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Turbine à vapeur avec tambour à mouvement opposé
La construction de turbines à vapeur économi- ques offre d'autant plus de difficultés que la pression de vapeur employée est plus élevée.
L'établissement d'un ruban de vapeur active aussi large que possible, ainsi que la nécessité de ré- duire les pertes par défaut d'étanchéité, amènent à adop- ter de petits diamètres d'introduction calculés en tenant compte du faible volume spécifique de la vapeur à haute pression. En même temps, le nombre d'étages augmente, et l'on doit recourir à des nombres de tours élevés de l'ar- bre de la turbine à vapeur, qui rendent nécessaire l'in- sertion de réducteurs de vitesse à engrenages entre la ma- chine d'entraînement et la machine entraînée.
Une grande dépense de mesures constructives est nécessitée par la transformation de la grande hauteur
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chute de la vapeur à haute pression, car le grand nombre d'étages nécessite l'établissement de plusieurs bâtis en série. Surtout dans les machines de faible puissance, cet- te dépense n'est pas en rapport avec le résultat obtenu.
La construction de turbine décrite ci-après tient particulièrement compte des petits volumes de vapeur inhérent aux hautes pressions de vapeur et des grandes hauteurs de chute à utiliser.
La fig. 1 représente, à titre d'exemple, une forme d'exécution de cette construction. Cette construc- tion peut être désignée sous le nom de turbine à mouve- ments opposés axiale, puisque tant les rangées d'aubes qui sont fixées sur la surface extérieure d'un corps cy- lindrique a, que les rangées d'aubes e, qui sont montées sur la surface interne d'un corps tubulaire (cylindrique creux) b, ont le même axe, mais tournent en sens inverse.
L'arrivée de vapeur se fait par des lumières z du rotor interne a, et le raccordement de la conduite tu- bulaire ± par son bout extrême naintenu dans le bâti, dans le sens axial, par des portées n. Les deux rotors cy- lindriques sont pourvus de couronnes d'aubes à pression (aubages externe et interne). La vapeur arrive alternati- vement d'une couronne extérieure du rotor intérieur à la couronne intérieure suivante du rotor extérieur, de telle sorte que la chute de pression est utilisée suivant le système à réaction.
Une disposition particulièrement avantageuse est celle dans laquelle l'arrivée de vapeur se fait dans le plan médian x-x perpendiculaire à l'axe longitudinal de la machine, et dans lequel on emploie deux aubages sy- métriques par rapport à ce plan médian.
Dans cette disposition, on évite le presse-étou- @
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pes à haute pression, et les presse-étoupes w disposés aux extrémités des arbres ne sont soumis qu'à la basse pression d'échappement de la machine. C'est également cette pression qui règne dans l'enveloppe q, entourant les deux rotors, et laquelle est de préférence faite en deux parties, c'est-à-dire avec un joint dans le plan horizontal.
L'aubage à mouvement opposé est donc disposé entre deux corps cylindriques, qui conservent leur forme cylindrique, même en cas de modification des conditions de température. Par suite, les espaces libres radiaux pré- vus entre les aubes et les parties des rotors peuvent être faits plus petits que dans les turbines à vapeur usuelles, dans lesquelles une partie de l'aubage, à savoir les au- bes directrices, sont disposées dans des enveloppes qui sont divisées suivant le plan médian horizontal et qui ne tournent pas, de telle sorte qu'en cas de changement de température, il faut compter avec des déviations cylindri- que circulaire.
Tandis que le rotor a peut être fait d'une seule pièce ou en plusieurs parties, le rotor b se compose d'au moins deux parties, de manière à permettre l'introduction des demi-couronnes d, dans lesquelles sont fixées les aubes e. On assemble ces demi-couronnes pour former des bagues au dessus du rotor garni d'aubes, après quoi on peut glisser, par dessus, le rotor tubulaire b et le réu- nir par vissage avec l'extrémité! de l'arbre.
Les roues dentées ± et h sont entraînées en sens inverse par les deux rotors. Chacun de ces rotors peut actionner une machine distincte. Toutefois, normale- ment, ils entraîneront la même machine, et cela par l'in- termédiaire d'un train d'engrenages réducteur avec un ar @ bre de renvoi.
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Cet entraînement est représenté aux figures 2 et 3 ; roue dentée h engrène directement avec la grande roue dentée 1, montée sur l'arbre entraîné, tandis que la roue dentée g, agit sur la même roue 1 par l'intermé- diaire des deux roues dentées k et 1. montées sur un ar- bre de renvoi, dans le but de renverser son sens de marche.
Le train d'engrenages qui, la plupart du temps, est déjà indispensable pour obtenir, indépendamment du nombre de tours, souvent trop faible, de la machine en- traînée, un nombre de tours aussi élevé que possible de la turbine à vapeur, est aussi employé, par suite de sa conformation particulière, pour transmettre à la machine entraînée, le travail des rotors tournant en sens inver- se.
