Brevet FR2589530A1 — publié le 19870507

Turbomachine à réglage de puissance. L'invention concerne les turbomachines, qu'elles soient de type centrifuge, axial, ou partiellement axial et partiellement centri- fuge, et plus particulièrement les moyens permettant de régler la puissance échangée avec le fluide. On sait que les turbomachines sont des machines à déplacement de fluide non positif dont la pression différentielle o le travail communiqué au fluide varie avec le débit, et inversement, pour un régime de rotation déterminé, la relation étant habituellement défi- nie par une courbe caractéristique. Le réseau d'utilisation du fluide de son côté présente une perte de charge ou une perte de puissance qui varie avec le débit selon une autre courbe caractéristique, l'intersection des deux définissant le point de fonctionnement. Pour une application déterminée, si la caractéristique du réseau varie, ou encore si la caractéristique de la turbomachine a été prévue avec une marge de surpuissance par sécurité, il est nécessaire d'ajuster la puissance communiquée au fluide en fonction des besoins réels. Une première solution serait de modifier le régime de la turbomachine, toutefois il est en général très difficile de moduler la vitesse du moteur d'entrainement de la turbomachine, ce moteur étant le plus souvent constitué par un moteur asynchrone. Une autre solution évidente serait de modifier la caractéristique d'utilisation en introduisant une perte de charge supplémentaire réglable, mais cette solution conduit à une perte d'énergie importante ainsi qu'à des vibrations et des bruits désagréables produits par l'écoulement turbulent.- Pour éviter ces deux écueils on utilise généralement un dispositif de réglage appelé inclineur et qui est constitué par des volets fixes à incidence variable disposées dans la veine fluide axiale en amont du rotor de la turbomachine. Ces volets sont généra- lement plans pour que, lorsqu'ils sont disposés axialement, ils n'introduisent aucun mouvement rotationnel dans la veine fluide et une perte de charge minimale. En inclinant au contraire ces volets de manière à communiquer un mouvement rotationnel à la veine fluide, généralement dans le même sens que la rotation du rotor principal, on produit une modulation de la puissance, notamment une réduction de celle-ci. Cependant les volets plans ont un profil mal adapté qui conduit à des décollements et des turbulences des filets fluides dès que l'incidence des volets devient importante. Il en résulte donc à nouveau une perte de charge et une perte d'énergie par écoulement turbulent reproduisant, au moins en partie, les inconvénients précé- dents. Le but de l'invention est d'éliminer les inconvénients qui précèdent, c'est-à-dire de régler la puissance d'une turbomachine avec une grande marge de réglage sans perte de puissance et sans complication mécanique. L'invention consiste, dans une turbomachine comportant au moins un rotor principal, à disposer un rotor auxiliaire à flux axial, à aubages profilés et à rotation indépendante de celle du rotor princi- pal dans une veine fluide axiale, soit en amont du rotor principal pour communiquer une prérotation au fluide, soit en aval pour redres- ser ou modifier une rotation éventuellement existante de ce fluide, avec un moyen approprié pour modifier la vitesse de rotation de ce rotor auxiliaire. En particulier ce moyen peut être un simple freinage progressif appliquant un couple résistant sur le rotor auxiliaire pour modifier sa vitesse depuis une vitesse sensiblement égale à sa vitesse d'auto- rotation, de sens opposé à celle du rotor principal, jusqu'à une vitesse sensiblement nulle. En variante ce moyen peut être constitué par une machine électri- que réversible permettant d'effectuer ce couple résistant variable avec récupération d'énergie, tout en permettant également d'exercer un couple moteur pour atteindre une gamme de vitesses au-delà de la vitesse d'autorotation. Enfin pour certaines applications le moteur peut être à deux sens de marche pour une rotation dans le sens oppose à celle du rotor principal ou dans le même sens. D'autres particularités de