause du fonctionnement en réaction pure, la vitesse de la roue 3 est élevée et ceci d'autant plus que les dimensions de celle-ci sont plus faibles. Sur les figures 3,4 et 5, on a représenté des variantes de réalisation de la turbine des figures 1 et 2, dans lesquelles on retrouve, éventuellement avec quelques modifications, les différents éléments 1 à 21. De plus, afin d'améliorer la détente du liquide chaud pressurisé, dans les modes de réalisation des figures 3,4 et 5, on a prévu des grilles 22 approximativement à l'emplace- ment des convergents 16. La figure 4 illustre la disposition des grilles 22 lorsque les pieds des aubages 12 sont radiaux par rapport au moyeu 9, tandis que la figure 5 montre la disposition desdites grilles lorsque les pieds des aubages 12 sont obliques par rapport audit moyeu. Bien entendu, quoique sur les figures 2,4 et 5 on n'ait représenté que quelques aubages 12 et 21, il va de soi que ceux-ci sont régulièrement répartis autour de l'axe de l'arbre 4. Les grilles 22 ont pour fonction de provoquer immédiatement en aval une ébullition homogène dans la masse du liquide, ce qui garantit la qualité de la détente et l'écoulement diphasique tout au long des aubages 12. L'écoulement de liquide pur provenant de la chambre 17 est redressé par les aubages radiaux 21 et fortement ralenti et pressurisé juste en amont des grilles 22, que le liquide atteint en restant parfaitement homogène. La traversée des grilles 22, de porosité bien définie, s'accompagne d'un fort gradient de perte de charge qui provoque immédiatement en aval desdites grilles, la déstabilisation du liquide vers l'état diphasique et ceci de façon régulière sur toute la surface des grilles. On obtient donc, par rapport au mode de réalisation des figures 1 et 2, une accélération du phénomène de formation du mélange déphasique, ce qui améliore la détente en limitant le glissement entre les deux phases, améliore le rendement des aubages 12 et permet de réduire la longueur de ceux-ci et donc le diamètre de la roue 3. Ainsi, en fonctionnement de la turbine 1 selon l'invention, un mélange diphasique sort des extrêmités préiphériques 15 des conduits 13 et du liquide 23 s'accumule au fond du carter. On prévoit à la périphérie du flasque 7 un bord saillant 24 qui entraîne par frottement le liquide 23, que des écopes 25 évacue par un conduit 26. De plus, on prévoit une évacuation de la phase vapeur (non représentée). On voit donc que la turbine selon l'invention permet de transformer ltenthalpie du liquide chaud pressurisé entrant par le conduit 20 en énergie cinétique de rotation de l'arbre 4 de la roue 3. Bien entendu, cette énergie cinétique de rotation peut ensuite être utilisée directement ou indirectement, par l'intermédiaire de tout dispositif approprié, mis en liaison avec ledit arbre 11. Sur la figure 6, on a représenté un module 30 permettant d'améliorer le rendement de la turbine 1 en récupérant de plus l'énergie de la vapeur s'échappant des extrêmités périphériques ouvertes 15 des conduits 13. Pour cela, à l'intérieur du carter 2, une roue centripète 31 à détente de vapeur est couplée à la roue 3 et calée sur l'arbre 4. Cette roue centripète 31 reçoit la vapeur (flèches 32) sortant périphériquement des conduits 13 et guidée vers elle par des portions 33 dudit carter 2. La vapeur 32 se détend dans la roue centripète 21, transférant son énergie à l'arbre 4, après détente, est dirigée vers un orifice d'évacuation 34 (flèche 35). De préférence, le dispositif 30 est réalisé sous forme modulaire, pour pouvoir être associé en cascade à d'autres modules semblables afin de former une installation de récupération d'énergie, telle que celle représentée schématiquement sur la figure 7 et portant la référence d'ensemble 40. L'installation 40 comporte une pluralité de modules 30 ou modules semblables dont les roues 3 et 31 sont calées sur un arbre commun 4. Dans l'insallation 40 le liquide 23 tombant au fond du carter de ltun des modules est transmis à la chambre d'alimentation 17 du module suivant par l'intermédiaire du conduit 26 correspondant, tandis que la vapeur 35 sortant de 9 roue centripète d'un module est dirigée vers la roue centripete du module suivant. Ainsi, on obtient, sur l'arbre 4 commun de lvinstallation 40 à étages multiples 30, de l'énergie mécanique par la détente au plus bas niveau enthalpique possible, compatible avec la température de la source froide, et dans de bonnes conditions de rendement, du liquide chaud pressurisé entrant par la conduite d'alimentation 20 du module 30 amont. Cette détente s'effectue par une succession de détentes de liquide dans les roues successives 3 des turbines 1, et par une succession de détentes de vapeur dans les roues centripètes successives 31. Sur la figure 8, on-a représenté un module 50 destiné à la détente d'un liquide chaud pressurisé et à la compression de la vapeur résultant de ladite détente. A cette fin, à l'intérieur du carter 2, une roue hélicoidale de compression centrifuge 51 est couplée à la roue 3 et calée sur l'arbre 4. Cette roue centrifuge 51 reçoit la vapeur (flèches 52) sortant périphériquement des conduits 13 et guidée vers elle par des portions 53 dudit carter 2. La vapeur 52 est comprimée par la roue centrifuge 51 et est évacuée par l'orifice de sortie 54. Le liquide tombant au fond du carter 2 est évacué vers l'extérieur par le conduit 26. Avantageusement, la partie 55 du dispositif 50 contenant la roue de compression 51 est réalisée sous forme modulaire, pour