Brevet FR2646879A1 — publié le 19901116

INSTALLATION POUR LE REFROIDISSEMENT DE GAZ ET LA FOURNITURE DE PUISSANCE MECANIQUE A DES FINS D'ENTRAINEMENT. NOTAMMENT SUR DES ENGINS VOLANTS HYPERSONIQUES La présente invention se rapporte à une installation pour le refroidissement de gaz ou de mélanges de gaz et la fourniture de puissance mécanique à des fins d'entraînement, notamment pour l'utilisation lors de la liquéfaction d'air dans des engins volants hypersoniques aérobies, comprenant un groupe-turbine à plusieurs étages, un groupe-compresseur à plusieurs étages entrainé mécaniquement par le groupe-turbine, ainsi qu'un refroidisseur disposé, dans le canal d'écoulement, entre le groupe-turbine et le groupe-compresseur. Sur des engins volants hypersoniques volant dans l'atmosphère, les températures élevées se produisant par exemple en raison du frottement de l'air ainsi qu'en raison de phénomènes dynamiques nécessitent une multitude de dispositions de refroidissement. En tant que fluides de refroidissement, on Peut avantageusement utiliser, entre autres. les propergols cryogènes se trouvant à bord. ou de l'air ambiant accumulé, refroidi de facon appropriée. On envisage également de récupérer de l'oxvgène liquide à partir d'air ambiant accumule et refroidi jusque dans la plage de vapeur mouillée et d'accumuler cet oxygène en tant que propergol, par exemple pour un etage supérieur a propulsion par moteur- fusée. Pour refroidir l'air dynamique, il existe deux procédes. à savoir la détente isentrople dans une turbine ou le refroidissement isobare dans un échangeur de chaleur. Lors de la détente dans une turblne,il faut tenir compte du fait que, outre la température, la pression diminue également, de sorte que la densité devient plus faible et le volume spécifique devient plus important. Sur l'arbre de la turbine, on dispose donc de puissance mécanique à des fins d'entraînement de tous genres. Par le montage en série de la turbine et du refroidlsseur, on peut soutirer à l'air dynamique de la puissance mécanique et de la chaleur. Par un montage en série d'une turbine, d'un refroidisseur et d'un compresseur, il est possible de soutirer à l'air dynamique de la chaleur et de la puissance mécanique et d'atteindre. ainsi de nouveau le niveau de pression de départ. Une représentation de ces trois processus thermodynamiques dans un diagramme h/s (enthalpie spécifique/entropie spécifique) ou dans un diagramme T/s (température/ entropie spécifique) montre que la diminution d'enthalpie dans une turbine, en raison de l'allure de l'isobare, est plus grande que l'augmentation d'enthalpie dans le compresseur. Par conséquent, la puissance de la turbine est plus importante que la puissance prélevée par le compresseur. La turbine peut donc entraîner le compresseur et, en raison de son excès de puissance, encore d'autres groupes. Pour la mise en oeuvre de ce dernier procédé en trois étages il existe, du point de vue construction, une solution qui part d'un propulseur à arbre usuel à turbines à gaz. L'installation nécessaire peut être dérivée de ce propulseur par le fait que la chambre de combustion est remplacée par un échangeur de chaleur sous la forme d'un refroidisseur et que le trajet d'écoulement est modifié de manière que les turbines soient traversées en premier et le compresseur en dernier. A l'exception de la turbine à arbre (turbine dite libre), tous les étages de turbine sont couplés par un ou plusieurs arbres avec le compresseur. Le compresseur et les turbines sont par exemple du type axial ou radial, chaque étage étant composé d'une couronne d'aubes fixes et d'une couronne d'aubes mobiles. Tous les éléments rotatifs sont disposés coaxialement, le compresseur et les turbines étant espacés axialement au moins de la longueur du refroidisseur. Il est prévu un ou plusieurs arbres d'entraînement longs pour coupler le compresseur et les turbines à travers cet espace. Une telle installation présente plusieurs inconvénients. La longueur axiale et par conséquent l'encombrement sont importants. Le grand nombre d'éléments, en particulier de couronnes d'aubes, de rotors et d'arbres impliquent une structure compliquée, lourde, volumineuse, fragile et onéreuse du point de vue fabrication et entretien. Par contre, la présente invention vise à réaliser une installation pour le refroidissement de gaz ou de mélanges de gaz et pour la fourniture de puissance mécanique, installation qui comprend un groupe-turbine, un groupe-compresseur entraîné par le groupe-turbine et un refroidisseur et qui se distingue par sa compacité, sa simplicité et légèreté, son coût réduit, sa fiabilité et son entretien réduit. L'installation conforme à l'invention pour le refroidissement de gaz ou de mélanges de gaz et pour la fourniture de puissance mécanique à des fins d'entraînement, notamment pour l'utilisation lors de la liquéfaction d'air dans des engins volants hypersoniques aérobies, comprend un groupeturbine à plusieurs étages, un groupe-compresseur à plusieurs étages entraîné mécaniquement par le groupe-turbine, ainsi qu'un refroidisseur disposé, dans