Brevet FR3129994A1 — publié le 20230609

Détendeur radial L’invention concerne un détendeur radial servant à détendre un gaz de traitement, ayant un carter et ayant un rotor (10) monté dans le carter et comprenant de multiples pales (12), les pales (12) du rotor (10), conjointement avec un contour de moyeu (16) radialement intérieur d’un moyeu (11) du rotor (10) et un contour de carter (17) radialement extérieur du carter, définissant des canaux d’écoulement (13) pour le gaz de traitement, dans lesquels le gaz de traitement devant être détendu entre dans la direction radiale ou substantiellement dans la direction radiale et hors desquels le gaz de traitement détendu sort dans la direction axiale ou substantiellement dans la direction axiale, le contour de moyeu (16) radialement intérieur du rotor (10) comprenant un changement de courbure au moins à certaines positions circonférentielles vues dans la section méridienne d’une manière telle que, de manière adjacente à un côté d’attaque d’écoulement du rotor, le contour de moyeu (16) radialement intérieur, vu dans la section méridienne, est incurvé radialement vers l’extérieur et, de manière adjacente à un côté de fuite d’écoulement du rotor, le contour de moyeu (16) radialement intérieur, vu dans la section méridienne, est incurvé radialement vers l’intérieur. Figure pour l’abrégé : figure 1 Détendeur radial L’invention concerne un détendeur radial. Essentiellement, les détendeurs et les compresseurs sont différenciés dans les turbomachines. Les détendeurs sont également appelés turbines et servent à détendre un gaz de traitement afin d’extraire de l’énergie pendant la détente du gaz de traitement. Les compresseurs compriment un gaz de traitement en utilisant de l’énergie. La présente invention concerne un détendeur, à savoir un détendeur radial. Les détendeurs radiaux connus dans la pratique sont équipés d'un carter et d’un rotor monté dans le carter, le rotor comprenant de multiples pales. Conjointement avec un contour de moyeu radialement intérieur du rotor et un contour de carter radialement extérieur du carter, les pales du rotor définissent des canaux d’écoulement pour le gaz de traitement. Le gaz de traitement devant être détendu entre dans ces canaux d’écoulement dans la direction radiale ou substantiellement dans la direction radiale. Le gaz de traitement détendu sort de ces canaux d’écoulement dans la direction axiale ou substantiellement dans la direction axiale. Afin de produire un détendeur radial présentant un rendement aussi élevé que possible, il est souhaitable de réduire les écoulements secondaires dans les canaux d’écoulement. Ceci assure alors un meilleur écoulement à travers les canaux d’écoulement. Lorsqu’un ensemble servant à la régulation supplémentaire du gaz de traitement détendu, par exemple un diffuseur, est agencé en aval du détendeur radial, le rendement du diffuseur peut également être augmenté à l’aide des écoulements secondaires réduits dans le détendeur radial. En partant de là, la présente invention est basée sur le problème de la création d’un nouveau type de détendeur radial à flux secondaires réduits. Ce problème est résolu par un détendeur radial selon l’invention. Selon l’invention, le contour de moyeu radialement intérieur du rotor comprend un changement de courbure vu dans la section méridienne au moins à certaines positions circonférentielles d’une manière telle que, de manière adjacente à un côté d’entrée d’écoulement du rotor, le contour de moyeu radialement intérieur, vu dans la section méridienne, est incurvé radialement vers l’extérieur et, de manière adjacente à un côté de sortie d’écoulement du rotor, le contour de moyeu radialement intérieur, vu dans la section méridienne, est incurvé radialement vers l’intérieur. Grâce à l’invention, un détendeur radial peut être produit, dans le cas duquel des écoulements secondaires, en particulier des écoulements secondaires dans la direction de la hauteur et donc la direction radiale des canaux d’écoulement du rotor, peuvent être réduits. En particulier, l’écoulement à travers la région du moyeu peut être amélioré. Le détendeur radial présente un rendement accru. De préférence, le changement de courbure est le seul changement de courbure du contour de moyeu radialement intérieur. De préférence, le changement de courbure, aux positions circonférentielles auxquelles le