Lorsque la machine entraînée peut marcher au même nombre de tours, on emploie l'accouplement direct au lieu du train d'engrenages. On peut alors, ou bien accou- pler de chaque côté, avec l'un des arbres, l'une des machi- nes à entraîner, auquel cas celles-ci devront avoir des sens de marche opposés, ou bien la transmission de la far- ce motrice pourra se faire directement, par un des arbres de la turbine, et par l'autre arbre, par l'intermédiaire d'un train d'engrenages, de manière à renverser le sens de marche dans une des machines.
Dans la turbine à double courant représentée à la fig. 1, la vapeur doit être amenée au milieu du rotor à aubes. Au lieu du presse-étoupes à haute pression, on emploie, dans ce cas, le raccordement de la conduite y avec l'arbre a pourvu des alésages z; l'étanchéisage au passage de la conduite à l'arbre peut être fait en laby- rinthe et est situé dans le voisinage de l'extrémité de l'arbre où cet arbre est maintenu axialement par des pa- liers n. Par suite, cette turbine peut être établie avec
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de très petits intervalles libres pour le jeu des orga- nes, et elle ne donne que de faibles pertes de vapeur.
Un autre perfectionnement est représenté aux figures 4 et 5, à savoir l'emploi d'un premier étage à aubes radiales, qui travaille sans perte par les inter- stices et qui utilise l'énergie transmise à la vapeur dans les alésages radiaux. Il est vrai toutefois que la vitesse de sortie de cet étage, qui est constitué par les segments u ne peut pas être communiquée à l'étage sui- vant.
La figure 6 représente aussi un premier étage sans perte par les interstices, mais avec charge axiale, dans lequel les deux premières couronnes d'aubes sont fermées par une bague v. Un étage chargé radialement peut également être prévu au lieu de l'étage à charge axiale t représenté à la figure 1, à la sortie de la vapeur ve- nant du corps creux cylindrique.
Comme représenté à la figure 7, l'aubage à mou- vement opposé peut encore être complété par un aubage normal composé d'aubes directrices et d'aubes motrices.
Les aubes motrices sont fixées sur l'enveloppe exté- rieure du rotor b et les aubes directrices sur l'enve- loppe interne de l'enveloppe a en deux parties. La figure 7 représente une forme d'exécution permettant un prélève- ment de vapaur intermédiaire, et c'est dans ce but que sont prévus les raccords r et la garniture s.
La turbine à vapeur avec tambour à mouvement opposé est particulièrement propre à l'utilisation de va- peut à haute pression, parcequ'elle rend plus facile la solution de la question des presse-étoupes, rend possible l'emploi de petits intervalles pour le jeu des organes, condition préalable de faibles pertes par les intersti- ces et permet l'utilisation de grandes hauteurs de chute/7
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avec un faible nombre d'étages, et une construction de peu de longueur.
Ceci dit, je déclare considérer comme étant de mon invention et revendiquer :
1 .- Une turbine à vapeur ou à gaz avec aubage axial prépondérant, caractérisé en ce que le rotor cy- lindrique de la turbine est entouré, dans sa partie garnie d'aubes, d'un corps creux en forme de tambour, qui est employé comme support des aubes à mouvement oppo- sé, est monté de manière à tourner dans un bâti fixe, et est relié de telle sorte à l'arbre à entraîner que le ro- tor extérieur tourne en sens inverse du rotor intérieur.
2 .- Une turbine à vapeur ou à gaz selon 1, ca- ractérisée en ce que l'arrivée du fluide moteur se fait par des forages du corps cylindrique interne, à celle des extrémités de la turbine à laquelle l'arbre est maintenu fixe dans le bâti, dans le sens axial.
3 .- Une turbine à vapeur et à gaz selon 1 et 2 caractérisée en ce que l'arrivée de vapeur intérieure s'effectue par des lumières qui permettent à la vapeur de sortir au milieu du rotor à aubes, à la surface de celui- ci, d'où cette vapeur, se répondant des deux côtés, est détendue dans deux aubages disposés symétriquement dans le plan médian de la machine, perpendiculaire à l'axe longitudinal.
4 .- Une turbine à vapeur et à gaz selon 1 à 3, caractérisée en ce que la surface extérieure du corps creux tournant, en forme de tambour, porte des rangées d'aubes motrices, qui sont intercalées ensemble avec les rangées d'aubes directrices fixées dans l'enveloppe, en aval de l'aubage disposé intérieurement.
5 .- Une turbine à vapeur et à gaz selon 1 à 3 caractérisée en ce que le premier étage de détente est
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établi pour être chargé radialement.
