Brevet FR2918110A1 — publié le 20090102

Domaine de l'invention La présente invention concerne une turbine d'expansion comportant au moins un rotor de turbine monté avec un palier axial. Etat de la technique Les turbines d'expansion sont utilisées depuis longtemps pour générer du froid pour les gaz industriels tels que l'hydrogène, l'hélium, et l'azote entre autres. Pour cela, on prend de la puissance calorifique du gaz de procédé par une détente du gaz avec perte et con-version de la force aérolique en un mouvement de rotation du rotor de turbine. Le gaz de procédé, détendu est refroidi au cours de cette opération dans l'étage de la turbine. Il existe différents modes de réalisation des paliers des turbines d'expansion. Les turbines d'expansion à palier de gaz dynamique comportent un palier de gaz qui nécessite une alimentation externe en gaz pour fonctionner. Il ne faut qu'une alimentation temporaire en gaz servant à former le palier que pour le démarrage et pour la phase d'arrêt. Dans le cas de turbines d'expansion à palier de gaz dynamique, la réception de l'arbre de la turbine utilise des paliers radiaux et axiaux. L'élément fonctionnel central du palier axial est le disque de palier axial qui absorbe la poussée axiale exercée sur l'arbre de la turbine dans la direction de la turbine et aussi dans la direction opposée. Une turbine d'expansion du type défini ci-dessus ou son palier axial seront présentés ci-après à l'aide d'un exemple de réalisation représenté aux figures la et lb. Les figures la et lb montrent des vues en coupe schématiques de cet exemple de réalisation. Les figures montrent un palier axial supérieur 3 et un palier axial inférieur 4. Les paliers axiaux 3, 4 reçoivent le disque de palier axial 2 porté par l'arbre 1 de la turbine. Le disque de palier axial 2 forme d'une part avec le palier axial 3 et d'autre part avec le palier axial 4, chaque fois deux paires de surfaces de palier. Ces paires de surfaces de palier ont pour fonction de recevoir la poussée axiale dans les deux directions possibles le long de l'axe de rotation de l'arbre de turbine 1. La zone proprement dite d'appui se situe dans les surfa- ces d'action de palier à proximité de l'axe de l'arbre de turbine 1, dans la région intérieure du disque de palier axial 2. La zone extérieure des surfaces actives de palier refoule principalement du gaz de l'extérieur vers l'intérieur dans la zone de palier. La zone de plus forte portance est représentée figure la par un cercle 5. Lorsqu'on fonctionne à des vitesses périphériques élevées, les surfaces actives de palier du disque de palier axial 2 se déforment élastiquement suivant une forme concave représentant en valeur absolue quelques microns, comme cela est représenté figure lb. Cette déformation élastique concave non souhaitée diminue la portance du palier axial pour les raisons suivantes : La portance est définie principalement par la distance entre la paire de surfaces actives de palier du rotor (disque de palier axial 2) et le stator (palier axial 3 ou palier axial 4). La distance entre les surfaces actives de palier du rotor et du stator ne représente que quel-ques microns pendant le fonctionnement. En principe, la règle veut que plus la distance qui s'établit est faible entre les surfaces actives de palier, plus grande sera la portance du palier axial. La déformation élastique concave des surfaces actives de palier du rotor diminue la distance qu'il est possible de régler entre les surfaces actives de palier. La défor- mation élastique du bord extérieur du rotor (disque de palier axial 2) augmente la distance minimale possible par rapport au stator (palier axial 3 ou palier axial 4) car sinon, si la distance est trop faible, les surfaces de palier du rotor et du stator entrent en collision. La règle est la suivante : la portance diminue en fonction de l'augmentation de l'écart des surfaces actives de palier du rotor et du stator. Avec l'augmentation de la vitesse de rotation, le balourd latent, existant sur le rotor 1 de la turbine se traduit par une augmentation des mouvements de nutation du disque de palier axial 2. Du fait de la déformation élastique concave gênante du bord extérieur, le mou- vement de nutation augmente le risque de collision et diminue la