contour de moyeu radialement intérieur du rotor, dans la section méridienne, comprend le changement de courbure, le changement de courbure se situe dans une plage entre 5 % et 45 % de la longueur utile du contour de moyeu radialement intérieur. Ce profilage du contour de moyeu radialement intérieur est particulièrement préféré pour un meilleur écoulement à travers la région de moyeu du détendeur radial afin d’augmenter finalement le rendement du détendeur radial. De préférence, un rayon de courbure minimum de la portion du contour de moyeu incurvée radialement vers l’intérieur, aux positions circonférentielles auxquelles le contour de moyeu radialement intérieur du rotor, vu dans la section méridienne, comprend le changement de courbure, se situe entre 5 % et 30 %, de préférence entre 10 % et 15 % de la longueur utile du contour de moyeu radialement intérieur après le changement de courbure. Cette caractéristique sert également à améliorer l’écoulement à travers la région de moyeu du détendeur radial pour augmenter le rendement. De préférence, un rapport entre le rayon de courbure de la portion du contour de moyeu incurvée radialement vers l’extérieur et le rayon côté moyeu d’un bord d’entrée d’écoulement des pales, aux positions circonférentielles auxquelles le contour de moyeu radialement intérieur du rotor, vu dans la section méridienne, comprend le changement de courbure, est supérieur à 1. De cette manière, l’écoulement en particulier à travers la région de moyeu peut être amélioré davantage tout en évitant des écoulements secondaires. De préférence, un rapport entre le rayon de courbure minimum de la portion du contour de moyeu incurvée radialement vers l’intérieur et le rayon côté moyeu d’un bord d’entrée d’écoulement des pales, aux positions circonférentielles auxquelles le contour de moyeu radialement intérieur du rotor, vu dans la section méridienne, comprend le changement de courbure, est inférieur à 2. De cette manière, l’écoulement à travers la région de moyeu tout en évitant des écoulements secondaires peut aussi être amélioré davantage. Selon une première variante, le contour de moyeu radialement intérieur du rotor, vu dans la section méridienne, est profilé différemment dans la direction circonférentielle. En particulier, lorsque le contour de moyeu du rotor, vu dans la direction circonférentielle, est profilé différemment, celui-ci est réalisé de manière asymétrique sur la circonférence. Ici, un pic incurvé radialement vers l’extérieur dans le canal d’écoulement et un creux incurvé radialement vers l’intérieur sont alors formés de préférence entre deux pales respectives adjacentes dans la direction circonférentielle, et de cette manière en particulier la formation de tourbillons en fer à cheval et de tourbillons en canal, qui représentent chacun un phénomène d’écoulement secondaire, pouvant être contrée efficacement. À l’aide du profilage asymétrique sur la circonférence du contour de moyeu, l’écoulement à travers les canaux d’écoulement, en particulier dans la région de moyeu, peut être amélioré encore davantage et le rendement du détendeur radial peut être augmenté encore davantage. Selon une deuxième variante, le contour de moyeu radialement intérieur du rotor, vu dans la section méridienne, est profilé de façon identique dans toutes les positions circonférentielles. En particulier lorsque, vu dans la direction circonférentielle, le contour de moyeu intérieur est profilé de façon identique dans toutes les positions circonférentielles, le contour de moyeu est réalisé de manière symétrique sur la circonférence. D’autres développements préférés de l’invention sont obtenus à partir des modes de réalisation ci-dessus et de la description suivante. Des modes de réalisation donnés à titre d’exemple de l’invention sont expliqués plus en détail à l’aide du dessin sans y être limités. Les figures représentent : : une vue en perspective d’un détendeur radial ; : une section méridienne à travers le détendeur radial ; : de multiples sections méridiennes à travers le détendeur radial entre deux pales adjacentes dans la direction circonférentielle avec un contour de moyeu asymétrique sur la circonférence. Un détendeur radial, qui peut également être appelé turbine radiale, sert à détendre un gaz de traitement afin d’extraire de l’énergie pendant la détente du gaz de traitement. Un détendeur radial