l'invention apparaîtront dans la description qui va suivre d'un mode de réalisation pris comrnme exemnle et représenté sur le dessin annexé sur lequel: la figure 1 représente en coupe partielle une turbomachine équipée de l'inclineur habituel selon l'état de La technique: la figure 2 est une coupe développée selon II-II de la figure 1; la figure 3 représente les courbes caractéristiques de la turbo- machine et du réseau d'utilisation selon l'état de la technique; la figure 4 est une coupe partielle selon IV-IV de la figure 1; la figure 5 est une vue analogue à la figure 1 d'un mode de réalisation de l'invention; la figure 6 est une vue schématique à plus grande échelle du rotor auxiliaire; la figure 7 est une vue correspondant à la figure 6 dans une variante de réalisation; la figure 8 représente les courbes caractéristiques dans le cas de l'invention; la figure 9 représente un autre mode de réalisation de l'inven- tion avec turbine axiale et rotor auxiliaire an aval. On voit sur la figure 1 une turbomachine classique avec son rotor principal 1 relié par un arbre de transmission 2 à un moteur d'entraînement 3, ce rotor étant entouré par un stator 4 constituant une volute ou un collecteur d'ou le fluide s'échappe par un conduit non représenté. L'ensemble constitue par exemple un ventilateur, un compresseur ou une soufflante, en particulier pour fluide gazeux. Pour un régime de rotation déterminé, qui correspond par exemple au régime normal du moteur 3 lorsque celui-ci est un moteur asynchro- ne, le travail massique W communiqué au fluide varie en fonction du débit Q de ce fluide selon une courbe To caractéristique de la turbo- machine comme représenté sur la figure 3. De son côté le travail W absorbé par le réseau d'utilisation du fluide sur lequel débite la turbomachine est représenté par une courbe R caractéristique du reseau. L'intersection de ces deux courbes détermine le point de fonctionnement F, c'est-à-dire le débit Q et le travail W qui se trouve prélevé sur le moteur asynchrone 3. La figure 4 montre la coupe d'une aube 5 du rotor principal 1 qui est supposé tourner dans le sens représenté par la flèche 6. Au point d'attaque a de cette aube on représenté la vitesse relative wl du fluide par rapport à cette aube, vitesse qui est en principe 9: tangente à l'aube 5 au point a, et la vitesse d'entraînement ul du point a résultant de la rotation 6, ces deux vitesses se combinant classiquement pour donner la vitesse absolue cl du fluide par rapport au stator. L'aubage du rotor principal, a son entrée au point a, est dessiné pour que la direction de wl soit telle que sa composition avec la direction de ul soit compatible avec la direction naturelle de cl (figure 4). Cette direction naturelle est telle, par symétrie, que la projection orthogonale du vecteur vitesse cl sur le vecteur vitesse ul est nulle. Ceci revient à dire, qu'en l'absence de dispositif à l'amont du rotor, le vecteur vitesse cl est dans un plan contenant l'axe de ce rotor principal. Si l'on veut adapter la turbomachine à des performances diffé- rentes, il y a lieu d'incliner la vitesse cl pour que la projection orthogonale de cl sur ul ne soit plus nulle. Ceci permet d'adapter la turbomachine à un débit différent - lié à la projection orthogonale de cl sur l'axe de la turbomachine - et à un travail également différent - lié à la projection orthogonale de cl sur ul. C'est ce que l'on obtient classiquement en disposant en amont de l'entrée 7 de la turbomachine un inclineur 8 comportant des volets 9 de forme sensiblement plane et dont l'incidence peut varier depuis une direction complètement axiale, o aucune rotation n'est appliquée à l'écoulement, jusqu'à des positions de plus en inclinées qui pro- duisent un mouvement de rotation d'ensemble du fluide à l'entrée 7 dans le sens représenté par la flèche 6, ce qui revient précisément à incliner progressivement la vitesse absolue cl vers la gauche de la figure 4 par rapport au point a. Ceci se traduit sur les courbes de la figure 3 par un déplace- ment de la caractéristique To vers les puissances plus faibles, comme représenté par les courbes successives T1, T2 et T3. Cet