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Turbine à vapeur ou à gaz.
Dans les turbines à vapeur et % combustion interne qui sont destinées à fonctionner avec un fluide moteur de température élevée, il est particulièrement désirable d'abaisser la haute température par transformation en travail mécanique aussi rapidement que possible. on a par conséquent l'habitude, dans les turbines de ce genre, d'actionner les roues mobiles au moyen de tuyères dans lesquelles la fluide moteur se détend au point que la vitesse atteinte est audessus de la vitesse critique. On utilise par conséquent des tuyères allant en s'élargissant, dites tuyères de Lavai.
Il a été proposé également de conduire successivement le courant de gaz de grande vitesse sortant de semblables tuyères fixes sur des roues qui se meuvent en sens inverse pour évi, ter les pertes dans une couronne fixe d'aubes d'inversion
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entre les deux roues*
Ce qui est décisif pour le rendement de la turbine, c'est toutefois la vitesse relative entre les tuyères dans lesquelles le fluide moteur est porté à une vitesse élevée et la première couronne de roue mobile actionnée par ce fluide moteur. Plus on peut prendre grande cette vitesse, meilleur sera la rendement de la turbine.
Par les propriétés de solidité de la matière, une limite supérieure est toutefois imposée à la vitesse périphérique de la roue actionnée, limite supérieure qui spécialement pour la fluide moteur de tempe- rature élevée, se trouve notablement en-dessous de celle qui est désirée en tenant compte de la vitesse de sortie du flui@ de moteur des tuyères.
Comme la vitesse périphérique de la roue actionnée doit, pour des raisons.,.de solidité, être maintenue en-dessous de la valeur désirée, on a prévu suivant la présente invention, pour l'augmentation de la vitesse relative entre la couronne de tuyères et la couronne de roue mobile actionnée par celle-ci, un système de tuyères tournant avec un nombre de tours plus petit que la roue actionnée, système qui transforme la pression du fluide moteur chaud et est refroidi par du fluide moteur non encore échauffé ayant environ la même tension que le fluide moteur chaud.
Par ce refroidissement au moyen du fluide moteur non encore chauffé, il est possible de maintenir apte au fonctionnement la matière du système de tuyères tournant, sans devoir employer un refroidissement eau qui dans un système de tuyères tournant, aurait des inconvénients au point de vue du fonctionnement. Il est plus favorable également au point de vue de l'économie thermique d'apporter les chaleurs ex traites inévitablement par la refroidissement du fluide moteur au fluide moteur non encore échauffé qui suit, que de l'envoyer dans l'eau de refroidissement.
Le dessin représente à titre d'exemple une forme de
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réalisation de l'invention. La fig. 1 montre une coupa mé- ridienne par la turbina, dans laquelle toutefois la roue mobile est dessinée en vue. La fig. 2 montre une coupe dans la sens périphérique par le milieu des tuyères, la fig. 3 une coupe par la ligne A-A vue dans le sens des flèches, la fig. 4 une vue d'une tuyère regardée dans le sens de la ligne de coupe A-A dans la tuyère.
L'espace annulaire 2, reconnaissable à la fig. 1 est délimité extérieurement par l'anneau de logement 3 qui est repos et intérieurement par la paroi cylindrique 4 apparte¯ nant à la partie tournante, tandis que les parois frontale: sont formées par le piston de décharge 5 tournant également et par la paroi 6 dans laquelle se trouvent les tuyères 7.
Le corps tournant est rendu étanche d'une manière connue par les dispositifs à labyrinthe 8 et 9 par rapport à l'an' neau de logement 3 qui est au repos.
L'air comprimé non encore échauffé venant du compres- seur entre par la tubulure 10 dans l'espace annulaire 2, passe alors la l'intérieur de la couronne de tuyères dans des évidements de la paroi frontale 6 portant les tuyères, baigne les tuyères 7 en un courant dirigé radialement de l'intérieur vers l'extérieur pour être évacué ensuite que= que peu échauffé par la tubulure 11. De là il parvient en passant par un régénérateur non représenté au dessin, où il s'échauffe davantage, dans la chambre de combustion pour parvenir ensuite par la tubulure 12 dans la chambre annulaire 13 qui ne participe pas 1 la rotation.
De cette chambre annulaire 13, les gaz moteurs chauds passent dans les tuyères tournantes 7, y acquièrent une grande vitesse et frappent la sortie des tuyères l'aubage de la roue @ bile 14 à la sortie duquel ils parviennent directement da le canal des gaz d'échappement ou bien, en passant dans t aubage 15 qui est relié rigidement à la couronne de tuyè@ tournante, ils cèdent leur énergie résiduelle pour être
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menés alors de la chambre d'échappement dans un régénérateur dans lequel la chaleur restante est enlevée.
