Brevet FR3085407A1 — publié le 20200306

Description Titre de l'invention : Dispositif de pivoterie fonctionnant à froid supportant une turbine fonctionnant à chaud, permettant de diminuer le coût d'un convertisseur d'énergie thermique en énergie mécanique et/ou électrique Domaine technique [0001] Différents procédés permettent de valoriser de la chaleur fatale produite par des procédés industriels : raffinage, verreries, four d'incinération, usines sidérurgiques, gaz d'échappement de moteurs, etc. [0002] Certains utilisent des turbines à action entrainées par un jet double phase liquide/ vapeur. [0003] Parmi ceux-ci le brevet N°1101045 et la demande de brevet N°1855910 décrivent un dispositif particulier de ce type de procédé. [0004] Ledit procédé nécessite la mise en oeuvre de fluides thermodynamique et caloporteur à haute température qui sont accélérés sous la forme d'un jet diphasiquc. L'énergie cinétique du jet est alors convertie en énergie mécanique par la rotation d'une turbine à action. [0005] La turbine est immergée dans une capacité et fonctionne à la température des fluides, soit typiquement entre 200°C et 300°C. Elle est généralement accouplée à une génératrice par une transmission mécanique et une étanchéité tournante. [0006] La présente invention consiste en un dispositif amélioré permettant la tenue de la turbine et la transmission du couple moteur par une pivoterie externe à la capacité, fonctionnant à basse température et utilisant des technologies à bas coût à la maintenance réduite. [0007] ETAT DE L'ART [0008] Les avancées techniques, notamment dans le domaine des matériaux, permettent d'obtenir des solutions diverses de systèmes de rotation fonctionnant à haute température. On pense notamment à des paliers hydrodynamiques ou des roulements qui peuvent nécessiter, ou non, une lubrification. [0009] Le plus souvent, comme décrit dans le brevet n°20010020088 de la société Gen Electric, des revêtements thermiques sont mis en oeuvre pour permettre aux pièces de supporter des hautes températures ; il s'agit plus particulièrement de revêtement à base de cobalt et/ou à base de céramique, ces deux matériaux étant tous deux peu theriniquement conductibles. [0010] Les paliers magnétiques, tels que décrits dans le brevet W02009152803 par exemple, présentent également l'avantage de résister à des conditions extrêmes, avec le I mérite supplémentaire de ne pas nécessiter de lubrification, puisque le rotor et le stator ne sont pas en contact l'un avec l'autre. [0011] Lc brevet N°1101045 décrit une installation de conversion d'énergie thermique en énergie électrique qui comporte une pivoteric fonctionnant en température et immergée en fond de la capacité contenant le fluide caloporteur. [0012] Cette pivoteric utilise une technologie de paliers et butée hydrodynamique, lubrifiée par le fluide caloporteur. L'arbre de transmission du couple de la turbine à la génératrice nécessitant une étanchéité tournante en haut de la capacité. [0013] Cependant, ces équipements sont trop onéreux par rapport aux objectifs de coûts souhaités pour le dispositif de conversion d'énergie thermique en énergie mécanique/ électrique et augmentent la complexité et le coût des opérations de maintenance. Exposé de l'invention [0014] L'invention concerne le perfectionnement du dispositif de conversion d'énergie thermique en énergie mécanique décrit dans le brevet français N°1101045, ledit perfectionnement permettant de diminuer son coût de fabrication et de faciliter la maintenance. [0015] Lc dispositif faisant l'objet de l'invention est une réalisation particulière de la pivoterie de la turbine à action à axe vertical Rep 70; laquelle, dans le mode particulier de réalisation décrit dans ledit brevet, est constituée de deux paliers ct d'une butée axiale de type hydrodynamique lubrifiés avec le fluide caloporteur du procédé. Le dispositif remplace également avantageusement la sortie Rep 104 de l'arbre Rep 44 tels que décrits dans le brevet N°1101045. [0016] Ccttc réalisation particulière faisant l'objet de l'invention utilise dcux roulements à billes associés à