6 .- Une turbine à vapeur et à gaz selon 1 à 3 caractérisée en ce que le premier des étages à mouvement opposé est établi pour recevoir la charge radialement.
7 .- Une turbine à vapeur et à gaz selon 1 à 4, caractérisée en ce que, dans la direction suivie par la vapeur, une garniture est prévue sur le tambour à mouve- ment opposé, entre l'aubage interne et l'aubage externe et permet l'emploi de la turbine comme turbine à prélève- ment de vapeur, etc...
8 .- Une turbine à vapeur et à gaz selon 1, caractérisée en ce que la transmission de l'énergie des arbres tournant en sens inverse s'effectue par l'intermé- diaire d'un arbre de renvoi, sur l'arbre de la machine entraînée.
9 .- Une turbine à vapeur et à gaz selon 1, caractérisée en ce que les couronnes à mouvement opposé sont logées dans des bagues en deux parties, qui sont conformées de telle sorte que le corps creux en forme de tambour est enfilé, lors du montage de la turbine, dans le sens axial par dessus les bagues, placées elles-mêmes au-dessus du rotor interne, et peut ainsi être assemblé avec ces bagues.
10 .- Une turbine à vapeur et à gaz, selon 1, caractérisée en ce que la transmission de l'énergie s'ef- fectue directement de chacun des arbres à l'une des machi- nes à entraîner, ces dernières devant alors avoir un sens de rotation inverse.
11 .- Une turbine à vapeur et à gaz, selon 1, caractérisée en ce que la transmission de l'énergie s'ef- fectue directement à partir d'un des arbres, et de l'autre, par l'intermédiaire d'un train d'engrenages, sur la même machine.-
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Steam turbine with opposing drum
The higher the vapor pressure employed, the more difficult the construction of economical steam turbines is.
The establishment of an active vapor band as wide as possible, as well as the need to reduce losses due to lack of sealing, leads to adopting small introduction diameters calculated taking into account the small specific volume. high pressure steam. At the same time, the number of stages increases, and one has to resort to high numbers of revolutions of the steam turbine shaft, which necessitates the insertion of gear reducers between the driving machine and the driven machine.
A great expense of constructive measures is required by the transformation of the great height
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high pressure steam drop, because the large number of stages requires the establishment of several frames in series. Especially in low power machines, this expense is not related to the result obtained.
The turbine construction described below takes particular account of the small volumes of steam inherent in high steam pressures and the large drop heights to be used.
Fig. 1 shows, by way of example, one embodiment of this construction. This construction can be referred to as an axial opposing movement turbine, since both the rows of blades which are fixed to the outer surface of a cylindrical body a, and the rows of blades e, which are mounted on the internal surface of a tubular body (hollow cylindrical) b, have the same axis, but rotate in the opposite direction.
The arrival of steam is made by slots z of the internal rotor a, and the connection of the tubular pipe ± by its end n retained in the frame, in the axial direction, by spans n. The two cylindrical rotors are fitted with pressure vane crowns (external and internal vanes). The steam alternately arrives from an outer ring of the inner rotor to the next inner ring of the outer rotor, so that the pressure drop is utilized in the reaction system.
A particularly advantageous arrangement is that in which the arrival of steam takes place in the median x-x plane perpendicular to the longitudinal axis of the machine, and in which two blades are used which are symmetrical with respect to this median plane.
In this arrangement, the stuffing box is avoided.
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pes at high pressure, and the cable glands w arranged at the ends of the shafts are only subjected to the low exhaust pressure of the machine. It is also this pressure which reigns in the envelope q, surrounding the two rotors, and which is preferably made in two parts, that is to say with a seal in the horizontal plane.
The vane with opposite movement is therefore placed between two cylindrical bodies, which retain their cylindrical shape, even if the temperature conditions change. As a result, the radial clearances provided between the vanes and the parts of the rotors can be made smaller than in conventional steam turbines, in which a part of the blading, namely the guide vanes, are arranged. in envelopes which are divided along the horizontal median plane and which do not rotate, so that in the event of temperature change, cylindrical circular deviations have to be reckoned with.
While the rotor a can be made in one piece or in several parts, the rotor b consists of at least two parts, so as to allow the introduction of the half-rings d, in which the blades e are fixed. . These half-rings are assembled to form rings above the rotor fitted with blades, after which the tubular rotor b can be slid over, and joined together by screwing with the end! of the tree.
The ± and h toothed wheels are driven in the opposite direction by the two rotors. Each of these rotors can operate a separate machine. However, normally, they will drive the same machine, and this via a reduction gear train with a return shaft.
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This drive is shown in Figures 2 and 3; toothed wheel h meshes directly with the large toothed wheel 1, mounted on the driven shaft, while the toothed wheel g, acts on the same wheel 1 through the intermediary of the two toothed wheels k and 1. mounted on an ar - bre of return, in order to reverse its direction of travel.
