Brevet FR2837873A1 — publié le 20031003

ARRIERE PLAN DE L'INVENTION 1. Domaine de l'invention La présente invention concerne une turbine à étages multi- ples à une seule cascade, qui fonctionne en turbine à étages multiples s tout en ayant une seule cascade d'aubes de rotor. 52. Description de la technoloúie concernée Conventionnellement, une turtine à étages multiples est connue comme dispositif permettant de convertir efficacement en puis- sance l'énergie contenue dans un fluide. Une turbine à étages multiples 0 est une turbine qui répète un processus consistant à convertir en puis- sance l'énergie contenue dans un fluide, par une cascade rotative d'aubes de rotor, puis à guider le fluide sous pression réduite vers une autre cas- cade d'aubes de rotor placées en aval, et à convertir en puissance l'énergie contenue dans le fluide. s Cependant, avec les turbines à étages multiples couram ment utilisées, lorsque la vitesse périphérique des pales est réglée à une valeur particulière, pour convertir en puissance l'énergie contenue dans le fluide avec un degré d'efflcacité suffisant, il est nécessaire d'augmenter le nombre d'étages de la turbine c'est à dire, en d'autres termes, le nombre o de cascades. L'augmentation du nombre de cascades dans une turbine à étages multiples, pose immédiatement les problèmes de complication de la construction de la turtine, d'augmentation du coût de fabrication et de réduction de la facilité d'entretien. Par suite, il faut résoudre le problème qui subsiste et qui s consiste à permettre de convertir efflcacement en puissance l'énergie contenue dans le fluide, de la même manière que dans le cas d'une tur- bine à étages multiples, mais sans augmenter le nombre de cascades. RESUME DE L'INVENTION La présente invention a pour but de supprimer les défauts de la technologue conventionnelle indiquée ci-dessus, spécifiquement en créant une turbine à étages multiples à une seule cascade qui permet d'extraire efficacement la puissance de la même manière qu'avec une tur- bine à étages multiples comportant des étages multiples d'aubes de rotor, sans réduire la facilité d'entretien et en évitant d' augmenter le coût de fa 3s brication, grâce à la construction d'une turUine de configuration compacte qui ne comprend qu'une seule cascade. Dans la turbine à étages multiples à une seule cascade se lon la présente invention, on répète au moins une fois un processus de circulation de fluide de travail, comprenant les étapes consistant à: - amener le fluide de travail à s'écouler sur un côté d'une cascade uni que d'aubes de rotor vers une partie de la direction circonférentielle de ces aubes de rotor; ramener le fluide de travail qui est passé à travers les aubes de rotor, vers le premier côté ci-dessus des aubes de rotor; et - faire passer de nouveau le fluide de travail à travers les aubes de rotor to en un endroit légèrement différent dans la direction circonférentielle de ces aubes de rotor; - ex:traire de la puissance du fluide de travail à chaque fois que ce fluide de travail passe à travers les aubes de rotor. Selon cette turbine à étages multiples à une seule cascade, on répète au moins une fois un processus de circulation dans lequel, après que le fluide de travail se soit écoulé sur un côté de la cascade uni que d'aubes de rotor, vers une partie de la direction circonférentielle des aubes de rotor, et soit passé à travers les aubes de rotor, ce fluide re tourne au premier côté ci-dessus des aubes de rotor et passe de nouveau à travers les aubes de rotor à un endroit légèrement différent dans la di rection circonférentielle des aubes de rotor. A chaque fois qu' on fait pas ser le fluide de travail à travers les aubes de rotor, sa pression diminue; ce pendant, l'énergie contenue dans le fluide est extraite sous la forme d'un couple des aubes de rotor, suivant la quantité de réduction de pression. En conséquence, l'énergie contenue dans le fluide peut être extraite effica cement. Dans