Brevet FR2686376A1 — publié le 19930723

TURBOALTERNATEUR ENTRAINE PAR UN MELANGE GAZ/LIQUIDE DESCRIPTION DOMAINE DE L'INVENTION L'invention concerne la production de l'énergie électrique à partir de l'énergie hydraulique d'un mélange gaz/fluide véhiculé dans une canalisation. Elle est particulièrement destinée à la charge de batteries d'alimentation d'appareils isolés. C'est le cas des installations électroniques embarquées à bord des plate-formes pétrolières périphériques, le fluide utilisé étant le pétrole brut qui est un mélange gaz/liquide. ART ANTERIEUR ET PROBLEME POSE Sur les plate-formes pétrolières périphériques qui sont trop éloignées pour pouvoir être reliées à la plate-forme principale par des câbles électriques, on utilise actuellement soit des panneaux solaires, soit des générateurs Diesel pour fournir une partie de l'énergie électrique nécessaire sur ces plates-formes. Or, d'une part, les panneaux solaires sont limités en puissance. D'autre part, l'entretien et l'approvisionnement en combustible des générateurs Diesel limitent également leur utilisation pour la production de l'énergie sur ce type de plate-forme éloignée. Le but de l'invention est de remédier à ces inconvénients en proposant un autre type de moyens de production de l'énergie électrique sur le site. D'autre part, on connaît l'utilisation des turbines biphasiques entraînées par des mélanges gaz/vapeur ou gaz/liquide. Dans ce type d'appareil, il est tout le temps prévu un système de régulation de la turbine. Cette regulation intervient au niveau du débit du mélange fluidique qui apporte l'énergie et au niveau du besoin d'énergie électrique à fournir. Or, dans le cadre des plates-formes pétrolières isolées, il serait utile de disposer d'un dispositif turboalternateur capable de fournir de l'énergie quelle que soit la composition du fluide moteur, à chaque instant, et quelle que soit la demande en énergie électrique à fournir. OBJET DE L'INVENTION I1 est constitué principalement d'un turboalternateur entraîne par un mélange gaz/liquide comprenant - une turbine entraînée par flux du mélange dans une chambre d'entraînement ; et - un alternateur constitué d'un rotor solidaire en rotation de la turbine et d'un stator à bobinages relié à une boîte à bornes pour la connexion. Selon l'invention, le rotor est entièrement noyé dans un circuit de refroidissement par huile. De préférence, le rotor est à aimants permanents. Dans le cas où l'on connaît la pression déterminée P de circulation du mélange, le circuit d'huile est à cette même pression P, grâce à un réservoir d'huile mis à cette pression P. Dans la réalisation préférentielle de l'invention, le rotor est monté sur des paliers hydrodynamiques noyés dans le circuit d'huile. On peut également utiliser une butée axiale pour le rotor elle-même noyée dans le circuit d'huile. De préférence, on utilise une turbine du type axial. Le montage peut être complété par une garniture mécanique placée entre le circuit d'huile et la chambre d'entraînement. LISTE DES FIGURES L'invention et ses différentes caractéristiques techniques seront mieux comprises à la lecture de la description suivante, accompagnée de deux figures représentant respectivement - figure 1, l'utilisation du turboréacteur selon l'invention ; et - figure 2, en coupe, le turboalternateur selon l'invention. DESCRIPTION DETAILLEE D'UN MODE DE REALISATION DE L'INVENTION Sur la figure 1, on a représenté une canalisation 1, telle qu'un pipeline dans lequel circule, dans une direction déterminée, un flux de fluide, en l'occurrence du pétrole brut, c'est-à-dire un mélange gaz/liquide, de rapport indéterminé. Dans le but de produire de l'énergie électrique une dérivation est installée au moyen de deux canalisations d'entrée 2 et de sortie 3. Chacune de ces canalisations peut être complétée d'une vanne respectivement 2A et 3A. Sur cette dérivation est placé le dispositif selon l'invention, c'est-à-dire un turboalternateur référencé 10. Ce dernier est constitué principalement d'un alternateur 10A entraîné par une turbine 10B dans laquelle circule le flux de fluide dévié par les canalisations 2 et 3. Un diaphragme 4 placé en travers de la canalisation 1 permet cette dérivation. Comme expliqué dans la suite de la description, une caractéristique principale de l'invention est que le rotor ll de l'alternateur 10A se trouve noyé dans un circuit fermé d'huile destiné au refroidissement du dispositif. Les calories ainsi évacuées par ce circuit d'huile, symbolisé par la canalisation 9, sont partiellement évacuées dans l'atmosphère au moyen d'un échangeur de chaleur atmosphérique 8. Pour minimiser les problèmes dûs à d'éventuelles différences de pression au sein même du turboalternateur 10, il est prévu de faire fonctionner ce circuit d'huile à la même pression P de circulation du flux