Brevet FR2852353A1 — publié le 20040917

Domaine de l'invention La présente invention concerne un étage de turbine d'expansion pour des gaz comprimés comprenant un boîtier et un rotor de turbine le boîtier ayant des canaux de guidage de fluide pour une alimen5 tation du gaz sous pression vers le rotor de turbine et le rotor de turbine monté flottant est traversé dans la direction centripète comportant un diffuseur de sortie entouré par le boîtier pour décélérer les gaz expansés froids. Etat de la technique Dans les étages de turbine d'expansion connus en pratique et ayant les caractéristiques évoquées ci-dessus, la difficulté est que pour des différences de température importantes entre le gaz d'entrée sous pression et le gaz expansé sortant du rotor de la turbine, on a une réduction du rendement à cause de l'échange de chaleur entre ces deux flux de 15 gaz par conductivité thermique dans la turbine. La difficulté est en particulier le transport de chaleur dans le diffuseur de sortie du boîtier. D'une part la veine de gaz expansé sera chauffée et en même temps la veine de gaz sous pression d'entrée dans le rotor de turbine sera refroidie. La dérivation de chaleur ainsi décrite diminue la différence d'enthalpie entre les 20 deux flux si bien que le travail effectif recueilli sur le rotor de la turbine et de ce fait le rendement de la turbine sont réduits. Cette difficulté est particulièrement significative dans les plages de température très basses en particulier dans celles des températures cryogéniques, domaines dans lesquels on utilise fréquemment des étages de turbine du type défini ci25 dessus. C'est ainsi que par exemple pour des étages utilisés dans les installations de décomposition d'air, on a des différences de température allant jusqu'à 1 50'K entre le flux d'entrée et le flux de sortie. But de l'invention Partant d'un étage de turbine d'expansion ayant les carac30 téristiques évoquées ci-dessus, la présente invention a pour but d'augmenter le rendement de l'étage de turbine. A cet effet l'invention concerne un étage de turbine d'expansion du type défini ci-dessus caractérisé en ce que le diffuseur de sortie est réalisé sous la forme d'une pièce distincte logée dans un perçage 35 de réception du boîtier et pour l'isolation thermique du boîtier il est formé en une matière non métallique à faible conductivité thermique par rapport à la veine de gaz d'expansion, froide. Ces moyens permettent de réduire considérablement le transfert de chaleur entre le flux gazeux d'entrée et le flux gazeux de sortie. D'une part on atténue de manière significative l'échauffement du gaz expansé de sorte que celui-ci présente une très faible enthalpie, d'autre 5 part on réduit également de manière significative le refroidissement de la veine de gaz comprimé d'alimentation ce qui correspond à une enthalpie très élevée lors de l'entrée dans le rotor de turbine. Les deux veines de gaz présentent ainsi une très grande différence d'enthalpie qui selon l'enseignement de la thermodynamique permet de recueillir un travail 10 technique d'autant plus grand. Les irréversibilités liées à la conductivité thermique dans l'étage de turbine d'expansion sont diminuées considérablement grâce aux moyens de l'invention ce qui permet d'arriver à une approximation au cas idéal des isotropes. En conclusion l'invention permet d'augmenter de manière significative le rendement de la turbine. De manière préférentielle le diffuseur de sortie est en une matière plastique ayant une conductivité thermique inférieure à 2 W/(mK). Selon une réalisation particulièrement avantageuse de l'invention, la matière plastique est une polyoléfine applicable à des températures très basses en particulier un polyéthylène ou polyéthylène co20 polymère avec une masse moléculaire très élevée. Cette matière plastique présente également une dureté et une résistance à l'usure suffisantes pour des températures cryogéniques des gaz de sortie de turbine, allant jusqu'à -200'C. Cette solution est notamment avantageuse lorsque l'étage de turbine est utilisé dans une installation de décomposition de l'air. 25 Dessins La présente invention sera décrite ci-après à l'aide d'un exemple de réalisation représenté dans l'unique figure annexée des dessins. Cette figure montre schématiquement une coupe longitudinale de l'étage de turbine d'expansion selon l'invention. Description d'un mode de réalisation de