cette turtine à étages multiples à une seule cascade, le fluide de travail qui est fourni par le conduit d'alimentation et passe à travers les aubes de rotor, se divise ensuite en une pluralité de courants et le processus de circulation peut être mis en _uvre par rapport à chaque courant du fluide de travail ainsi divisé. De cette manière, en divisant le fluide de travail en une pluralité de courants et en mettant en _uvre le processus de circulation par rapport à chaque courant, même avec un fai ble nombre de répétitions du processus de circulation, on peut mettre en 3s _uvre le processus de circulation du ffuide de travail en utilisant la tota lité ou une large zone de la direction circonférentielle des aubes de rotor, et la puissance du fluide de travail peut être e:gtraite. La turbine à étages multiples à une seule cascade peut étre appliquée à un ventilateur ou à un compresseur comportant des pales mobiles, en attachant les aubes du rotor aux bouts des pales mobiles et en entraînant les pales mobiles par la puissance extraite du fluide de tra- s vail aux aubes du rotor. De plus, la turbine à étages multiples à une seuIe cascade selon la présente invention comprend une cascade unique d'aubes de ro- tor; un conduit d'alimentation destiné à produire l'écoulement d'un fluide de travail sur un côté des aubes de rotor vers une partie de la direction o circonférentielle de ces aubes de rotor; un ou plusieurs conduits de cir- culation comportant chacun un élément de conduit d'échappement par lequel le fluide de travail qui est passé à travers les aubes de rotor, est évacué vers l'extérieur, un élément de conduit de retour pour ramener le fluide de travail au premier côté ci-dessus des aubes de rotor et un élé s ment de conduit d'entrée relié à l'élément de conduit de retour, pour four- nir le fluide de travail aux aubes de rotor à un endroit légèrement différent dans la direction circonférentielle des aubes de rotor; et un port d'échap- pement pour décharger le fluide de travail qui a été ramené par le dernier conduit de circulation des conduits de- circulation et qui est passé à tra vers les aubes de rotor. Selon cette turbine à étages multiples à une seule cascade, le fluide de travail s'écoule dans une partie de la direction circonférentielle des aubes de rotor en passant par le conduit d'alimentation prévu sur un côté de la cascade des aubes de rotor, et passe à travers ces aubes de ro tor. Après son passage à travers les aubes de rotor, le fluide de travail ré- pète au moins une fois le processus de circulation consistant à passer à travers les aubes de rotor et par les conduits de circulation. En d'autres termes, à partir de l'élément de conduit d'échappement du conduit de cir- culation, le fluide retourne au premier côté ci-dessus des aubes de rotor en passant par le conduit de retour et, à partir du conduit d'entrée se re- liant au conduit de retour, le fluide passe à travers les aubes de rotor à un endroit légèrement différent dans la direction circonférentielle des aubes de rotor. Après son retour par le conduit de circulation final, le fluide de travail qui est passé à travers les aubes de rotor est déchargé par l'orifice d'échappement. A chaque fois que le fluide de travail passe à travers les aubes de rotor, sa pression diminue; cependant, l'énergie contenue dans le fluide est extraite sous la forme d'un couple des aubes de rotor, suivant la quantité de réduction de pression. En conséquence, l'énergie contenue dans le fluide peut être extraite efficacement. Dans cette turbine à étages multiples à une seule cascade, le fluide de travail qui est fourni par le conduit d'alimentation et passe à s travers les aubes de rotor se divise ensuite en une pluralité de courants, et un conduit de circulation peut être prévu pour chaque courant du fluide de travail ainsi divisé. En divisant le fluide de travail en plusieurs cou- rants et en prévoyant un conduit de circulation pour chaque courant, même avec