de fluide dans la turbine 10B, c'est-à-dire dans la canalisation de dérivation 2. A cet effet, un réservoir d'huile 6 étant relié à la canalisation 9 du circuit fermé d'huile, au moyen d'une canalisation d'alimentation d'huile 7, celui-ci est mis à la pression P de circulation du flux de fluide dans la dérivation 2 au moyen d'une liaison réalisée par une canalisation de pression 5. Ainsi, on évite les différences de pression existant entre la partie turbine 10B et la partie alternateur 10A du turboalternateur 10 selon l'invention. En référence à la figure 2, la turbine 10B est constituée principalement d'un corps de turbine ll auquel est fixé de manière étanche la canalisation d'alimentation 2A amenant le liquide fournissant l'énergie hydraulique. Ce corps de turbine 11 met en communication la première canalisation de dérivation 2A avec la deuxième canalisation de dérivation 3A par l'intermédiaire d'une chambre d'entraînement 12 de roue 13 de la turbine 10B. A l'intérieur de celle-ci se trouve bien évidemment une roue de turbine 13 destinée à transformer l'énergie hydraulique du flux de fluide traversant la turbine 10B en énergie mécanique de rotation autour de son axe de rotation 13A. Dans la réalisation décrite, la roue de turbine 13, et en conséquence la turbine 10B, sont de type axial. Ceci n'est qu'un exemple de réalisation, ce type de turbine présentant certains avantages compte tenu de l'application au mélange pétrolifère gaz/liquide. L'alternateur 10A comprend principalement un rotor 14 monté mobile en rotation à l'intérieur d'un stator 15. Le rotor 14 est lié en rotation avec la roue 13 de la turbine 10B. La réalisation la plus évidente consiste à relier ces deux éléments sur le même axe de rotation 13A. On peut même envisager leur fabrication conjointe dans la même ébauche. L'alternateur 10A se complète d'un corps d'alternateur 16 fixé au corps de turbine 11 par des moyens de fixation, par exemple des boulons 17. C'est dans une cavité interne 18 de ce corps d'alternateur 16 qu'est logé le stator 15. Ce dernier comprend principalement des bobinages de câbles électriques entourant le rotor 14. Dans le but de faire fonctionner le rotor 14 dans un bain d'huile, c'est-à-dire que ce rotor se trouve entièrement noyé dans le circuit d'huile de refroidissement, on dispose entre le rotor 14 et le stator 15 une virole d'étanchéité 19. Le volume contenu à l'intérieur de cette virole 19 constitue donc une partie du circuit d'huile de refroidissement. Pour positionner le rotor 14 à l'intérieur du corps d'alternateur 16, on utilise des paliers 20 montés de part et d'autre du rotor 14 autour de l'arbre 21 supportant ce dernier. De préférence, ces paliers 20 sont des paliers hydrodynamiques. Le positionnement de ces paliers 20 se fait par l'intermédiaire de deux bagues d'extrémité 22A et 22B, elles-mêmes fixées à l'intérieur du corps d'alternateur 16. La première de ces bagues d'extrémité 22A est fixee en translation entre les deux corps de turbine 11 et d'alternateur 16. La deuxième bague d'extrémité 2B est fixée entre le corps d'alternateur 16 et une bride de fixation 23 fixée sur le corps d'alternateur 16 par des moyens de fixation, tels que des boulons 24. Le positionnement axial de l'ensemble du rotor 14, de l'arbre et de la roue de turbine 13 se fait de préférence au moyen d'une butée axiale 25 placée en bout de l'arbre 21 à côté de la bride de fixation 23. Une des bagues de la butée prend appui sur l'une des pièces constitutives de l'alternateur 10A, en l'occurrence l'extrémité de fixation 22B. Le circuit de refroidissement par huile, dans cette réalisation, est le suivant. Une entrée d'huile 26 est pratiquée dans le corps d'alternateur 16 et reçoit une première extrémité de la canalisation de circuit d'huile 9 (figure 1). Cette entre d'huile 26 est en communication directe avec le volume compris à l'intérieur de la virole d'étanchéité 19. L'huile a donc directement accès au rotor. Dans cette réalisation, elle a également directement accès aux deux paliers 20, participant au fonctionnement de ces derniers quand ceux-ci sont du type hydrodynamique. Pour assurer l'étanchéité de ce circuit d'huile du côté de la turbine 10B, une garniture mécanique 27 est placée à côté du palier correspondant 20. Le circuit se prolonge de manière analogue vers une sortie 28 pratiquée par exemple dans la bride de fixation 23. De manière analogue au premier palier 20, le deuxième est en contact direct avec ce circuit d'huile de refroidissement. L'huile peut accéder à la sortie 28 en traversant le palier et la butée 25 grâce à des passages 29. Ainsi, la butée axiale 25 est en contact direct avec l'huile. Des joints d'étanchéité 30 peuvent être prévus entre le corps d'alternateur 16 et la bride d'extrémité 23 et le corps de turbine 11. Les fils 31 constituant les