Quoique le corps tournant qui contient des tuyères na puisse pas, à cause de sa construction toujours compliquée, être mis en fonctionnement avec une vitesse périphérique très élevée on peut toutefois atteindre commodément par exemple une vitesse périphérique de 120 mètres par seconde pour les tuyères.
Si la roue mobile 14possède une vitesse périphérique de 280 mètres par seconde, ce qui peut être atteint déjà avec les matériaux connus actuellement, on obtient à cause de la vitesse inverse de la couronne de tuyères par rapport à. la roue mobile 14, une vitesse relative entre les deux pièces de 400 mètres par seconde, ce qui produit un rendement de la turbine beaucoup plus élevé que pour une vitesse relative de 280 mètres par seconde qui s'obtiendrait si le système de tuyères était fixe.
Le fait que la couronne d'aubes 15 qui peut être prévue dans certaines circonstances et qui est reliée rigidement au corps portant la tuyère, ne tourne également qu'à la vitesse minime de 120 mètres par seconde n' est pas un inconvénient vu qu'entre la roue mobile 14 et la couronne de tuyères 15, on obtient de nouveau à cause du mouvement en sens inverse une vitesse relative de 400 mètres par seconde.
A cause de la température élevée des gaz moteurs qui parcourent les tuyères 7, il est nécessaire de refroidir les tuyères d'une p art de l'extérieur, ce qui s'obtient par le fait que l'air comprimé non encore échauffé baigne les tuyères extérieurement, comme on l'a déjà mentionné, en se mouvant dans le sens des flèches représentées aux fig. 1 et 3. 1)' au- tre part, il faut veiller % ce que les tuyères puissent se dilater librement dans toutes les directions à cause de la température élevée qu'elles prennent.
Ceci est obtenu par le fiait que chaque tuyère est insérée isolément au moyen d'un pied 16, en forme de queue d'aronde, dans le cprps rotatif,
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et cela dans des rainures qui sont fraisées dans la direction de la tuyère, c'est à dire dans la direction de la ligne de coupe A-A dans le corps tournant.
Ces pieds 16 en forme de queue d'hironde sont reliés par une pièce da transition mince 17 à la tuyère proprement dite. Pour éviter les tensions thermiques entre les tuyères et la pièce de fixation 16 en forme de queue d'hironde, les pièces 1@ et 17 sont subdivisées perpendiculairement à leur étendue longitudinale par des traits de scie 18 qui sont visibles à la fig. 3.
A l'extrémité de sortie, les faces frontales 19 des tuy௠res s'appliquent contre des faces frontales correspondantes du corps rotatif et cela d'une part contre la paroi 6 et d'autre part contre l'anneau de recouvrement 20, toutefois de telle façon que les tuyères peuvent se dilater de nouveau dans le sens radial de la pièce tournante, ce qui est possible par les joints que l'on put voir à la fig. 3.
Entre les différentes tuyères il reste des fentes libres 21 pour l'air de refroidissement s'écoulant dans le sens radial, fentes par lesquelles l'air de refroidissement parvient dans la chambre 22 qui entoure la couronne de tuyères à l'intérieur de l'anneau de recouvrement 20 et à la sortie de laquelle l'air de refroidissement s'écoule dans le sens axial dans la chambre annulaire 23 qu'il quitte, comme on l'a déjà mentionné, par la tubulure 11.
L'anneau de recouvrement 20 qui participe au mouvement de rotation du Corps est relié à l@ paroi frontale 6 de Ci:) corps par des broches 24 qui s'étendent à travers les espaces 21 entre les tuyères, radialement de l'extérieur vers l'intérieur, et sont fixées dans la paroi frontale 6, pa.r exemple au moyen de goupilles transversales.
Les intervalles 21 entre les tuyères, dans lesquels comme on l'a déjà mentionné, l'air de refroidissement circule radialement de l'intérieur vers l'extérieur, peuvent être
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fermes de raçon etanche a l'extremite de sortie des tuyères ou bien on peut laisser ouvertes volontairement, en ces androits, des joints de petite largeur par lesquels de petites quantités d'air de refroidissement peuvent sortir dans le même sens que les gaz moteurs chauds qui quittent la tuyère.