est équipé d'un carter et d’un rotor monté rotatif dans le carter. La illustre un rotor 10 d’un détendeur radial, le rotor 10 comprenant un corps de moyeu 11 et de multiples pales 12 espacées les unes des autres vues dans la direction circonférentielle U connectées au corps de moyeu 11. Entre deux pales 12 respectives adjacentes dans la direction circonférentielle U est formé un canal d’écoulement 13 respectif pour le gaz de traitement. Les pales 12 ont des bords d’attaque d’écoulement 14 et des bords de fuite d’écoulement 15. Dans la région des bords d’attaque d’écoulement 14, le gaz de traitement devant être détendu entre dans un canal d’écoulement 13 respectif dans la direction radiale R ou substantiellement dans la direction radiale R. Le gaz de traitement détendu sort du canal d’écoulement 13 respectif dans la direction axiale ou substantiellement dans la direction axiale A. La illustre une section méridienne à travers le rotor 10, l’invention concernant le profilage du contour de moyeu 16 radialement intérieur du rotor 10 vu dans la section méridienne. En outre, le contour de carter 17 radialement extérieur du détendeur radial et l’orientation d’un bord d’attaque d’écoulement 14 et d’un bord de fuite d’écoulement 15 d’une pale 12 sont illustrés à la . Selon la , le bord d’attaque d’écoulement 14 est placé de manière oblique par rapport à la direction axiale A et à la direction radiale R de telle sorte qu’un point d’intersection Si du bord d’attaque d’écoulement 14 avec le contour de moyeu 16 soit situé sur un rayon ri qui est inférieur au rayon ra, sur lequel un point d’intersection Sa du bord d’attaque d’écoulement 14 avec le contour de carter 17 est situé. Le rayon ri correspond au rayon côté moyeu du bord d’attaque d’écoulement 14. Il est en outre illustré à la qu’un point d’intersection Sx du bord de fuite d’écoulement 15 avec le contour de moyeu 16 radialement intérieur présente une plus courte distance dans la direction axiale A par rapport aux points d’intersection Si et Sa que le point d’intersection Sy du bord de fuite d’écoulement 15 avec le contour de carter 17 radialement extérieur. Dans d’autres modes de réalisation, le point d’intersection Sx du bord de fuite d’écoulement 15 avec le contour de moyeu 16 intérieur peut également être situé à la même distance ou à une plus grande distance dans la direction axiale A par rapport aux points d’intersection Si et Sa que le point d’intersection Sy du bord de fuite d’écoulement 15 avec le contour de carter 17 radialement extérieur. Un tel détendeur radial est également appelé détendeur diagonal. Selon l’invention, le contour de moyeu 16 radialement intérieur du rotor 10 est profilé dans certaines positions circonférentielles vues dans la section méridienne d’une manière telle que le contour de moyeu 16 dans ces positions circonférentielles, vu dans la section méridienne, comprend un changement de courbure d’une manière telle que, de manière adjacente au côté d’attaque d’écoulement du rotor 10 ou au bord d’attaque d’écoulement 14 des pales 12, le contour de moyeu 16 radialement intérieur, vu dans la section méridienne, est incurvé radialement vers l’extérieur et, de manière adjacente au côté de fuite d'écoulement du rotor 10 ou au bord de fuite d’écoulement 15 des pales 12, vu dans la section méridienne, est incurvé radialement vers l’intérieur. Le contour de moyeu 16 radialement intérieur comprend le changement de courbure vu dans la direction de marche de celui-ci entre les points d’intersection Si et Sx, le changement de courbure au point d’inflexion WP étant positionné entre la portion du contour de moyeu 16 incurvée radialement vers l’extérieur et la portion du contour incurvée radialement vers l’intérieur. L’incurvation du contour de moyeu 16 radialement vers l’extérieur de manière adjacente au côté d’attaque d’écoulement du rotor 10 est représentée à la par le rayon r1. L’incurvation du contour de moyeu 16 radialement vers l’intérieur de manière adjacente au côté de fuite d’écoulement est représentée à la par le rayon r2. Il convient de remarquer que, vu dans la longueur utile ou la direction de marche du contour de moyeu 16, le rayon r1 partant du point d’intersection Si change, de la même manière que le rayon r2 vu à partir du point d’inflexion WP dans la direction du point d’intersection Sx change. Dans chaque position de la longueur