Brevet FR2870883A1 — publié le 20051202

Turbomachine à aubes rotatives La présente invention a trait à une turbomachine à aubes mobiles permettant par conséquent d'assurer un échange d'énergie entre un fluide en écoulement et un rotor animé d'un mouvement de rotation sur lequel sont disposées lesdites aubes. Cette turbomachine fonctionne avec un stator fermé uniquement muni d'une ouverture d'entrée et d'une ouverture de sortie pour assurer l'écoulement du fluide participant à l'échange d'énergie. La turbomachine de l'invention peut fonctionner en génératrice, lorsqu'elle communique de l'énergie au fluide, et que son rotor est entraîné en rotation par exemple par un moteur extérieur: les aubes transfèrent alors de l'énergie au fluide. A l'inverse, elle peut fonctionner en réceptrice, c'est-à-dire en turbine, lorsqu'elle reçoit de l'énergie du fluide, énergie qui est ensuite retransmise au rotor. L'énergie communiquée au fluide dans la version génératrice entraîne une augmentation de sa pression, alors que l'emprunt d'énergie, lorsque c'est le fluide qui est utilisé comme vecteur primaire de l'énergie dans une utilisation en turbine, s'accompagne d'une diminution de pression. Le but de la présente invention est de réaliser une turbomachine présentant un rendement très élevé, dans une utilisation à la fois en génératrice et en turbine, ce qui implique que les pertes d'énergie sont, dans la structure qui a été mise au point, réduites au minimum. En d'autres termes, lorsque la turbomachine communique de l'énergie au fluide, et qu'elle fonctionne en génératrice, le problème posé est de minimiser les pertes mécaniques et d'assurer simultanément un taux de compression maximal. Dans le fonctionnement en turbine, lorsque le fluide communique son énergie au système mécanique, le souci est de proposer un système mécanique qui, à l'inverse de nombre de turbines actuelles, conserve bien la pression. Ces objectifs, et d'autres qui apparaîtront dans la suite de la description, sont bien réalisés par la turbomachine de l'invention, qui se caractérisée à titre essentiel en ce que: - chaque aube est libre en rotation autour d'un axe parallèle à l'axe de rotation du rotor et situé en son centre géométrique; les axes de rotation des aubes sont disposés en cercle sur le rotor; la rotation des aubes est synchronisée de telle sorte que chacune réalise une demie rotation pour un tour du rotor; le positionnement des différentes aubes est identique pour chaque position angulaire du rotor par rapport au stator; et 2870883 2 le stator comporte des parois interne et externe parallèles aux axes de rotation définissant un couloir de passage des aubes permettant un contact ou un quasi-contact permanent entre les zones de direction axiale respectivement la plus interne et la plus externe de chaque aube et lesdites parois. L'originalité de cette configuration réside notamment dans le fait que chaque aube tourne sur elle-même en même temps qu'autour du point central de la turbomachine, dans une configuration fermée prévue pour garantir un maintien optimal de la pression interne par création de chambres intérieures de volume variable. L'inertie du système mécanique est réduite du fait notamment de la double rotation, et des possibilités qu'elle génère dans la conception de celuici, chaque aube rotative constituant en soi un système mécanique plus réduit qui, pour ce qui concerne les liaisons, les déplacements relatifs, les fuites, les parasites, l'étanchéité, etc... est beaucoup plus facile à maîtriser qu'une structure rotative unique soumise, notamment à des puissances élevées, à des sollicitations importantes. De préférence, les aubes sont disposées, à l'intérieur du stator, à des intervalles réguliers sur le rotor. Le comportement des chambres à volume variable, pendant la compression ou la détente du fluide selon les utilisations en génératrice ou en turbine, reste alors uniforme et permet une régularité de fonctionnement favorable à la tenue mécanique du système. Selon l'invention, le rotor de la turbomachine de l'invention comporte deux plateaux entre lesquels sont disposées les parois interne et externe du stator définissant le couloir de passage des aubes, et auxquels elles sont reliées. Les parois interne et externe du stator, qui participent par leur forme à l'objectif