Dans ce cas les joints doivent également être constitués comme de petites tuyères en s'élargissant 25 pour que 1' air de refroidissement sorte convenablement détendu et avec une vitesse suffisante. On obtient ainsi l'avantage double qu'en premier lieu on produit un refroidissement sur l'aubage de la roue mobile 14 et en second lieu que l'on évite le tourj billonnement et l'effet d'aspiration qui se produisent autrement entre les différents courants de gaz moteurs des tuyères.
Si l'on désire envoyer en outre en un point de la péri- phérie un courant d'air de refroidissement particulier à travers l'aubage de la roue mobile 14, il suffit de ne pas fermer complètement sur la périphérie le canal annulaire 13 hors duquel les gaz chauds sont amenés à l'anneau de tuyères, mais de l'interrompre en un point de façon qu'en cet endroit l'air de refroidissement sortant de l'espace annulaire 2 puisse parvenir directement par les tuyères à l'aubage de la roue mobile 14.
Il est à recommander d'isoler convenablement par rapport à 1' espace 2 les parois du canal annulaire 13 qui le séparent de l' espace 2 et cela le mieux, intérieurement, au moyen d'une couche réfractaire et éventuellement extérieurement par une matière mauvaise conductrice de la chaleur. Comme le corps tournant est parcouru constamment par l'air de refroidissement avec les parois 4, 5 et 6= il ne prend pas une température élevée, ce qui est favorable d'une part pour sa solidité et met à l'abri d'autre part le palier 26 des températures trop élevées.
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Steam or gas turbine.
In steam and internal combustion turbines which are intended to operate with high temperature working fluid, it is particularly desirable to lower the high temperature by converting to mechanical work as quickly as possible. It is therefore customary, in turbines of this kind, to actuate the moving wheels by means of nozzles in which the working fluid expands to the point that the speed reached is above the critical speed. As a result, nozzles are used which widen, called Lavai nozzles.
It has also been proposed to conduct successively the high speed gas stream coming out of similar fixed nozzles on wheels which move in the opposite direction to avoid losses in a fixed ring of reversing vanes.
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between the two wheels *
What is decisive for the efficiency of the turbine, however, is the relative speed between the nozzles in which the working fluid is brought to a high speed and the first movable wheel ring actuated by this working fluid. The higher this speed can be taken, the better the efficiency of the turbine will be.
Due to the solidity properties of the material, however, an upper limit is imposed on the peripheral speed of the driven wheel, which upper limit, especially for high temperature working fluid, is significantly below that desired in taking into account the output speed of the engine fluid from the nozzles.
As the peripheral speed of the driven wheel must, for reasons of solidity, be kept below the desired value, provision has been made according to the present invention for the increase in the relative speed between the ring of nozzles and the movable wheel ring actuated by it, a system of nozzles rotating with a number of revolutions smaller than the actuated wheel, a system which transforms the pressure of the hot working fluid and is cooled by the not yet heated working fluid having about the same voltage as the hot working fluid.
By this cooling by means of the not yet heated working fluid, it is possible to keep the material of the rotating nozzle system suitable for operation, without having to use water cooling which, in a rotating nozzle system, would have drawbacks from the point of view of the operation. It is also more favorable from the point of view of thermal economy to bring the heat ex treated inevitably by the cooling of the driving fluid to the driving fluid not yet heated which follows, than to send it into the cooling water.
The drawing shows by way of example a shape of
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realization of the invention. Fig. 1 shows a meridian section through the turbine, in which however the movable wheel is drawn in view. Fig. 2 shows a section in the peripheral direction through the middle of the nozzles, FIG. 3 a section through the line A-A seen in the direction of the arrows, FIG. 4 a view of a nozzle viewed in the direction of section line A-A in the nozzle.
The annular space 2, recognizable in FIG. 1 is delimited externally by the housing ring 3 which is at rest and internally by the cylindrical wall 4 belonging to the rotating part, while the front walls: are formed by the discharge piston 5 also rotating and by the wall 6 in which the nozzles are located 7.
The rotating body is sealed in a known manner by the labyrinth devices 8 and 9 with respect to the housing ring 3 which is at rest.
The not yet heated compressed air coming from the compressor enters through the pipe 10 into the annular space 2, then passes the inside of the nozzle ring through recesses in the front wall 6 carrying the nozzles, bathes the nozzles 7 in a flow directed radially from the inside to the outside to be then evacuated that = only slightly heated by the pipe 11. From there it comes through a regenerator not shown in the drawing, where it heats up more, in the combustion chamber to then arrive through the pipe 12 in the annular chamber 13 which does not participate in the rotation.