sur-face active de palier du disque de palier axial 2. De plus, la déformation élastique concave du disque de palier axial 2 intervient de manière négative dans le fonctionnement du palier axial à savoir, l'unité géométrique qui pompe de l'extérieur vers l'intérieur avec réduction de section et ralentissement de l'écoulement avec établissement d'une pression. A cause des caractéristiques ainsi présentées de la construction existante, on ne peut utiliser pleinement le potentiel et la fonc- tionnalité des surfaces actives d'un palier axial aux vitesses de rotation élevées. But de l'invention La présente invention a pour but de développer une turbine d'expansion du type défini ci-dessus ayant au moins un rotor de turbine monté dans un palier axial et remédiant aux inconvénients décrits ci-dessus. Exposé et avantages de l'invention A cet effet l'invention concerne une turbine d'expansion du type défini ci-dessus, caractérisée en ce que le disque du palier axial est réalisé sous la forme d'une broche de palier axial. Selon un développement avantageux de l'invention le dis-que de palier axial est installé pratiquement au milieu de la longueur totale de l'arbre de turbine. Dessins La présente invention sera décrite ci-après de manière plus détaillée à l'aide des dessins annexés dans lesquels : -les figures la et lb montrent schématiquement un exemple de réalisation connu d'une turbine d'expansion, sous la forme de vues très schématiques en coupe de côté, - les figures 2a, 2b montrent des vues schématiques en coupe d'un exemple de réalisation de l'invention. Description d'un mode de réalisation La turbine comporte un palier axial supérieur 3 et un palier axial inférieur 4 pour recevoir le disque de palier axial 2' selon l'invention, relié à l'arbre de rotor 1. Ce disque a la forme d'une broche de palier axial. La zone de plus forte portance est indiquée par le cercle 5, figure 2a. Lorsqu'on travaille à des vitesses périphériques élevées, on rencontre également une déformation élastique convexe des surfaces actives de palier du disque de palier axial 2' du fait de la forme de bro- che. Cette déformation correspond en longueur absolue à quelques microns comme cela est représenté figure 2b. La déformation élastique convexe augmente toutefois la portance du palier axial pour les raisons suivantes : La déformation élastique convexe produite dans le disque de palier axial 2' influence l'écart réglable des surfaces actives de palier entre le rotor (broche de palier axial) et le stator (palier axial 3, 4) d'une manière positive. La distance minimale possible entre la surface active de palier entre le rotor et le stator diminue et la portance maximale augmente. Le disque de palier axial 2' est installé de préférence au milieu de la longueur totale du rotor de turbine. Du fait de la forme géométrique du disque de palier axial 2' comme broche de palier axial, l'effet gyroscopique s'oppose au mouvement de nutation possible, du rotor et qui est induit par le balourd latent de l'arbre de turbine 1. La forme bombée convexe élastique des surfaces de palier du rotor n'est pas critique vis-à-vis d'un éventuel risque de collision au niveau du bord extérieur du disque de palier axial 2'. De plus, la déformation élastique convexe du disque de palier axial 2' est utile pour le fonctionnement des surfaces actives de palier. On aura une réduction de section du bord extérieur du disque de palier axial 2' vers l'intérieur vers la surface active de palier à proximité de l'arbre 1 du rotor de turbine. Cela favorise l'effet de compression des surfaces actives de palier. Les propriétés ainsi exposées de la turbine d'expansion selon l'invention permettent d'utiliser pour la première fois complète-ment le potentiel et la fonctionnalité des surfaces actives de palier pour le palier axial travaillant aux vitesses de rotation élevées.30 REVENDICATIONS 1 ) Turbine d'expansion comportant au moins un rotor de turbine monté avec un palier axial, caractérisée en ce que le disque (2') du palier axial est réalisé sous la forme d'une broche de palier axial. 2 ) Turbine d'expansion selon la revendication 1, caractérisée en ce que le disque de palier axial (2') est installé pratiquement au milieu de la longueur totale de l'arbre de turbine (1).15