un faible nombre de répétitions du processus de circulation, ce o processus de circulation du fluide de travail est mis en _uvre en utilisant la totalité ou une large zone de la direction circonférentielle des aubes de rotor, et la puissance du fluide de travail peut être extraite efflcacement. Cette turbine à étages multiples à une seule cascade peut s'appliquer à un ventilateur ou à un compresseur comportant des pales s mobiles, en attachant les aubes de rotor aux bouts des pales mobiles, et en entraînant les pales mobiles par la puissance extraite du fluide de tra^ vail aux aubes du rotor. La puissance extraite peut ainsi être utilisée effi- cacement dans un ventilateur ou dans un compresseur. BREVE DESCRIPTION DES DESSINS o La présente invention sera décrite ci-après de manière plus détaillée en se référant auz: dessins annexés dans lesquels: la figure 1 est une vue en perspective d'un mode de réalisation d'une turbine à étages multiples à une seule cascade, selon la présente in vention; et - la figure 2 est une vue en perspective d'une application d'une turbine à étages multiples à une seule cascade, selon la présente invention. DESCRIPTION DES MODES DE REALISATION PREFERENTIELS Un mode de réalisation d'une turbine à étages multiples à une seule cascade selon la présente invention, sera décrit en se référant aux dessins. Comme représenté dans la fgure 1, une turUine à étages multiples à une seule cascade 1 comprend une cascade unique d'aubes de rotor 2, un conduit d'alimentation 3, au moins un conduit de circulation 4, et un port d'échappement 5. La cascade unique d'aubes de rotor 2 peut par exemple être attachée autour d'une roue à aubes rotative (non repré sentée dans le dessin), et il n'y a pas de différences avec la construction de cascade d'une roue à aubes unique conventionnelle. Le conduit d'alimentation 3 qui fournit le fluide de travail est prévu à un certain en- droit sur le carter (non représenté dans le dessin) de la turbine à étages s multiples à une seule cascade 1, et le conduit d'alimentation 3 s'étend dans la direction circonférentielle des aubes de rotor 2 jusqu'à une zone qui ne représente qu'une partie seulement de la circonférence totale. Lors- que le fluide de travail qui est fourni par le conduit d'alimentation 3 aux s aubes de rotor 2 passe à travers ces aubes de rotor 2, une partie de l'éner- gie contenue dans le fluide de travail est extraite sous la forme de la force d'entrâînement en rotation de la roue à aubes sur laquelle sont fixées les aubes de rotor 2. Un conduit d'échappement 6 est prévu dans une position o située en face du conduit d'alimentation 3 en travers des aubes de rotor 2. Le conduit d'échappement 6 est divisé en deux éléments de conduit d'échappement 6a, 6b, et le fluide de travail qui est fourni par le conduit d'alimentation 3 et passe à travers les aubes de rotor 2,-est déchargé dans chaque élément de conduit d'échappement 6a, 6b. Les éléments de s conduit d'échappement 6a et 6b sont reliés respectivement aux éléments de conduit de retour 7a et 7b, tandis que les éléments de conduit de re- tour 7a et 7b sont reliés respectivement aux éléments de conduit d'entrée 8a et 8b. La combinaison de l'élément de conduit d'échappement 6a, de l'élément de conduit de retour 7a et de l'élément de conduit d'entrée 8a, o constitue un bloc unique appelé conduit de circulation 4a, et la combinai- son de l'élément de conduit d'échappement 6b de l'élément de conduit de retour 7b et de l'élément de conduit d'entrce 8b, constitue de la même fa- çon un bloc unique appelé conduit de circulation 4b. Selon cette configuration, le fluide de travail qui est déchar s gé vers le conduit d'échappement 6 est divisé et renvoyé par les conduits de retour 7a et 7b vers les conduits d'entrée 8a et 8b positionnés séparé- ment de chaque côté de la direction circonférentielle du conduit d'alimen- tation 3. Les conduits d'entrée 8a et 8b des conduits de circulation 4a et 4b ont une fonction