l'invention La figure unique montre un étage de turbine d'expansion pour des gaz comprimés. Cette turbine comprend un boîtier 1 logeant un rotor de turbine 2. Le boîtier i est équipé de canaux de guidage d'écoulement 3 et en aval de ceux-ci des buses 4 pour fournir le gaz com35 primé au rotor de turbine 2. Le rotor de turbine 2 monté flottant sur une extrémité d'arbre 5 est traversé de manière centripète, suivi par un diffuseur de sortie 6 entouré par le boîtier 1 pour décélérer le gaz d'expansion froid. Le diffuseur 6 s'étend coaxialement au rotor de turbine 2 dans le prolongement de l'extrémité d'arbre 5. Le diffuseur de sortie 6 est monté dans le boîtier 1 comme pièce distincte dans un perçage 7. Pour l'isolation thermique du boîtier 1 par rapport à la veine de gaz expansé froid, le diffuseur de sortie 6 est réalisé en une matière non métallique à faible con5 ductivité thermique. Le transport de chaleur entre la veine de gaz d'entrée et la veine de gaz de sortie par conductivité thermique dans le boîtier 1 et dans le diffuseur de gaz de sortie 6 sera ainsi réduit de manière significative. D'une part on réduit l'élévation de température de la veine de gaz expansé qui ne présente plus alors qu'une enthalpie très faible. D'autre part 10 on évite également dans une très large mesure le refroidissement du gaz comprimé d'alimentation par conductivité thermique de sorte que celui-ci présente une enthalpie très élevée à l'entrée dans le rotor de turbine 2. Entre les deux veines de gaz on a ainsi une différence d'enthalpie très grande permettant de recueillir un travail technique important sur l'arbre 15 de turbine 8. On diminue de manière significative les irréversibilités par conductivité thermique de sorte que le fonctionnement du rotor de turbine sera proche du cas idéal isotrope. L'étape de turbine se caractérise ainsi par un rendement de turbine élevé. Le diffuseur de sortie 6 est formé de polyéthylène à masse 20 moléculaire très élevée ayant une conductivité thermique inférieure à 2 W/(mK). Cette matière plastique se caractérise en outre en ce qu'à des températures allant jusqu'à -200'C on a une dureté et une résistance à l'usure suffisantes. Cela est notamment important pour des installations de décomposition de l'air dans lesquelles on utilise très fréquemment une 25 turbine d'expansion du type de celle décrite ci-dessus. Dans l'exemple de réalisation, le diffuseur de sortie 6 est relié uniquement à la zone d'entrée d'écoulement 9 par une broche de cylindre 10 assurant la liaison solidaire au boîtier 1. Les mouvements relatifs entre le diffuseur 6 et le boîtier métallique 1 sont possibles ce qui 30 permet d'éviter la réduction des contraintes thermiques pendant le refroidissement vers les basses températures de fonctionnement. Entre le perçage de réception 7 et le diffuseur de sortie 6 il est prévu un intervalle d'air 11. Dans l'exemple de réalisation, le contact entre le diffuseur 6 et le perçage 7 se limite aux deux zones d'extrémité du diffuseur 6. L'intervalle 35 d'air Il conduit à une réduction encore plus poussée du transfert de chaleur entre une veine de gaz d'entrée et une veine de gaz de sortie. REVENDICATIONS 10) Etage de turbine d'expansion pour des gaz comprimés comprenant un boîtier (1) et un rotor de turbine (2), le boîtier (1) ayant des canaux de guidage de fluide (3) pour une alimentation du gaz sous pression vers le rotor de turbine (2) et le rotor de turbine (2) monté flottant est traversé dans la direction centripète comportant un diffuseur de sortie (6) entouré par le boîtier (1) pour décélérer les gaz expansés froids, caractérisé en ce que le diffuseur de sortie (6) est réalisé sous la forme d'une pièce distincte logée dans un perçage de réception (7) du boîtier (1) et pour l'isolation thermique du boîtier (1) il est formé en une matière non métallique à faible conductivité thermique par rapport à la veine de gaz d'expansion, froide. 2 ) Etage de turbine d'expansion selon la revendication 1, caractérisé en ce que le diffuseur de sortie (6) est réalisé dans une matière plastique ayant une conductibilité thermique inférieure à 2 W/(mK). 30) Etage de turbine d'expansion selon la revendication 2, caractérisé en ce que le diffuseur de sortie est formé d'une polyoléfine appropriée pour des applications à basse température en particulier d'un polyéthylène ou d'un polyéthylène copolymère à masse moléculaire très élevée. 25