le canal d'écoulement, entre le groupe-turbine et le groupecompresseur. Selon l'invention, l'extrémité amont du groupe-turbine est constituée par une turbine à arbre à un ou plusieurs étages. Tous les autres étages du groupe-turbine et tous les étages du groupe-compresseur sont réalisés avec des sens de rotation opposés (rotation antagoniste) d'un étage à l'autre, sans couronnes d'aubes directrice intermédiaires. Le nombre des étages de turbine, sans les étages de la turbine à arbre, correspond au nombre d'étages de compresseur. Chacun de ces étages de turbine est réuni avec un étage de compresseur pour former un rotor libre. Les aubes de turbine sont disposées radialement à l'extérieur ou à l'intérieur des aubes de compresseur, le groupe-turbine et le groupecompresseur présentant des directions d'écoulement sensiblement axiales, opposées, et une déviation d'environ 180' du canal d'écoulement étant prévue dans la zone du refroidisseur. A l'exception de la turbine à arbre traversée en premier, tous les étages de turbine et de compresseur sont réunis sous la forme de rotors libres, de sorte que des arbres d'entraînement correspondants sont supprimés. Par la rotation antagoniste des étages successifs, des aubes directrices entre les rotors peuvent être supprimées, ce qui a une répercution particulièrement favorable sur le poids et la longueur de l'ensemble. Le groupe-turbine et le groupe-compresseur sont traversés sensiblement axialement, le sens d'écoulement étant inversé dans la zone du refroidisseur. Par conséquent, le premier étage de turbine (pression élevée) est réuni avec le dernier étage de compresseur (pression élevée) et inversement, c'est-à-dire que dans tous les étages, il n'y a presque pas de différences de pression entre le côté turbine et le côté compresseur, ce qui réduit dans une large mesure les pertes par fuite. Suivant une autre caractéristique de l'invention, des couronnes d'eau directrices sont disposées en amont de la turbine à arbres, entre la turbine à arbres et le premier étage de turbines à rotors libres, dans le canal d'écoulement entre le groupe-turbine et le groupe- compresseur, et/ou en aval du groupe-compresseur. De préférence, un refroidisseur supplémentaire peut être monté en aval du groupe-compresseur. En se référant au dessin annexé, on va décrire ci- après plus en détail l'invention. La figure unique du dessin est une demicoupe schématique d'une installation conforme à l'invention, le canal d'écoulement principal étant représenté coupé sur toute la longueur. L'installation 1 comprend trois éléments principaux, à savoir le groupeturbine 2, le retroidisseur 3 et le groupe-compresseur 4, ces trois éléments étant traversés dans cet ordre. Le gaz ou mélange de gaz riche en énergie, par exemple de l'air dynamique sous haute température et sous haute pression, parvient par l'entrée 5 dans l'installation 1. La position et la section de l'entrée 5 sont adaptées selon les besoins, un agencement excentré étant représenté dans le cas présent. Dans la zone située devant le groupe-turbine 2, le canal d'écoulement adopte une section annulaire circulaire, ce qui permet une admission aussi uniforme que possible du premier étage de turbine. Le premier étage de turbine est la turbine à arbre 23 qui, comme représenté, peut être précédée d'une couronne d'aubes directrices 9. L'aubage de la turbine à arbre 23, le cas échéant à plusieurs étages, transmet la puissance prélevée au flux de gaz, c'est-à-dire le produit du couple par la vitesse angulaire (M x ), par le rotor 17 à l'arbre 24 monté avec un frottement aussi faible que possible dans les paliers 21 et 22. A l'extrémité libre de l'arbre (à droite sur la figure), la puissance sur l'arbre (M x w) peut être prélevée à des fins d'entraînement de tous genres, par exemple pour l'entraînement de pompes, de générateurs, de compresseurs, etc. Immédiatement en aval de la turbine à arbre 23 peut être disposée, en cas de besoin, également une couronne d'aubes directrices. Tous les autres étages de turbine, à savoir par exemple sept étages dans l'exemple représenté, se succèdent sans couronnes d'aubes directrices intermédiaires, le sens de rotation étant inversé d'un étage & l'autre (rotation antagoniste). Cela permet, pour un rapport d'expansion prédéterminé, de réduire considérablement le poids et la longueur de l'ensemble. Selon l'invention, chacun des rotors 10 à 16 porte non seulement un aubage de turbine, mais également un aubage de compresseur, de sorte que le couple d'entraînement est transmis du côté turbine au côté compresseur, dans chaque étage, directement, c'est-à-dire sans arbre. A titre d'exemple pour tous les rotors 10 à 16, on a désigné sur le rotor 16 les aubes de turbine par la référence 18, les aubes de compresseur par la référence 19, le palier par la référence 20. Tous les rotors 10 à 16 sont montés de préférence librement tournants, c'est-à-dire indépendamment les uns des autres, sur des roulements, ce qui fait que chacun adopte sa vitesse de rotation en fonction de la géométrie de l'aubage et des conditions