The gear train which, most of the time, is already essential to obtain, independently of the number of revolutions, often too low, of the driven machine, as high as possible number of revolutions of the steam turbine as possible, is also used, owing to its particular conformation, to transmit to the driven machine the work of the rotors turning in reverse.
When the driven machine can run at the same number of revolutions, the direct coupling is used instead of the gear train. One can then either couple on each side, with one of the shafts, one of the machines to be driven, in which case they must have opposite directions of travel, or else the transmission of the far - This drive can be done directly, by one of the shafts of the turbine, and by the other shaft, via a gear train, so as to reverse the direction of travel in one of the machines.
In the double current turbine shown in FIG. 1, the steam should be brought to the middle of the paddle rotor. Instead of the high-pressure cable gland, in this case, the connection of the line y with the shaft provided with bores z is used; the sealing at the passage from the pipe to the shaft can be done in a labyrinth and is located in the vicinity of the end of the shaft where this shaft is held axially by n bearings. Therefore, this turbine can be established with
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very small free intervals for the play of the organs, and it gives only slight losses of vapor.
Another improvement is shown in FIGS. 4 and 5, namely the use of a first stage with radial vanes, which operates without loss through the inter- stices and which uses the energy transmitted to the steam in the radial bores. It is true, however, that the output speed of this stage, which is formed by the segments u, cannot be communicated to the next stage.
FIG. 6 also shows a first stage without loss through the interstices, but with axial load, in which the first two crowns of blades are closed by a ring v. A radially loaded stage can also be provided instead of the axially loaded stage t shown in FIG. 1, at the outlet of the steam coming from the cylindrical hollow body.
As shown in FIG. 7, the opposite-motion vane can also be supplemented by a normal vane composed of guide vanes and drive vanes.
The drive vanes are fixed to the outer casing of the rotor b and the guide vanes to the inner casing of the two-part casing a. FIG. 7 shows an embodiment permitting an intermediate sampling of vapor, and it is for this purpose that the connectors r and the packing s are provided.
The steam turbine with opposite movement drum is particularly suitable for the use of high pressure valves, because it makes the solution of the cable glands easier to solve, makes possible the use of small intervals for the component play, a precondition for low losses through the gaps and allows the use of large heights of fall / 7
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with a small number of floors, and a construction of little length.
That said, I declare to consider as being of my invention and to claim:
1 .- A steam or gas turbine with preponderant axial blading, characterized in that the cylindrical rotor of the turbine is surrounded, in its part filled with blades, by a hollow drum-shaped body, which is used as a support for opposing movement vanes, is mounted so as to rotate in a fixed frame, and is connected in such a way to the shaft to be driven that the outer rotor rotates in the opposite direction of the inner rotor.
2 .- A steam or gas turbine according to 1, charac- terized in that the driving fluid is supplied by boreholes in the internal cylindrical body, to that of the ends of the turbine to which the shaft is kept fixed in the frame, in the axial direction.
3 .- A steam and gas turbine according to 1 and 2 characterized in that the internal steam supply is effected by openings which allow the steam to exit in the middle of the paddle rotor, on the surface thereof. ci, from where this vapor, responding on both sides, is relaxed in two blades arranged symmetrically in the median plane of the machine, perpendicular to the longitudinal axis.
4 .- A steam and gas turbine according to 1 to 3, characterized in that the outer surface of the rotating hollow body, in the shape of a drum, carries rows of drive blades, which are interposed together with the rows of blades guidelines fixed in the casing, downstream of the blading arranged internally.
5 .- A steam and gas turbine according to 1 to 3 characterized in that the first expansion stage is
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established to be radially loaded.
6 .- A steam and gas turbine according to 1 to 3 characterized in that the first of the stages with opposite movement is established to receive the load radially.
7 .- A steam and gas turbine according to 1 to 4, characterized in that, in the direction followed by the steam, a lining is provided on the drum with opposite movement, between the internal vane and the vane external and allows the use of the turbine as a steam extraction turbine, etc.
8 .- A steam and gas turbine according to 1, characterized in that the transmission of energy from the shafts rotating in the opposite direction is effected by means of a countershaft, on the drive shaft. the driven machine.
9 .- A steam and gas turbine according to 1, characterized in that the rings with opposing movement are housed in two-part rings, which are shaped so that the hollow drum-shaped body is threaded, during the mounting of the impeller, in the axial direction over the rings, themselves placed above the internal rotor, and can thus be assembled with these rings.
10 .- A steam and gas turbine, according to 1, characterized in that the energy is transmitted directly from each of the shafts to one of the machines to be driven, the latter then having to have reverse direction of rotation.
11 .- A steam and gas turbine, according to 1, characterized in that the transmission of energy takes place directly from one of the shafts, and from the other, through the intermediary of a gear train, on the same machine.