d'amélioration de l'étanchéité de l'ensemble, ont en fait un tracé qui s'apparente à une ellipse. Cette forme permet à chaque instant aux aubes, quelle que soit leur position relative au cours de leur propre mouvement de rotation, d'obstruer le couloir délimité par les parois du stator. Cette construction permet la réalisation de chambres de compression ou de détente entre deux aubes successives de la turbomachine, et favorise l'opération de compression ou de détente avec un rendement maximal au moins dans les zones dans lesquelles les chambres ainsi définies n'interfèrent pas avec les ouvertures 3 5 d'entrée et de sortie du fluide. L'étanchéité est encore renforcée, notamment entre les plateaux du rotor et les parois du stator, par l'existence de segments flexibles qui ne nuisent pas ou peu au mouvement relatif des aubes par rapport au stator, mais contribuent à 2870883 3 cloisonner efficacement chaque chambre de compression ou de détente à volume variable. Selon l'invention, les aubes sont de préférence munies à leurs extrémités axiales d'un disque noyé dans le volume de chaque plateau du rotor et 5 affleurant sa surface, libre en rotation par rapport audit plateau. Cette caractéristique mécanique permet bien entendu d'améliorer le rendement mécanique du système, en réduisant au maximum les pertes par frottement, sans nuire au rendement des opérations de compression ou de détente du fluide, puisque les disques n'empiètent pas sur le volume du couloir interne. Pour optimiser encore les liaisons mécaniques, les disques sont reliés aux plateaux du rotor au moyen d'un roulement par exemple à billes ou de coussinets. Chaque liaison mécanique est en fait pensée dans le sens d'une réduction 15 des efforts résistants pour diminuer à chaque échelon les pertes de rendement mécaniques. Comme dans la liaison entre les plateaux du rotor et les parois du stator, l'étanchéité entre les disques des aubes et les plateaux du rotor est réalisée à l'aide de segments annulaires flexibles visant à isoler le fluide dans les chambres à volume variable pendant les opérations de compression ou de détente. Comme cela a été évoqué auparavant, l'un des aspects fondamentaux de la turbomachine de l'invention réside dans la synchronisation de la rotation des aubes. D'un point de vue mécanique, cette synchronisation repose notamment sur l'existence, sur l'un des disques d'extrémité de chaque aube, d'un arbre de liaison à un dispositif de synchronisation de vitesse et de position desdites aubes. Le rotor, animé d'un mouvement de rotation propre, est donc muni d'éléments complémentaires lui permettant de gérer la rotation de chaque aube. Plus précisément, selon une possibilité, chaque arbre est muni d'une poulie permettant sa liaison par chaîne ou par courroie d'une part avec les poulies équipant les arbres solidarisés aux autres aubes, et d'autre part avec une poulie solidaire du stator. D'une manière connue en soi, les diamètres des différentes poulies sont prévus pour assurer la réduction prévue dans le cadre de l'invention, à savoir une demie rotation pour chaque aube lorsque le rotor effectue un tour complet. Alternativement, une autre solution consiste à équiper chaque arbre avec une roue dentée permettant sa liaison, via d'autres roues dentées ou engrenages, avec une roue dentée solidaire du stator. 2870883 4 Le choix des différentes roues dentées permet, là encore, de transmettre la réduction de vitesse du rotor aux aubes. Selon une variante encore, chaque arbre peut être muni d'une roue dentée entraînée en rotation par une couronne dentée solidaire du stator. Dans cette hypothèse, ladite couronne comporte par exemple une denture intérieure qui engrène à l'extérieur du système circulaire formé par les roues dentées solidaires en rotation de chaque arbre relié aux aubes. Selon une configuration possible, l'autre disque d'extrémité de chaque aube celui qui ne comporte pas d'arbre est doté, sur sa face opposée à l'aube, d'un couple de plots dépassant du plateau du rotor et se déplaçant dans des glissières de guidage pratiquées dans une paroi du stator orientée parallèlement au dit plateau du rotor. Le mouvement des aubes est donc, d'une certaine manière, forcé par ce guidage dans des glissières qui peuvent au surplus être lubrifiées. Dans la même logique d'étanchéification que