analogue à celle du conduit d'alimentation 3, c'est à o dire d'envoyer le fluide de travail vers les aubes de rotor 2. Une partie de l'énergie contenue dans le fluide de travail qui est fourni par les éléments de conduit d'entrée 8a et 8b aux aubes de rotor 2, est extraite à l'endroit des aubes de rotor 2. La pression du fluide de travail qui passe à travers les aubes de rotor 2 diminue suivant la puissance extraite. s Dans ce mode de réalisation, les courants de fluide de tra vail qui sont entrainés en circulation à travers les conduits de circulation 4a, 4b et passent à travers les aubes de rotor 2, sont de nouveau entrai nés chacun en circulation par d'autres conduits de circulation 4c et 4d. En d'autres termes, le conduit de circulation 4c comprend une combinai- son de l'élément de conduit d'échappement 6c, de l'élément de conduit de retour 7c et de l' élément de conduit d' entrce 8 c constituant un bloc uni- que, et le conduit de circulation 4d comprend une combinaison de l'élé ment de conduit d'échappement 6d, de l'élément de conduit de retour 7d et de l'élément de conduit d'entrée 8d constituant un bloc unique. Les éléments de conduit d'échappement 6c et 6d sont prévus pour venir en face des éléments de conduit d'entree 8a et 8b en travers des aubes de rotor 2. o Dans le mode de réalisation représenté dans la figure 1, les conduits de circulation 4c et 4d sont également reliés chacun, en travers des aubes de rotor 2, au conduit de circulation 4e (constitué par la com binaison d'un élément de conduit d'échappement 6e, d'un élément de conduit de retour 7e et d'un élément de conduit d'entree 8e) et au conduit s de circulation 4f (constitué par la combinaison d'un élément de conduit d'échappement 6f non représenté dans le dessin, d'un élément de conduit de retour 7f et d'un élément de conduit d'entree 8f). Après avoir circulé à travers le s conduits de circulation 4e et 4f lorsqu' il s p as s ent à travers les aubes de rotor 2, le fluide de travail fournit de la puissance aux aubes de rotor 2, après quoi ce fluide de travail est déchargé par le port d'échappe- ment 5. De cette manière, la puissance est extraite du fluide de tra- vail fourni à travers le conduit d'alimentation 3 par les aubes de rotor 2. Cependant, après être passé à travers les aubes de rotor 2 et être sorti à 2s l'arrière de celles-ci, le fluide de travail est guidé par le conduit de circula- tion 4 dans la direction circonférentielle, vers une entree d'une partie dif- férente, et s'écoule dans les aubes de rotor 2, après quoi de la puissance est extraite une seconde fois par les aubes de rotor 2. Après avoir répété ce processus de circulation au moins une fois, le fluide de travail est dé chargé par le port d'échappement 5. En répétant ce processus de circula- tion un certain nombre de fois, la cascade unique 2 fonctionne de la même manière qu'une turtine à étages multiples. L'énergie (pression) contenue dans le fluide diminue à chaque fois qu'il passe à travers les aubes de ro- tor 2 et, sans augmentation du nombre de cascades des aubes de rotor 2, les aubes de rotor d'une cascade unique peuvent récupérer efficacement de l'énergie. Dans le mode de réalisation indiqué ci-dessus, le fluide de travail qui est fourni par le conduit d'alimentation 3 et passe à travers les aubes de rotor 2, se divise des deux côtés à travers les conduits de circu- lation 4a et 4b. Cependant, on peut répéter un processus de circulation permettant de ramener le fluide à un côté des aubes de rotor 2 en passant par un conduit de circulation unique sans division et, après passage à travers les aubes de rotor 2, le fluide est de nouveau ramené par un conduit de circulation différent. L'application ou réalisation représentée dans la figure 2 est un exemple de la méme turbine à étages multiples à une seule cascade, que celle du mode de réalisation représenté dans la figure 1, mais appli o quée à un ventilateur. Les aubes de rotor 2 de la turbine à étages