utile du contour de moyeu 16 radialement intérieur, un rayon individuel r1 ou r2 peut être présent, le contour de moyeu 16 radialement intérieur n’étant pas incurvé au point d’inflexion WP afin de produire le changement de courbure. À de telles positions circonférentielles du rotor 12 auxquelles le contour de moyeu 16, vu dans la section méridienne, comprend le changement de courbure, le point d’inflexion WP et ainsi le changement de courbure sont situés dans une plage entre 5 % et 45 % de la longueur utile du contour de moyeu 16 radial entre le point d’intersection Si et le point d’intersection Sx, le point d’intersection Si étant situé à 0 % de la longueur utile et le point d’intersection Sx à 100 % de la longueur utile du contour de moyeu 16 radialement intérieur. En outre, il est prévu qu’aux positions circonférentielles du rotor 10 auxquelles le contour de moyeu 16 radialement intérieur, vu dans la section méridienne, comprend le rayon de courbure, un rapport entre le rayon de courbure r1 de la portion du contour de moyeu 16 incurvée radialement vers l’extérieur et le rayon ri côté moyeu du point d’intersection du bord d’attaque d’écoulement 14 avec le contour de moyeu 16 est supérieur à 1. Ainsi : r1/ri > 1 s’applique. En outre, il est prévu qu’aux positions circonférentielles du rotor 10 auxquelles le contour de moyeu 16 radialement intérieur, vu dans la section méridienne, comprend le changement de courbure, un rapport entre un rayon de courbure minimum r2 MIN de la portion du contour de moyeu 16 incurvée radialement vers l’intérieur et le rayon ri côté moyeu du point d’intersection du bord d’attaque d’écoulement 14 avec le contour de moyeu 16 est inférieur à 2. Ainsi : r2 MIN/ri Comme déjà expliqué, le point d’inflexion WP et donc le changement de courbure sont positionnés entre 5 % et 45 % de la longueur utile du contour de moyeu 16 radialement intérieur entre le contour de moyeu 16 incurvé radialement vers l’extérieur et le contour de moyeu 16 incurvé radialement vers l’intérieur. Comme déjà expliqué également, le rayon de courbure r1, r2 respectif de la courbure du contour de moyeu 16 change à la fois en amont du point d’inflexion WP et en aval du point d’inflexion WP. Il est de préférence prévu que le rayon de courbure minimum r2 MIN en aval du point d’inflexion WP, dans lequel le contour de moyeu 16 est incurvé radialement vers l’intérieur, soit situé entre 5 % et 30 % de la longueur utile après le point d’inflexion WP. Comme déjà expliqué, le contour de moyeu 16 comprend le profilage ci-dessus présentant le changement de courbure au moins à certaines positions circonférentielles vues dans la section méridienne. Selon une variante de l’invention, le contour de moyeu 16 radialement intérieur du rotor 10, vu dans la section méridienne, est profilé de façon identique dans la direction circonférentielle dans toutes les positions circonférentielles. Ceci mène alors à un profilage symétrique sur la circonférence du contour de moyeu 16 radialement intérieur dans la direction circonférentielle. Selon une deuxième variante de l’invention, le contour de moyeu 16 radialement intérieur du rotor 10, vu dans la section méridienne, est profilé différemment dans la direction circonférentielle. De préférence, ceci s’effectue d’une manière telle qu’entre deux pales 12 adjacentes dans la direction circonférentielle, le contour de moyeu 16 radialement intérieur, vu dans des premières sections méridiennes, comprend le changement de courbure décrit ci-dessus et, vu dans des deuxièmes sections méridiennes, ne comprend aucun changement de courbure, à savoir avec des rayons de courbure changeant chacun dans la direction circonférentielle, de sorte qu’entre deux pales 12 adjacentes dans la direction circonférentielle un pic incurvé radialement vers l’extérieur et un creux incurvé vers l’intérieur sont formés sur le contour de moyeu 16 radialement intérieur. Dans les sections méridiennes sans changement de courbure, le contour de moyeu 16 radialement intérieur est incurvé de manière continue radialement vers l’intérieur, à savoir avec un rayon de courbure changeant dans la direction de marche. La illustre de multiples contours de moyeu 16 radialement intérieurs entre deux pales 12 de sections méridiennes espacées dans la direction circonférentielle. Des portions du contour de moyeu 16 sur le côté d’attaque d’écoulement