bobinages du stator 15 sortent du corps d'alternateur 16 par l'intermédiaire d'une borne 32. Les fils 31 ont été représentés au nombre de trois pour symboliser la réalisation préférentielle du stator 15 sous la forme triphasée. Le rotor est de préférence du type à aimants permanents, de manière à éviter la présence de balais de frottement. Le fonctionnement du turboalternateur selon l'invention est le suivant. On admet que ce turboalternateur doit charger une batterie électrique vide, par l'intermédiaire d'un redresseur. On note tout d'abord qu'aucune régulation ou automatisme de protection n'est prévu avec ce turboalternateur. Ce dernier possède en tout et pour tout deux états limites de fonctionnement qui peuvent être sélectionnés par un dispositif disjoncteur. Quand le turboalternateur charge la batterie, l'ensemble de la roue 13 de la turbine lOB et du rotor 14 tourne à une vitesse nominale qui peut être par exemple de 2 500 à 3 000 tours par minute l'alternateur 10A fournit alors sa puissance nominale, par exemple 20 kW. Dans ce mode de fonctionnement, le circuit de refroidissement par huile évacue la puissance dissipée par les frottements fluides dans l'huile au niveau du rotor 14, des paliers 20 et de la butée 25 (environ 2 à 3 kW). Lorsque la batterie devient chargée, le courant de charge diminue et la vitesse de l'ensemble tournant roue 13/rotor 14 augmentent. En conséquence, les pertes d'énergie dissipée par frottement dans l'huile augmentent également. Cette énergie est alors dissipée au moyen du refroidisseur repéré 8 sur la figure 1. Lorsque la réduction de la charge dans la batterie est complète, l'alternateur 10A ne fournit alors plus de courant et l'ensemble tournant roue 13/rotor 14 totalement délesté est alors livré à son fonctionnement naturel à l'intérieur du circuit de refroidissement par huile. La vitesse de cet ensemble est alors celle pour laquelle les pertes de frottement dans le circuit d'huile sont égales à la puissance hydraulique fournie à cet ensemble tournant par le flux de fluide dérivé, soit 20 kW. Cette vitesse limite peut être de l'ordre de 6 000 tours par minute. L'énergie est alors totalement dissipée par le refroidisseur branché sur le circuit de refroidissement par huile. AVANTAGES DE L'INVENTION Le fait de travailler en équipression avec la pression P régnant à l'intérieur de la canalisation transportant le fluide et la dérivation, facilite le fonctionnement du turboalternateur. De plus, il est possible de travailler à des pressions différentes, en fonction de la pression P de ce fluide. Le turboalternateur n'est pas régulé en vitesse. C'est le type de fonctionnement (en charge ou libre) qui détermine la vitesse de rotation. La composition du liquide tel qu'un effluent pétrolier, peut varier pendant le fonctionnement avec l'arrivée de bouchons de liquide dans un gaz ou de bulles de gaz dans un liquide. La turbine axiale est particulièrement adaptée à ce type de mélange. On peut en outre monter dans la turbine une roue adaptée à un fonctionnement spécifique d'un autre type de mélange utilisé. REVENDICATIONS 1. Turboalternateur (10) entraîné par un mélange gaz/liquide, comprenant principalement - une turbine (10B) entraînée par le flux du mélange agissant sur une roue (13) de turbine placée dans une chambre d'entraînement (12) ; et - un alternateur (10A) constitué d'un rotor (14) solidaire en rotation de la roue (13) et d'un stator (15) à bobinages reliés à une boîte à bornes (32), caractérisé en ce que le rotor (14) est entièrement noyé dans un circuit de refroidissement par huile. 2. Turboalternateur (10) selon la revendication 1, caractérisé en ce que le rotor (14) de l'alternateur (10A) est à aimants permanents. 3. Turboalternateur (10) selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que le rotor (14) est monté tournant dans le stator (15) au moyen de paliers hydrodynamiques (20) noyés dans le circuit d'huile. 4. Turboalternateur (10) selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il comprend une butée axiale (25) du rotor (14), noyée dans le circuit de refroidissement par huile. 5. Turboalternateur (10) selon l'une quelconque des revendications pr8cédentes, caractérisé en ce qu'il comprend une garniture mécanique (27) placée entre le circuit d'huile et la chambre d'entraînement (12) de la turbine (lOB). 6. Turboalternateur (10) selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que la turbine (10B) est du type axial. 7. Turboalternateur (10) selon l'une quelconque des revendications précédentes, utilisé avec un flux de fluide dont on connaît la pression (P) et avec un réservoir d'huile de refroidissement (6) mis à la pression (P) du flux de fluide utilisé, de manière à ce que le circuit de refroidissement par huile fonctionne avec la même pression (P) de circulation du fluide.