multi- ples à une seule cascade 1 sont attachées aux bouts des pales de rotor de ventilateur 1O. En utilisant de l'air ou un gaz de combustion à haute pres- sion et à faible débit comme fluide de travail, on peut faire tourner un ventilateur à une faible vitesse périphérique. Dans ce cas, le conduit s d'alimentation 3 qui fournit l'entrée d'alimentation du fluide de travail, peut étre constitué non pas par un seul conduit d'alimentation, mais par plusieurs conduits d'alimentation (deux conduits dans le présent exemple) qui sont disposés indépendamment l'un de l'autre dans la direction cir- conférentielle. Dans ce cas, le fluide de travail fourni par les conduits d'alimentation 3a et 3b peut être divisé en deux conduits de circulation 4a et 4b du côté gauche et du côté droit, et chaque moitié du fluide de travail divisée à partir de chaque conduit d'alimentation 3a et 3b peut finalement être fusionnce et déchargée par le port d'échappement 5. Au lieu de ce qui a été décrit ci-dessus, le fluide de travail fourni par les conduits d'ali 2s mentation 3a et 3b peut, sans être divisé, être entramé en circulation par chaque conduit de circulation dans une seule direction légèrement écartée de l'autre dans la direction circonférentielle, puis chaque fluide de travail peut être déchargé par le port d'échappement 5. Comme décrit ci-dessus, la turUine à étages multiples à une seule cascade selon la présente invention est constituce d'une construc- tion dans laquelle le fluide de travail est amené à s'écouler d'un côté de la cascade unique d'aubes de rotor, vers une partie de la direction circonfé- rentielle des aubes de rotor. Le fluide de travail qui est passé à travers les aubes de rotor est ramené au premier côté ci-dessus des aubes de rotor, puis on fait de nouveau passer ce fluide de travail à travers les aubes de rotor à un endroit logèrement différent dans la direction circonférentielle des aubes de rotor, et ce processus de circulation du fluide de travail est répété au moins une fois. En conséquence, on peut extraire de la puis sance du fluide de travail à chaque fois que ce fluide de travail passe à travers les aubes de rotor, et un ensemble d'aubes de rotor de turbine peut étre utilisé de la méme manière que les aubes de rotor à étages mul- tiples. Par suite, en utilisant les aubes de rotor à un seul étage, on peut convertir efficacement en puissance l'énergie d'un fluide de travail à haute pression et à faible volume. De plus, les parties constitutives individuelles de cette turbine à étages multiples à une seule cascade sont les mémes que celles de la structure conventionnelle, et seules leur disposition et leur combinaison ont été changées. Ainsi, on peut obtenir le méme type de o fonctions que celles d'aubes de rotor à étages multiples, au moyen de cette construction simple. Par suite, la turbine peut étre construite dans une configuration compacte, peut étre fabriquce facilement sans augmentation des coûts de fabrication, et ne conduit pas à une réduction de la facilité d'entretien. R E V E N D I C A T I O N S 1 ) Turbine à étages multiples à une seule cascade, caractérisée en ce qu' on répète au moins une fois un processus de circulation de fluide de tra s vail comprenant les étapes consistant à: amener le fluide de travail à s'écouler sur un côté d'une cascade unique d'aubes de rotor (2) vers une partie de la direction circonférentielle de ces aubes de rotor (2); ramener le fluide de travail qui est passé à travers les aubes de rotor (2), o vers le premier côté ci-dessus des aubes de rotor (2); et faire passer de nouveau le fluide de travail à travers les aubes de rotor (2) en un endroit logèrement différent dans la direction circonférentielle de ces aubes de rotor (2); de la puissance étant extraite du fluide de travail à chaque fois que ce s fluide de travail passe à travers les aubes de rotor (2). 