précédemment, il est possible de munir les chants radiaux des aubes de segments d'étanchéité. Il est à noter que ces segments, dont l'utilisation peut être requise ou conseillée dans certains types d'utilisation, peuvent également être omis dans d'autres applications. Les turbomachines de l'invention peuvent également être configurées en moteur, lorsque l'une des parois du stator est équipée d'un injecteur de carburant disposé à proximité d'un dispositif d'allumage de type bougie. Dans ce cas, il faut bien entendu prévoir le positionnement de l'injecteur ou de la bougie dans un tronçon de la paroi à proximité de l'ouverture d'entrée du fluide, pour l'alimentation en air, et gérer la fermeture de la chambre de combustion en configurant de manière adaptée l'enveloppe externe du stator. II est à cet égard possible de disposer les ouvertures d'entrée et de sortie adjacentes. Il est évidemment possible d'associer un tel moteur avec une turbomachine 30 de l'invention disposée en amont, permettant de réaliser une précompression du fluide comburant. D'une manière générale, l'invention concerne, outre les turbomachines proprement dites, des dispositifs de compression qui se caractérisent en ce qu'ils comportent au moins deux turbomachines disposées en série. Cette configuration disposant d'étages successifs de compression permet une augmentation progressive de la pression selon le principe d'un réacteur d'avion. Bien entendu, le nombre des aubes, ainsi que leurs dimensions, sont variables selon l'utilisation et la taille de la turbomachine. D'une manière générale, la conception de la turtomachine de l'invention permet la mise en oeuvre de multiples variantes selon les applications envisagées, ainsi que l'utilisation d'une large palette de matériaux de toutes sortes pour fabriquer ses différents composants. Parmi d'autres, on peut citer le plastique, l'acier, le tungstène, le carbone, des matériaux réfractaires, etc... le choix se faisant selon les contraintes d'utilisation (légèreté, puissance, nature du fluide, etc...). L'usage de tant de matériaux est notamment rendu possible par l'absence de micro chocs cinétiques, notamment de résistance à l'inertie, d'où la possibilité d'utilisation de pièces lourdes à haute vitesse, y compris supersoniques. 1 0 Les utilisations d'une telle turbomachine sont évidemment extrêmement nombreuses, le rendement élevé qu'elle offre constituant un avantage important. Pour mémoire, on peut citer l'emploi en turbine à vapeur, qui permet un fonctionnement à des pressions inférieures à ceux des turbines actuelles pour obtenir un rendement équivalent. 1 5 Le gain d'énergie est évident, ouvrant la possibilité d'utiliser des installations plus modestes, et par conséquent plus économiques que les installations actuelles pour des utilisations équivalentes. Les turbomachines de l'invention permettent également la récupération d'énergie dans les fours à gaz, ou tout autre four à combustible, par exemple pour transformer l'énergie mécanique perdue en énergie électrique. Les compresseurs à air sont également une application possible, les frottements d'air entre les parties mobiles et fixes étant réduits dans la machine de l'invention, ce qui implique, pour un rendement identique, des pertes d'énergie cinétiques et des bruits moins élevés, et par conséquent une baisse de la consommation d'énergie. On peut également citer l'utilisation des turbomachines de l'invention en moteurs à réaction, ou autres moteurs, dans lesquels elles procurent notamment un gain appréciable en matière de compression. Encore une fois, du fait du haut rendement, la compression permise par les turbomachines de l'invention 3 0 s'obtient à plus basse rotation, c'est-à-dire avec moins de combustible et moins de perte d'énergie. A puissance égale, les moteurs utilisables sont donc beaucoup plus légers, réalisables à moindre coût, et ils engendrent enfin une pollution réduite. Dans le domaine des pompes, l'excellente étanchéité de la machine de 35 l'invention permet une aspiration performante, notamment dans les pompes à succion. Les avantages de l'invention sont donc nombreux et considérables. L'invention va à présent être décrite plus détail, en référence aux figures annexées pour lesquelles: la figure 1 est une vue schématique d'une turbopompe selon l'invention, en