pouvoir être associée en cascade à d'autres modules semblables disposés en aval d'une turbine de détente selon l'invention. On obtient ainsi une installation du type de celle représentée schématiquement sur la figure 9 et portant la référence d'ensemble 60. L'installation 60 comporte un module 1 auquel sont associés une pluralité de modules 55, comportant chacun une roue de compression 51. La roue 3 du module 1 et les roues 51 des modules 55 sont calées sur un arbre commun 4. Dans l'installation 60, la vapeur 52 provenant d'une roue 3 ou 51 amont est adressée à la roue 51 immédiatement en aval, tandis que le liquide tombant au fond du carter 2 est éliminé par le conduit 26. Ainsi, on obtient une installation multiétage de recompres- sion successive de la vapeur provenant de la détente du liquide chaud pressurisé dans la roue 3 de la turbine 1, l'énergie de recompression étant fournie par le travail développé par ladite détente. REVENDICATIONS 1 - Turbine à détente de liquide chaud pressurisé pourvue d'une roue (3), caractérisée en ce que ladite roue (3) comporte dans son plan une pluralité de conduits (13) dont chacun d'eux a l'une (14) de ses extrêmités ouvertes disposée au voisinage du moyeu (9) de ladite roue (3), et l'autre (15) desdites extrêmités au voisinage de la périphérie de ladite roue, en ce que chaque conduit (13) incorpore un convergent (16) du côté dudit moyeu (9), en ce que la partie de chaque conduit (13) comprise entre le convergent correspondant (16) et l'extremité périphérique (15) dudit conduit forme un divergent et en ce que ledit liquide chaud pressurisé est amené auxdits conduits (13) par leurs extrêmités ouvertes (14) disposées du côté dudit moyeu (9). 2 - Turbine selon la revendication 1, caractérisée en ce que la roue (3) comporte, du côté de son moyeu (9), un espace annulaire (11) coaxial, qui est ouvert dans une face (7) de ladite roue (3) et dans lequel débouchent lesdits conduits (13). 3 - Turbine selon la revendication 2, caractérisée en ce que la roue (3) comporte un distributeur mobile constitué d'aubages (21) disposés au coude de raccord desdits conduits (13) et dudit espace annulaire (11). 4 - Turbine selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisée en ce qu'un turbulateur (22) est disposé du côté de l'extrémité (14) de chacun des conduits (13) dirigé du côté dudit moyeu (9). 5 - Turbine selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisée en ce que chaque conduit (13) présente une direction générale transversale par rapport au rayon de la roue (3) passant par le centre de l'extrémité (14) dudit conduit (13) dirigée vers ledit moyeu (9). 6 - Turbine selon l'une des revendications 1 à 5, caractérisée en ce que les parois de chaque conduit (13) parallèles à l'axe de ladite roue (3) sont constituées par des aubages courbes (12). 7 - Turbine selon l'une des revendications 1 à 6, caractérisée en ce que ladite roue (3) est constituée de deux flasques accolés (6,7) ménageant entre eux lesdits conduits (13). 8 - Turbine selon la revendication 7, caractérisée en ce que le convergent (16) de chaque conduit (13) est forméau moins en partie par les faces en regard (6a,7a) des flasques accolés (6,7). 9 - Turbine selon l'une quelconque des revendications 6 à 8, caractérisée en ce que le convergent (16) de chaque conduit (13) est formé au moins en partie par les aubages courbes (12) délimitant en partie lesdits conduits (13). 10 - Dispositif pour la production d'énergie mécanique à partir de la détente d'un liquide chaud pressurisé, caractérisé en ce qu'il comporte une turbine du type spécifiée sous l'une quelconque des revendications 1 à 9 et en ce qu'une roue centripète (31) est accouplée à ladite roue (3) de la turbine pour détendre la vapeur sortant des extrêmités ouvertes périphériques (15) des conduits (13) de ladite roue. 11 - Dispositif pour la production d'énergie mécanique à partir de la détente d'un liquide chaud pressurisé, caractérisé en ce qu'il comporte, calées sur un arbre commun (4), une suite de turbines du type spécifié sous l'une quelconque des revendications 1 à 9, en ce que, à au moins certaines des roues (3) desdites turbines, sont associées des roues centripètes (31), en ce que la roue (3) d'une turbine reçoit du liquide de la turbine précédente et en ce que chaque roue centripète détend la vapeur de la roue de turbine à laquelle elle est associée et la vapeur provenant des turbines en amont. 12 - Dispositif pour la détente d'un liquide chaud pressurisé et pour la compression de la vapeur résultant de ladite détente, caractérisé en ce qui comporte une turbine du type spécifié sous l'une quelconque des revendications 1 à 9 et en ce qu'une roue hélicoldale centrifuge (51) est accouplée à ladite roue (3) de la turbine pour comprimer la vapeur sortant des extrémités ouvertes périphériques (15) des conduits (13) de ladite roue. 13 - Dispositif pour la détente d'un liquide chaud pressurisé et pour la compression de la vapeur résultant de ladite détente, caractérisé en ce qu'il comporte une turbine du type spécifié sous l'une quelconque des revendications 1 à 9 et une suite de roues hélicoidales centrifuges (51) calées sur l'arbre (4) de ladite roue (3) de la turbine et destinées à la compression de gaz et en ce que chaque roue hélicoidale centrifuge reçoit la vapeur de la roue de turbine ou de la roue hélicoidale précédente. 14 - Dispositif selon l'une quelconque des revendications 10 à 13, caractérisé en ce qu'il est réalisé sous forme modulaire.