From this annular chamber 13, the hot driving gases pass through the rotating nozzles 7, acquire a high speed there and strike the outlet of the nozzles the blading of the bile wheel 14 at the outlet of which they arrive directly from the gas channel of exhaust or else, passing through the vane 15 which is rigidly connected to the rotating nozzle ring, they give up their residual energy to be
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then led from the exhaust chamber into a regenerator in which the remaining heat is removed.
Although the rotating body which contains nozzles cannot, because of its always complicated construction, be put into operation with a very high peripheral speed, it is however convenient to achieve, for example, a peripheral speed of 120 meters per second for the nozzles.
If the movable wheel 14 has a peripheral speed of 280 meters per second, which can already be achieved with currently known materials, one obtains because of the reverse speed of the nozzle crown with respect to. the moving wheel 14, a relative speed between the two parts of 400 meters per second, which produces a much higher efficiency of the turbine than for a relative speed of 280 meters per second which would be obtained if the nozzle system were fixed .
The fact that the vane ring 15 which may be provided in certain circumstances and which is rigidly connected to the body carrying the nozzle, also only rotates at the minimum speed of 120 meters per second is not a disadvantage since between the movable wheel 14 and the nozzle ring 15, due to the movement in the opposite direction, a relative speed of 400 meters per second is again obtained.
Because of the high temperature of the driving gases which pass through the nozzles 7, it is necessary to cool the nozzles from the outside by one part, which is obtained by the fact that the compressed air not yet heated bathes the nozzles. nozzles on the outside, as has already been mentioned, by moving in the direction of the arrows shown in FIGS. 1 and 3. 1) On the other hand, care must be taken that the nozzles can expand freely in all directions due to the high temperature which they take.
This is obtained by the fact that each nozzle is inserted in isolation by means of a foot 16, in the form of a dovetail, in the rotating cprps,
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and this in grooves which are milled in the direction of the nozzle, that is to say in the direction of the cutting line A-A in the rotating body.
These feet 16 in the shape of a dovetail are connected by a thin transition piece 17 to the nozzle proper. To avoid thermal stresses between the nozzles and the dovetail-shaped fixing part 16, the parts 1 @ and 17 are subdivided perpendicularly to their longitudinal extent by saw cuts 18 which are visible in FIG. 3.
At the outlet end, the end faces 19 of the pipes are applied against corresponding end faces of the rotary body and this on the one hand against the wall 6 and on the other hand against the cover ring 20, however in such a way that the nozzles can expand again in the radial direction of the rotating part, which is possible by the seals which can be seen in fig. 3.
Between the different nozzles there remain free slots 21 for the cooling air flowing in the radial direction, slots through which the cooling air reaches the chamber 22 which surrounds the ring of nozzles inside the nozzle. cover ring 20 and at the outlet of which the cooling air flows in the axial direction into the annular chamber 23 which it leaves, as already mentioned, through the pipe 11.
The cover ring 20 which participates in the rotational movement of the body is connected to the front wall 6 of Ci :) body by pins 24 which extend through the spaces 21 between the nozzles, radially from the outside towards inside, and are fixed in the front wall 6, pa.r example by means of transverse pins.
The gaps 21 between the nozzles, in which, as already mentioned, the cooling air circulates radially from the inside to the outside, can be
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airtight racoon trusses at the outlet end of the nozzles or else small-width joints can be left open voluntarily, in these places, through which small quantities of cooling air can exit in the same direction as the hot engine gases leaving the nozzle.
In this case the seals must also be made as small nozzles, widening so that the cooling air comes out properly relaxed and with sufficient velocity. There is thus obtained the double advantage that in the first place cooling is produced on the blading of the movable wheel 14 and, secondly, in avoiding the vortexing and the suction effect which otherwise occur between the blades. different gas streams driving the nozzles.
If it is also desired to send a particular cooling air stream to a point of the periphery through the blading of the movable wheel 14, it suffices not to completely close the annular channel 13 on the periphery. from which the hot gases are brought to the nozzle ring, but to interrupt it at a point so that at this place the cooling air leaving the annular space 2 can reach the blading directly through the nozzles of the movable wheel 14.
It is recommended to isolate suitably with respect to space 2 the walls of the annular channel 13 which separate it from space 2 and this best, internally, by means of a refractory layer and possibly externally by a bad material. conductive of heat. As the rotating body is constantly traversed by the cooling air with the walls 4, 5 and 6 = it does not take a high temperature, which is favorable on the one hand for its solidity and protects on the other leaves the bearing 26 of excessively high temperatures.