section longitudinale; la figure 2 représente, en section transversale, la structure mécanique de l'implantation d'une aube; la figure 3 montre l'association en série de deux turbomachines selon l'invention, utilisées en tant que compresseurs; la figure 4 montre l'association, toujours en série, d'un compresseur avec un moteur selon l'invention; et les figures 5 à 7 illustrent des exemples possibles de système de 10 synchronisation des aubes. En référence à la figure 1, le stator (1) comporte une paroi externe (2) et une paroi interne (3) qui délimitent un couloir (4) dont la largeur évolue en fonction de la position des aubes (5), lesquelles sont mobiles en rotation autour d'axes (6) centraux. Le stator (1) comporte une ouverture d'entrée (7) et une ouverture de sortie (8) pour le fluide, dont le sens d'écoulement est matérialisé par des flèches horizontales (F) . Les aubes (5) sont munies d'un disque (9) libre en rotation dans une plaque d'allure circulaire (10) du rotor, qui épouse en l'occurrence le contour extérieur du stator (1). Ce rotor est mû en rotation autour de l'axe matérialisé en (11), dans la direction de la flèche (F'). Les principes de base du fonctionnement de la turbomachine de l'invention apparaissent particulièrement bien dans cette figure. En partant par exemple de l'aube (5) figurant en partie supérieure de la figure, à l'endroit où le couloir (4) est le plus large, il est manifeste que les différentes positions de chacune des aubes (5) représentées sont telles qu'après un tour complet du rotor, l'angle parcouru par chacune des aubes est égal à 180 . Ainsi, l'aube (5) qui apparaît en partie basse de la turbomachine a tourné d'un angle de 90 pour un déplacement angulaire qui correspond à un demi-tour du rotor. Dans chacune des positions des aubes (5) qui sont représentées, la portion située la plus proche de l'axe de rotation du rotor (11) d'une part, et au moins 3 0 une portion située la plus loin dudit axe, c'est-à-dire la plus proche du pourtour du stator (1), est en contact avec les parois interne et externe du couloir (4). L'aube (5) située en haut de la figure étant orientée perpendiculairement à l'axe du couloir (4), c'est bien entendu à cet endroit que ledit couloir (4) est le plus large. A l'inverse, l'aube inférieure tangentant l'axe du couloir, et ne présentant plus que son épaisseur dans la direction de son déplacement, cette portion du couloir (4) est la plus réduite en largeur. Cette figure fait nettement apparaître que les différentes aubes (5) forment entre elles des chambres de détente ou de compression présentant un volume variable, entre les ouvertures d'entrée (7) et de sortie (8). La figure 2 montre de manière plus détaillée le schéma mécanique d'implantation d'une aube dans la turbomachine de l'invention. Dans ce cas, le rotor se compose de deux plateaux mobiles en rotation autour de l'axe (11), référencés respectivement (10) et (12). Chacun de ces plateaux comporte une succession de logements circulaires répartis à intervalles réguliers sur le cercle des axes (6) des aubes (5). Ces logements circulaires (13, 14) reçoivent des disques (9, 15) solidarisés aux extrémités des aubes (5), ces disques (9, 15) étant reliés via des roulements par exemple à billes (16, 17) aux plateaux (10, 12) L'étanchéité entre des disques (9, 15) et les plateaux (10, 12) est de préférence réalisée par des segments circulaires (18, 19). Quelle que soit sa position au cours de sa rotation par rapport à son axe central (6), chaque aube est en contact, ou quasiment en contact avec les parois extérieure (2) et intérieure (3) du stator (1). Ce contact peut être étanchéifié au moyen de segments (20, 21). Une telle étanchéification au moyen de segments peut également être mise en oeuvre respectivement entre la paroi externe (2) du stator (1) et les plateaux (10, 12), via les segments (22, 23), et entre la paroi interne (3) et lesdits plateaux (10, 12), via les segments (24, 25). Chaque chambre de compression ou de détente à volume variable telle qu'apparaissant dans la figure 1 se trouve alors efficacement isolée, du point de vue de la pression, ce qui permet d'optimiser les opérations respectivement de compression et de détente assurées par la turbomachine dans ses deux fonctionnements possibles. L'un des disques (15) d'extrémité des aubes (5) est de plus muni d'un arbre (26) traversant le plateau (12) du rotor, dont une portion dépassant dudit plateau (12) est munie d'une poulie (27') ou d'une roue dentée (27) lui permettant de coopérer avec le système de synchronisation de la vitesse et de la position des aubes (5), comme cela sera montré plus en détail dans les figures 5 à 7. 