d'écoulement. Le refroidisseur 3 disposé, du point de vue écoulement, entre le groupe-turbine 2 et le groupe- compresseur 4 est un échangeur de chaleur ayant une résistance à l'écoulement aussi faible que possible, échangeur dans lequel l'air (gaz de travail) cède de la chaleur à un autre fluide, par exemple un propergol cryogène, qui en est séparé dans.l'espace. Dans la zone du refroidisseur 3 est prévue une déviation 7 du canal d'écoulement, entraînant une inversion (d'environ 180') de la direction d'écoulement, de sorte que la sortie de turbine se trouve reliée par le trajet le plus court possible à l'entrée de compresseur. Des couronnes d'aubes directrices peuvent également être prévues dans cette zone. Dans le mode d'écoulement choisi, le côté gauche est le côté sous pression plus élevée, aussi bien pour le groupe-turbine 2 que pour le groupe-compresseur 4, le côté droit étant le côté sous pression plus faible. Il en découle que chaque étage à rotation libre (rotor 10 à 16), la pression moyenne sur le côté turbine est à peu près la même que la pression moyenne sur le côté compresseur. Cela donne l'effet favorable que des pertes par fuite ne se produisent pratiquement pas par les interstices existant nécessairement entre les rotors. Comme le montre la figure, l'air comprimé (gaz de travail) pénètre par le rotor 17 de la turbine à arbre 23 dans le canal d'écoulement incurvé menant vers le refroidisseur supplémentaire 8. Cela signifie que le rotor 17 doit comporter des ouvertures opposant le moins possible de résistance à l'air et dissipant par conséquent le moins possible de puissance de la turbine à arbre 23. Ici également, des couronnes d'aubes directrices peuvent être disposées dans la zone de sortie du groupe- compresseur 4. A l'inverse de ce qui se passe dans la zone entre l'entrée 5 et le groupeturbine 2, le canal d'écoulement passe, en aval du groupe-compresseur 4, dans l'exemple représenté, d'une section annulaire circulaire à une section ouverte, située à l'extérieur du corps de turbine, section dont la forme est de préférence adaptée à la forme du refroidisseur supplémentaire 8. Etant donné qu'à cet endroit, la pression est plus importante et donc la densité de l'air est plus élevée que dans la zone du refroidisseur 3, le refroidisseur supplémentaire 8 peut être dimensionné plus petit que le refroidisseur 3. Le refroidisseur supplémentaire 8 n'est pas un élément nécessaire de l'installation. Cependant, si l'air comprimé doit être refroidi encore davantage, il peut être judicieux d'intégrer le refroidisseur supplémentaire 8 à l'installation 1. Le trajet d'écoulement de l'air à l'intérieur de l'installation l se termine & la sortie 6. - Il convient encore de faire état d'un mode de réalisation supplémentaire, non représenté, dont la différence principale par rapport au mode de réalisation représenté consiste dans le fait que le groupe- compresseur est disposé radialement à l'extérieur du groupe-turbine. Cela présente l'avantage que le rotor de la turbine à arbre n'a pas besoin d'être traversée par le gaz de travail comprimé. REVENDICATIONS 1. Installation pour le refroidissement de gaz ou de mélanges de gaz et pour la fourniture de puissance mécanique à des fins d'entraînement, notamment pour l'utilisation lors de la liquéfaction d'air dans des engins volants hypersoniques aérobies, comprenant un groupe-turbine à plusieurs étages, un groupe-compresseur à plusieurs étages entraîné mécaniquement par le groupe- turbine, ainsi qu'un refroidisseur disposé, dans le canal d'écoulement, entre le groupe-turbine et le groupe- compresseur, caractérisée par le fait que l'extrémité amont du groupeturbine (2) est constituée par une turbine à arbre (23) à un ou plusieurs étages, que tous les autres étages du groupe-turbine (2) et tous les étages du groupe-compresseur (4) sont réalisés avec des sens de rotation opposés (rotation antagoniste) d'un étage à l'autre, sans couronnes d'aubes directrices intermédiaires, que le nombre des étages de turbine, sans les étages de la turbine à arbre (23), correspond au nombre d'étages de compresseur, que chacun des étages de turbine est réuni avec un étage de compresseur pour former un rotor libre (10 à 16), et que les aubes de turbine (18) sont disposées radialement à l'extérieur ou à l'intérieur des aubes de compresseur (19), le groupe- turbine (2) et le groupe-compresseur (4) présentant des directions d'écoulement sensiblement axiales, opposées, et une déviation (7) d'environ 180' du canal d'écoulement étant prévue dans la zone du refroidisseur (3). 2. Installation selon la revendication 1, caractérisée par le fait que des couronnes d'aubes directrices (9) sont disposées en amont de la turbine à arbre (23), et/ou entre la turbine à arbre (23) et le premier étage de turbine à rotor libre, et/ou dans le canal d'écoulement entre le groupe-turbine (2) et le groupe-compresseur (4), et/ou en aval du groupe- compresseur (4). 3. Installation selon la revendication 1 ou 2, caractérisée par le fait qu'un refroidisseur supplémentaire (8) est monté en aval du qroupe- compresseur (4).