effet connu et utile se produit cependant dans de mauvaises conditions dues au fait qu'au fur et i mesure que l'incidence des volets 9 augmente, le fluide arrivant en 10 fait un angle croissant avec la paroi du côté du bord d'attaque 11, et il se produit derrière les volets 9 des décollements et des turbulences représentés schémati- quement par les flèches 12 sur la figure 2 et qui occasionnent des pertes de charge et d'énergie. On a représenté également sur la figure 3 les courbes de rende- ment repérées par des pourcentages et qui montrent que le rendement maximum est obtenu pour l'incidence nulle, c'est-à-dire pour le point F pour lequel la machine a été déterminée, et l'on voit comme prévu que le rendement décroît ensuite assez rapidement lorsque l'incidence augmente. Pour éviter cela, l'invention, comme représenté sur la figure 5, part de la même turbosoufflante mais remplace le dispositif inclineur 8 précédent, à aubes fixes et incidence variable, par un rotor auxi- liaire 13 monté en rotation autour d'un axe 14 et dont les aubes 15 sont dessinées avec un pas fixe. Ce rotor auxiliaire 13 est monté dans un stator 16, et son axe 14 est relié, par entraînement direct ou indirect, à une machine tournante 17. On suppose tout d'abord que la machine 17 n'impose aucun couple moteur ni résistant au rotor auxiliaire 13, ce qui peut être obtenu approximativement avec des paliers à faible couple résistant. Dans ces conditions, l'air arrivant radialement en 10 comme dans l'exemple précédent produit une autorotation du rotor 13 dans le sens représen- té par la flèche 18, c'est-à-dire dans le sens opposé à la rotation du rotor principal 1. Si vraiment le couple résistant sur le rotor 13 est quasiment nul, ce dernier n'introduit aucun mouvement de rotation important au fluide qui sort pratiquement parallèle à 10 sans avoir été perturbé. Si maintenant on introduit par la machine tournante 17 un frei- nage produisant un couple résistant de valeur croissante, on réalise progressivement une mise en rotation du fluide dans l'entrée 7 et dans le sens voulu, c'est-à-dire dans le sens de rotation du rotor principal 1. Ce freinage peut être obtenu par exemple en constituant la machine 17 par un simple frein électromagnétique à courants de Foucault de type classique qui peut moduler ainsi la vitesse de rotation du rotor auxiliaire 13 depuis la vitesse d'autorotation libre jusqu'à une vitesse quasiment nulle. Dans ce dernier cas on obtient par arrêt du rotor auxiliaire 13 la mise en rotation de l'air dans l'entrée 7 dans des conditions excellentes puisque les aubes 15 présentent une courbure dans le sens convenable. Bien entendu le respect rigoureux des conditions imposées par le triangle des vites- ses à l'entrée et à la sortie de chaque aube 15 ne peut pas être observé en toute rigueur pour toutes les vitesses, mais il est parfaitement possible d'y satisfaire avec une très bonne approximation dans toutes les conditions. A titre de variante on peut comme représenté sur la figure 7 profiler les aubes 15 du rotor 13 comme représenté en 15a, c'est-à- dire avec une tangente au point d'attaque qui ne soit plus à inci- dence nulle mais à une incidence relativement faible qui convient pour une vitesse de rotation du rotor auxiliaire intermédiaire entre la vitesse nulle et la vitesse d'autorotation. De cette manière lorsque le couple de freinage varie depuis le couple nul jusqu'au couple maximum, la direction de la vitesse relative des filets flui- des fera toujours un angle très faible, positif ou négatif, par rapport à la tangente à l'aube 15a au point d'attaque. Grâce à cet artifice on peut comme précédemment obtenir le déplacement progressif des courbes caractéristiques de la turbo- machine To, T1, T2 et T3, comme représenté sur la figure 8, mais l'on voit d'après les courbes de rendement que le rendement maximum est plus élevé et qu'il n'est plus obtenu pour les valeurs maximales de W et de Q mais pour des valeurs intermédiaires qui correspondent préci- sément à une utilisation la plus fréquente, notamment dans le cas du surdimentionnement des groupes par mesure de sécurité. Tout ce qui vient