3 0 L'autre disque (9) comporte deux plots (38, 39) qui dépassent du plateau (10) du rotor via une ouverture (40) et se déplacent dans des glissières de guidage (41, 42) de formes adaptées pratiquées dans une paroi (43) du stator parallèle au plateau (10). La forme de ces glissières apparaît en figure 7. L'association de deux turbomachines selon l'invention, qui est montrée en figure 3, consiste à relier la sortie (8) d'une turbomachine utilisée en générateur, c'est-à-dire comprimant de l'air, à l'entrée (7) d'une autre turbomachine fonctionnant également en générateur. Ces deux étages successifs permettent d'aboutir à une compression plus importante, qu'il est encore possible 2870883 8 d'augmenter en associant, toujours en série, d'autres turbomachines de l'invention. L'association qui ressort de la figure 4 montre deux turbomachines qui fonctionnent selon un principe légèrement différent, la première agissant en compression simple, alors que la seconde comporte au surplus un injecteur (28) et une bougie (29) qui permettent un fonctionnement en moteur thermique par explosion du mélange dans la chambre formée en entrée de la turbomachine. Dans cette hypothèse, la paroi externe du stator (1) est configurée de telle sorte que la chambre de combustion soit fermée au moment de l'explosion, ce qui implique une augmentation (30) de la surface de l'enveloppe externe du stator (1). Le nuage représentant les gaz d'échappement (N) est évacué par l'ouverture de sortie (8). Les figures 5 à 7 illustrent plus particulièrement les différents systèmes de synchronisation des rotations des aubes (5). Ainsi, en figure 5, un arbre central (31) dépassant du rotor et une roue dentée qui y est solidarisée sont solidaires du stator (1) et la rotation du rotor est retransmise à des engrenages extérieurs (27) via des engrenages intermédiaires (33). Le nombre de dents des engrenages (32) étant deux fois moins élevé que celui des engrenages (33, 27), ces derniers impriment aux aubes (5) un mouvement de rotation qui est deux fois plus lent que celui du rotor, et permet à chaque aube de n'effectuer qu'un demi-tour lors d'une rotation complète dudit rotor. La variante qui apparaît en figure 6 est basée sur une poulie (32') qui remplace la roue dentée (32) de la version précédente. Cette poulie (32') est reliée aux poulies externes (27') solidaires en rotation des aubes (5) via une courroie ou chaîne (34), la rotation du rotor étant ainsi répercutée à une seule poulie (27'). La retransmission du mouvement aux autres poulies (27') s'effectue via une courroie ou chaîne externe (35). Le diamètre des poulies (27') extérieures étant deux fois supérieur à celui de la poulie (32') inférieure, la vitesse de rotation des aubes est deux fois moindre que la vitesse de rotation du rotor. Selon une autre alternative, représentée en figure 7, on n'utilise pas un arbre central (31), mais une couronne extérieure (36). Celle-ci est calculée pour que le mouvement imprimé aux différentes roues dentées (27) solidaires des aubes (5) soit deux fois plus lent que la rotation du rotor. Les glissières de guidage des plots (38, 39) dépassant des aubes apparaissent dans cette figure. Il s'agit en fait d'une unique glissière à deux portions interne et externe dont le tracé est une courbe retraçant le mouvement combiné de la rotation d'un plot autour de l'axe de l'aube (5), associée à b rotation du plateau (10) du rotor. Dans la partie inférieure de la figure, ladite courbe comporte une zone d'intersection entre la portion interne et la portion externe dans laquelle les plots inversent la portion dans laquelle ils se déplacent. Ceux qui arrivent de la portion externe empruntent la portion interne et vice-versa. Les exemples qui ont été illustrés par les figures ci-dessus ne sont bien entendu pas à considérer comme étant exhaustifs de l'invention. Celle-ci englobe au contraire toutes les variantes de forme et de configuration qui sont à la portée de l'homme de l'art. 