2 ) Turbine à étages multiples à une seule cascade selon la revendica- tion 1, caractérisce en ce que le fluide de travail qui est fourni par un conduit d'alimentation (3) et passe à travers les aubes de rotor (2), est divisé en un certain nombre de cou- rants, et le processus de circulation est mis en _uvre par rapport à cha- que courant du fluide de travail ainsi divisé. 2s 3 ) Turbine à étages multiples à une seule cascade selon la revendica tion 1, caractérisée en ce qu' elle est appliquée à un ventilateur ou à un compresseur comportant des pales mobiles (1O), en attachant les aubes de rotor (2) aux bouts des pales mobiles (1O), et en entranant ces pales mobiles (1O) par la puissance ex- traite du fluide de travail à l'endroit des aubes de rotor (2). 4 ) Turbine à étages multiples à une seule cascade selon la revendica- tion 1, 3s caractérisce en ce que le fluide de travail qui est fourni par un conduit d'alimentation (3) et passe à travers les aubes de rotor (2), est divisé en un certain nombre de cou rants, et le processus de circulation est mis en ceuvre par rapport à cha- que courant du fluide de travail ainsi divisé; et la turbine à étages multiples à une seule cascade est appliquée à un ven- tilateur ou à un compresseur comportant des pales mobiles (10), en atta chant les aubes de rotor (2) aux bouts des pales mobiles, et en entrainant ces pales mobiles (10) par la puissance extraite du fluide de travail à l'en- droit des aubes de rotor (2). J Turbine à étages multiples à une seule cascade, o caractérisée en ce qu' elle comprend: une cascade unique d'aubes de rotor (2); un conduit d'alimentation (3) destiné à produire l'écoulement d'un fluide de travail sur un côté des aubes de rotor (2) vers une partie de la direction circonférentielle de ces aubes de rotor (2); un ou plusieurs conduits de circulation (4a, 4b) comportant chacun un élément de conduit d'échappement (6a, 6b) par lequel le fluide de travail qui est passé à travers les aubes de rotor (2), est évacué vers l'extérieur, un élément de conduit de retour (7a, 7b) pour ramener le fluide de travail o au premier côté ci-dessus des aubes de rotor (2), et un élément de conduit d'entrée (8a, 8b) relié à l'élément de conduit de retour (7a, 7b), pour four- nir le fluide de travail aux aubes de rotor (2) à un endroit légèrement diffé- rent dans la direction circonférentielle des aubes de rotor (2); et un port d'échappement (5) pour décharger le fluide de travail qui a été ra s mené par le dernier conduit de circulation des conduits de circulation (4a, 4b) et qui est passé à travers les aubes de rotor (2). 6 ) Turbine à étages multiples à une seule cascade selon la revendica- tion 5, caractérisé en ce que le fluide de travail qui est fourni par le conduit d'alimentation (3) et qui passe à travers les aubes de rotor (2) est ensuite divisé en un certain nombre de courants, et les conduits de circulation (4a, 4b) sont prévus pour chaque courant du Ruide de travail ainsi divisé. 7 ) Turbine à étages multiples à une seule cascade selon la revendica tion 5, caractérisce en ce qu' L1 elle est appliquée à un ventilateur ou à un compresseur comportant des pales (1O), en attachant les aubes de rotor (2) aux bouts des pales mobiles (1O), et en entraînant les pales mobiles (10) par la puissance extraite du fluide de travail à l'endroit des aubes de rotor (2). 8 ) Turbine à étages multiples à une seule cascade selon la revendica tion 5, caractersee en ce que le fluide de travail qui est fourni par le conduit d'alimentation (3) et qui to passe à travers les aubes de rotor (2) est ensuite divisé en un certain nombre de courants, et les conduits de circulation sont prévus pour cha- que courant du fluide de travail ainsi divisé; et la turUine à étages multiples à une seule cascade est appliquée à un ven- tilateur ou à un compresseur comportant des pales mobiles (1O), en atta- chant les aubes de rotor (2) aux bouts des pales mobiles (1O), et en entrainant les pales mobiles par la puissance eg:traite du fluide de travail à l'endroit des aubes de rotor (2).