incurvées radialement vers l’extérieur définissent le pic respectif, des portions du contour de moyeu 16 incurvé radialement vers l’intérieur définissent le creux respectif, les creux et les pics vus dans la direction de marche du contour de moyeu 16 radialement intérieur étant formés de manière adjacente au côté d’attaque d’écoulement. En particulier lorsqu’il est vu dans la direction circonférentielle, le contour de moyeu 16 radialement intérieur change dans la section méridienne, il est de préférence prévu qu’entre deux pales adjacentes dans la direction circonférentielle, le rapport r1/ri entre le rayon de courbure r1 de la portion du contour de moyeu 16 incurvée radialement vers l’extérieur et le rayon ri côté moyeu du bord d’attaque d’écoulement 14 de la pale 12 et/ou le rapport r2/ri entre le rayon de courbure r2 de la portion du contour de moyeu 16 incurvée radialement vers l’intérieur et le rayon ri côté moyeu du bord d’attaque d’écoulement 14 des pales 12 change et/ou la position du changement de courbure et ainsi du point d’inflexion WP entre les courbures le long de la longueur utile du contour de moyeu 16 radialement intérieur changent chacun d’au maximum 15 %. Dans ce cas, il est prévu en outre que le contour de moyeu 16 radialement intérieur du rotor 10 soit répété cycliquement dans chaque cas entre deux pales 12 qui sont adjacentes dans la direction circonférentielle. Par conséquent, un pic et un creux sont formés de manière adjacente au côté d’attaque d’écoulement entre deux pales respectives adjacentes. Le détendeur radial selon l’invention, qu’il soit doté d’un contour de moyeu profilé de manière symétrique sur la circonférence ou d'un contour de moyeu profilé de manière asymétrique sur la circonférence, a un rendement élevé car, en particulier, des écoulements secondaires dans la direction de la hauteur des canaux d’écoulement entre les pales 12 peuvent être réduits. En particulier, il existe un meilleur écoulement à travers la région de moyeu des canaux d’écoulement 13. En particulier dans le cas d’un détendeur radial doté d’un contour de moyeu profilé de manière asymétrique sur la circonférence, des phénomènes d’écoulement secondaire tels que des tourbillons en fer à cheval et des tourbillons en canal peuvent être réduits. Liste des numéros de référence 10 Rotor 11 Moyeu 12 Pale 13 Canal d’écoulement 14 Bord d’attaque d’écoulement 15 Bord de fuite d’écoulement 16 Contour de moyeu 17 Contour de carter Détendeur radial servant à détendre un gaz de traitement, ayant un carter avec un rotor (10) monté dans le carter et comprenant de multiples pales (12), les pales (12) du rotor (10), conjointement avec un contour de moyeu (16) radialement intérieur d’un moyeu (11) du rotor (10) et un contour de carter (17) radialement extérieur du carter, définissant des canaux d’écoulement (13) pour le gaz de traitement, dans lesquels le gaz de traitement devant être détendu entre dans la direction radiale ou substantiellement dans la direction radiale et hors desquels le gaz de traitement détendu sort dans la direction axiale ou substantiellement dans la direction axiale, caractérisé en ce que le contour de moyeu (16) radialement intérieur du rotor (10) comprend un changement de courbure au moins à certaines positions circonférentielles vues dans la section méridienne d’une manière telle que, de manière adjacente à un côté d’attaque d’écoulement du rotor, le contour de moyeu (16) radialement intérieur, vu dans la section méridienne, est incurvé radialement vers l’extérieur et, de manière adjacente à un côté de fuite d’écoulement du rotor, le contour de moyeu (16) radialement intérieur, vu dans la section méridienne, est incurvé radialement vers l’intérieur. Détendeur radial selon la revendication 1, caractérisé en ce que le changement de courbure est un changement de courbure unique. Détendeur radial selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce qu’aux positions circonférentielles auxquelles le contour de moyeu (16) radialement intérieur du rotor (10) comprend le changement de courbure dans la section méridienne, le changement de courbure se situe dans une plage entre 5 % et 45 % de la longueur utile du contour de moyeu (16) radialement intérieur. Détendeur radial selon la revendication 1, 2 ou 3, caractérisé en ce qu’aux positions circonférentielles auxquelles le contour de moyeu (16) radialement intérieur du rotor, vu dans la section méridienne, comprend le changement de courbure, un rapport entre le rayon de courbure (r1) de la portion du contour de moyeu (16) incurvée radialement vers l’extérieur et le rayon (ri) côté moyeu d’un bord d’attaque d’écoulement (14) d’une pale (12) est supérieur à 1. Détendeur radial selon l’une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce qu’aux positions circonférentielles auxquelles le contour de moyeu (16) radialement intérieur du rotor (10), vu dans la section méridienne, comprend le changement de courbure, un rapport entre un rayon de courbure minimum (r2-MIN) de la portion du contour de moyeu (16) incurvée radialement vers l’intérieur et le rayon (ri) côté moyeu d’un bord d’attaque d’écoulement (14) d’une pale (12) est inférieur à 2. Détendeur radial selon l’une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce qu’aux positions circonférentielles auxquelles le contour de moyeu (16) radialement intérieur du rotor (10), vu dans la section méridienne, comprend le changement de courbure, un rayon de courbure minimum (r2-MIN) de la portion du contour de moyeu (16) incurvée radialement vers l’intérieur se situe entre 5 % et 30 %, de préférence entre 10 % et 15 % de la longueur utile du contour de moyeu radialement intérieur après le changement de courbure. Détendeur radial selon l’une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que le contour de moyeu (16) radialement intérieur du rotor, vu dans la section méridienne, est profilé différemment dans la direction circonférentielle. Détendeur radial selon la revendication 7, caractérisé en ce que le contour de moyeu (16) radialement intérieur du rotor, vu dans la section méridienne, est profilé différemment dans la direction circonférentielle d’une manière telle qu’entre deux pales (12) adjacentes dans la direction circonférentielle, le contour de moyeu (16) radialement intérieur du rotor (10), vu dans des premières sections méridiennes, comprend le changement de courbure et, vu dans des deuxièmes sections méridiennes, ne comprend aucun changement de courbure, de sorte qu’entre deux pales (12) respectives adjacentes dans la direction circonférentielle un pic incurvé radialement vers l’extérieur et un creux incurvé radialement vers l’intérieur sont formés. Détendeur radial selon la revendication 7 ou 8, caractérisé en ce que le contour de moyeu (16) radialement intérieur du rotor, vu dans la section méridienne, est profilé différemment dans la direction circonférentielle d’une manière telle qu’entre deux pales (12) adjacentes dans la direction circonférentielle, le rapport entre le rayon de courbure (r1) de la portion du contour de moyeu (16) incurvée radialement vers l’extérieur et le rayon (ri) côté moyeu d’un bord d’attaque d’écoulement (14) des pales change. Détendeur radial selon l’une quelconque des revendications 7 à 9, caractérisé en ce que le contour de moyeu (16) radialement intérieur du rotor, vu dans la section méridienne, est profilé différemment dans la direction circonférentielle d’une manière telle qu’entre deux pales (12) adjacentes dans la direction circonférentielle, le rapport entre le rayon de courbure (r2) de la portion du contour de moyeu (16) incurvée radialement vers l’intérieur et le rayon (ri) côté moyeu d’un bord d’attaque d’écoulement (14) des pales change. Détendeur radial selon l’une quelconque des revendications 7 à 10, caractérisé en ce que le contour de moyeu (16) radialement intérieur du rotor, vu dans la section méridienne, est profilé différemment dans la direction circonférentielle d’une manière telle que la position du changement de courbure change d’au maximum 15 % le long de la longueur utile du contour de moyeu (16) radialement intérieur. Détendeur radial selon l’une quelconque des revendications 7 à 11, caractérisé en ce que le contour de moyeu (16) radialement intérieur du rotor entre deux pales (12) respectives adjacentes dans la direction circonférentielle comporte un pic et un creux formés de manière adjacente au côté d’attaque d’écoulement du rotor entre ces deux pales respectives adjacentes. Détendeur radial selon l’une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que le contour de moyeu (16) radialement intérieur du rotor, vu dans la section méridienne, est profilé pareillement dans toutes les positions circonférentielles.