2870883 10 REVENDICATIONS 1. Turbomachine à aubes (5) disposées sur un rotor coopérant avec un stator (1) fermé muni d'une ouverture d'entrée (7) et d'une ouverture de sortie (8) du fluide, caractérisée en ce que: - chaque aube (5) est libre en rotation autour d'un axe (6) parallèle à l'axe (11) de rotation du rotor et situé en son centre géométrique; les axes de rotation (6) des aubes (5) sont disposés en cercle sur le rotor, la rotation des aubes (5) est synchronisée de telle sorte que chacune réalise une demie rotation pour un tour du rotor; le positionnement des différentes aubes (5) est identique pour chaque position angulaire du rotor par rapport au stator (1) ; et - le stator (1) comporte des parois interne (3) et externe (2) parallèles aux axes (6, 11) de rotation définissant un couloir (4) de passage des aubes (5) permettant un contact ou un quasi-contact permanent entre les zones de direction axiale respectivement la plus interne et la plus externe de chaque aube (5) et lesdites parois (2, 3). 2. Turbomachine selon la revendication 1, caractérisée en ce que les aubes (5) sont disposées à intervalle régulier sur le rotor. 3. Turbomachine selon l'une des revendications 1 et 2, caractérisée en ce que le rotor comporte deux plateaux (10, 12) entre lesquels sont disposées les parois interne (3) et externe (2) du stator (1) définissant le couloir (4) de passage des aubes (5), et auxquels sont reliées lesdites aubes (5). 4. Turbomachine selon la revendication précédente, caractérisée en ce que l'étanchéité entre les plateaux (10, 12) du rotor et les parois (2, 3) du stator (1) est réalisée à l'aide de segments flexibles (22, 23, 24, 25). 5. Turbomachine selon l'une des revendications 3 et 4, caractérisée en ce que chaque aube (5) est munie à ses extrémités axiales d'un disque (9, 15) noyé dans le volume du plateau (10, 12) du rotor et affleurant sa surface, libre en rotation par rapport audit plateau (10, 12). 6. Turbomachine selon la revendication précédente, caractérisée en ce que les disques (9, 15) sont reliés aux plateaux (10, 12) du rotor au moyen d'un roulement par exemple à billes (16, 17) ou de coussinets. 7. Turbomachine selon l'une des revendications 5 et 6, caractérisée en ce que l'étanchéité entre les disques (9, 15) des aubes (5) et les plateaux (10, 12) du rotor est réalisée à l'aide de segments annulaires (18, 19) flexibles. 2870883 11 8. Turbomachine selon l'une des revendications 5 à 7, caractérisée en ce que l'un des disques d'extrémité (15) de chaque aube (5) est muni d'un arbre (26) de liaison à un dispositif de synchronisation des vitesses et des positions des aubes (5). 9. Turbomachine selon la revendication précédente, caractérisée en ce que chaque arbre (26) est muni d'une poulie (27') permettant sa liaison par chaîne ou par courroie (34) d'une part avec les poulies équipant les arbres solidarisés aux autres aubes, et d'autre part avec une poulie (32') solidaire du stator (1). 10. Turbomachine selon la revendication 8, caractérisée en ce que chaque arbre (26) est muni d'une roue dentée (27) permettant sa liaison via d'autres roues dentées ou engrenages (33) avec une roue dentée (32) solidaire du stator (1). 11. Turbomachine selon la revendication 8, caractérisée en ce que chaque arbre (26) est muni d'une roue dentée (27) entraînée en rotation par une couronne dentée (36) solidaire du stator (1). 12. Turbomachine selon l'une des revendications 8 à 11, caractérisée en ce que l'autre disque (9) d'extrémité de chaque aube (5) est doté, sur sa face opposée à l'aube (5), d'un couple de plots (38, 39) dépassant du plateau (10) du rotor et se déplaçant dans des glissières de guidage (41, 42) pratiquées dans une paroi du stator (1) orientée parallèlement au dit plateau (10) du rotor. 13. Turbomachine selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce que les chants radiaux des aubes (5) sont munis de segments d'étanchéité (20, 21). 14. Turbomachine selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce que l'une des parois du stator (1) est équipée d'un injecteur de carburant (28) disposé à proximité d'un dispositif d'allumage (29) de type bougie. 15. Dispositif de compression basé sur des turbomachines selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il comporte au moins deux turbomachines disposées en série.