des dispositions particulières permettant leur fonctionnement à froid (T 200°C). [0022] Dans un mode de représentation illustratif, niais non-limitatif, il se compose : [0023] D'un boiticr contenant des roulements Rep 31/1 et Rep 31/2 constitué de deux douilles emmanchées à la presse Rep 3/1 et 3/2 à l'interface desquelles est creusé un canal spiroïdal Rep 41 permettant une circulation d'eau de réfrigération. [0024] Cc boiticr est posé sur la capacité Rcp 5 contenant la turbine Rcp 1 par l'intermédiaire de plots à faible conduction thermique Rcp 43, de préférence en titane, et soumise à une température élevée (T > 200°C). [0025] Un bol Rcp 46 dont la partie supérieure en forme de collerette repose également sur la capacité Rep 5, sa partie inférieure pénétrant à l'intérieur de ladite capacité. [0026] Un jeu de goujons Rcp 45 solidarise le boîtier Rcp 3/1-2, les plots de titane Rep 43, le bol Rcp 46 et le fond de la capacité Rep 5. [0027] Une barrière thermique en composite Rcp 35 est disposée à l'intérieur du bol dont le fond possède un bossage dans lequel est logé une garniture d'étanchéité à tresses et son presse étoupe Rcp 37. [0028] Un drain Rep 38 ramène les fuites de la garniture à l'extérieur de la capacité et permet ainsi de surveiller leurs niveaux. [0029] Lc fond du bol Rcp 46 est enveloppé dans un bouclier thermique Rep 36 lequel en fonctionnement se remplit de caloporteur. [0030] L'arbre support de turbine Rep 40, en deux demi parties séparées par une barrière thermique tournante, traverse vers le haut le paquet de tresses Rep 37, les bagues intérieures des roulements puis un couvercle d'étanchéité à bague de feutre Rep 47. [0031] Il se termine par une partie cylindrique équipée d'une clavette recevant le manchon de couplage Rep 42 avec l'arbre du dispositif de conversion d'énergie Rep 2. Un alternateur est présenté dans ce mode de réalisation. [0032] A l'intérieur de la barrière thermique Rep 35 est logée une deuxième barrière thermique Rep 32 en composite : celle-ci est intégrée entre les deux demi parties de l'arbre Rep 40. [0033] Elle est maintenue prisonnière dans deux flasques Rep 33 et Rep 34 soudées sur les deux demi parties de celui-ci et assemblées par vis. Cette barrière thermique tournante limite la conduction de la chaleur du moyeu de la turbine vers les roulements. [0034] La conduction de la chaleur de la capacité Rep 5 vers le boîtier Rep 3/1-2 est limitée par la coopération avantageuse des interfaces entre : [0035] -le bouclier thermique Rep 36 [0036] -le bol Rep 46 [0037] -la barrière thermique fixe Rep 35 [0038] -les plots Rep 43 (en métal mauvais conducteur) [0039] -la barrière thermique tournante Rep 32 4 100401 Le montage des roulements est fait conformément aux recommandations du fa- briquant de ce type de composant : [0041] La bague extérieure du roulement du bas Rep 31/1 (à deux rangées de billes) est bloquée en translation par une cage et son couvercle Rcp 48, fixés par des vis Rep 49, au boîtier Rep 3/1-2. [0042] La cage extérieure du roulement du haut Rcp 31/2 à une rangée de billes est montée libre en translation dans le boîtier Rep 3/1-2. [0043] Les cages intérieures des deux roulements sont montées à la presse sur l'arbre Rcp 40 et maintenue en position axiale par un écrou à dents Rep 50, une entretoise Rep 44 et un épaulement sur l'arbre Rcp 40. [0044] Par cc montage le point fixe de l'arbre est fixé au niveau du roulement inférieur ce qui limite sa portion soumise à la température intérieure de la capacité et donc sa dilatation. [0045] AVANTAGES COMPLEMENTAIRES DE L'INVENTION [0046] Lc dispositif faisant l'objet de l'invention permet une maintenance aisée de la pivoterie : par exemple le changement des roulements sans ouverture de la cuve contenant la turbine. [0047] Il permet en outre le démarrage à froid (avec un fluide de procédé caloporteur visqueux) en utilisant l'alternateur/génératrice comme démarreur. Application industrielle [0048] Lc dispositif faisant l'objet de l'invention est applicable aux sorties d'un mouvement de rotation d'une capacité sous pression soumise à haute température.