d'être exposé à propos d'une machine d'un type radial s'appliquerait de la même façon aux turbomachines de type partiellement axial et partiellement radial, ou de type entièrement axial. En outre dans ce dernier cas le rotor auxiliaire de réglage de la puissance peut être placé non seulement en amont comme précédem- ment, mais également en aval du dernier étage de la turbine pour agir à la manière d'un redresseur habituel. On voit par exemple sur la figure 9 le rotor principal la de type axial tournant autour de son arbre 2, le fluide étant supposé entrant par le coté gauche de la figure 9, et le rotor auxiliaire 13b tournant autour de son arbre 14 et dont les aubes l5b sont naturel- lement profilées différemment des rotors 13 et 13a précédemment. On a représenté sur ces figures schématiquement les triangles des vitesses à l'entrée et à la sortie des aubes 5a, ce qui détermine la vitesse absolue C à la sortie, et l'on voit que cette vitesse se décompose en une composante axiale Ca utile et une composante tangentielle Ct inutile. C'est précisémment pour récupérer l'énergie cinétique conte- nue dans Ct que l'on dispose habituellement en aval du rotor princi- pal une grille d'aubes statiques constituant le redresseur qui ramène la vitesse dans la direction axiale. C'est ce résultat que l'on obtient avec l'invention en laissant le rotor 13b arrêté ou à une vitesse quasi uulle. C'est par contre dans ce cas en libérant progressivement le freinage de ce rotor que l'on incline la composante C de sortie et que par suite on réduit la puissance de la turbomachine. En variante, à la place du freinage indiqué dans les deux exem- ples précédents, on peut remplacer la machine tournante 17 par une véritable machine électrique tournante qui permette d'une part de réaliser ce même freinage mais avec récupératiou d'énergie, et d'autre part d'entra!ner le rotor avec un couple moteur pour qu'il fonctionne non plus seulement en deçà de la vitesse d'autorotation mais également au- delà de cette vitesse. Bien entendu la puissance nécessaire pour alimentation de la machine tournante 17 est tourjours très modique par rapport à la puissance du moteur principal 3, et même par rapport à l'énergie que l'invention permet d'économiser. Enfin pour certaines applications la machine tournante 17 consi- dérée peut avantageusement être constituée par un moteur à deux sens de marche permettant de tourner également en deçà des vitesses nulles vers les vitesses négatives. REVENDICATIONS 1. Turbomachine à déplacement de fluide comportant au moins un rotor principal (1, la), caractérisée par le fait qu'elle comporte un rotor auxiliaire (13, 13a, 13b), à flux axial à aubages profilées (15, 15a, 15b) et à rotation indépendante de celle du rotor princi- pal, disposé dans une veine fluide axiale (10, Ca), soit en amont du rotor principal pour communiquer une prérotation au fluide, soit en aval de celui-ci pour modifier une rotation éventuellement existante de ce fluide, avec un moyen (17) pour modifier la vitesse de ce rotor auxiliaire. 2. Turbomachine selon la revendication 1, caractérisée par le fait que ledit moyen est un dispositif de freinage progressif intro- duisant un couple résistant variable permettant de varier la vitesse du rotor auxiliaire depuis une vitesse d'autorotation, de sens opposé à celle du rotor principal, jusqu'à une vitesse sensiblement nulle. 3. Turbomachine selon la revendication 1, caractérisée par le fait que ledit moyen est constitué par une machine tournante permet- tant d'exercer un couple résistant avec récupération d'énergie pour la rotation en deçà de la vitesse d'autorotation, et un couple moteur pour fonctionner à des vitesses au-delà de la vitesse d'autorotation. 4. Turbomachine selon la revendication 3, caractérisée par le fait que ladite machine tournante est à deux sens de marche pour pouvoir également fonctionner en vitesses négatives en deçà de la vitesse nulle. 5. Turbomachine de type axial selon une des revendications précédentes, caractérisée par le fait que son rotor auxiliaire (13b) est placé en aval du rotor principal (la) et fonctionne en redresseur mobile à vitesse variable.