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"Turbine"
La présente invention concerne'une turbine pour la détente de fluides, ou agents moteurs se trouvant à différentes pressions et se caractérise essentiellement en ce que les fluides considérés sont conduits en courants séparés, par des systèmes d'aubes directrices ou de tuyères, dans des couronnes d'aubes disposées sur le rotor de la turbine et adaptées chaeune au fluide correspondant, c'est-à-dire qu'il est prévu pour le fluide moteur à la plus haute pression, essentiellement des aubes à action, pour le fluide à la plus basse pression, essentiellement des aubes à réaction., et, éventuellement, pour le fluide ou les fluides à pression intermédiaire, des aubes de profil transitoire (ou de profils tansitories).
L'invention est basée sur le fait connu que les aubes à action nécessitent une vitesse d'aubes beaucoup plus réduite Que les aubes à réaction. Si donc .des couronnes d'aubes dans lesquelles doivent passer les fluides/très haute pression sont équipées d'aubes à action, et que les couronnes d'aubes pour le fluide à basse pression sont équipées d'aubes' à réaction, on peut obtenir un bon rendement de la turbinetant pour la partie de turbine mue par le fluide à haute pression que pour celle mue par le fluide à basse pression., L'invention a donc pour but de provoquer aussi rapidement que possible une tellement grande chute de pression des fluides ;
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haute pression , que ceux-si soit mis à égalite avec le fluide à basse pression en ce qui concerne les conditions de pression. Si l'on donne aux aubes à action pour le fluide,, à haute pression uns vitesse périphérique plus grande qu'aux aubes à réaction pour le fluide à basse pression,
on arrive à ce qus la détenue jusqu'à une pression finale determince puisse se faire pour toutes les fluides dans un mène nombre d'étapes. Ceci donne la possibilité de modes de construction plus simples, puisque les différents fluides peuvent être conduits en courents conceltriques à travers des. couronnes d'auoes disposses nadialsme tles unes autour des 'autres sur le même rotor.
Il peut être utile, dans certaines circonstances,de prévoir pour les fluides à haute pression un étage de détente supplémentaire du type à action. Les aubes à action peuvent de la sorte recevoir une vitesse plus faible que les aubes a réaction, de telle manière que le fluide à haute pression se trouve à la sortie de l'étage à action dans les racines conditions que le fluide à basse pression au point de vue énergie potentielle. Dans le cas de grandes différences de pression entre les différents fluides, on peut naturellement prévoir un ou plusieurs étages supplémentaires pour le ou les fluides à haute pression.
Au cas où la turbine doit être actionnée par les gaz d'échappement d'un'moteur à combustion., gaz pris à des pressions différentes, il y a encore une raison supplémentaire d'équiper d'aubes à réaction la partie de la turbine traversée par le gaz à basse pression. En effet, lorsque la charge du moteur à combustion varie, la perte de chaleur du gaz à basse pression varie relativement beaucoup plus que celle du gaz à haute pression. Une turbine à réaction est beaucoup plus sensible à un tel changement qu'une turbine à action. Le rendement de la turbine à réaction ne sera des lors presque pas influencé par des changements dans la charge de la machine.
Dans les dessins ci-annexés se trouvent représentés quelques exemples de réalisation d'une turbine conçue suivant l'invention, et qui est actionnée par des Gaz d'échappement à deux pressions différentes provenant d'un moteur à compustion.
La fig. 1 est une @ompe axialedans le premier exemple de réalisation.
Les fis. . et 5 sont des coupes dans les systèmes d'aubes directrices ou de tuyères et dans les couronnes d'aubes, respecti- vement suivant les lignes II-II et III-III de la fig. 1 . La fig.
4 montre une coupe axiale dans le deuxième exemple de réalisa-tion , et les fig. 5 et6 sont des coupes dans les systèmes d'au- bes directrices ou de tuyères et dans les couronnes d'aubes, res-
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pectivement suivant les lignes V-V et VI-VI de la f ig. 4.
A la fig. l, la conduite d'admission pour les gaz d'é- chappement à pression plus élevée ou pour les gaz à haute pres- sion est désignée pari , et la conduite d'admission pour les gaz à basse pression,par 2. Une paroi de séparation 3 forme une chambre d'admission 4, essentiellement extérieure .pour le gaz à haute pression et une chambre d'admission, 5, intérieu- re , pour le gaz à basse pression.
L'afflux des gaz au rotor 6 est réglé: par des systèmes d'aubes directrices ou de tuyères 7 et 8, montées sur des anneaux concentriques à l'arbre 9 de la turbine et situées dans le même plan. Le rotor est équipé de deux couronnes con- centriques d'aubes 10 et 11, correspondant aux deux systèmes de tuyères 7 et 8, et séparées par une cloison ou paroi inter-' médiaire 12. La conduite d'échappement de.la tuyère est désignée par 13.
Comme on peut le voir sur les fige 2 et 5, qui sont -des coupes à travers les tuyères et les aubes des deux systèmes, les aubes 14 dans la couronne extérieure 7 pour le gaz à haute pression sont essentiellement profilées comme des aubes à action, tandis que les aubes 15 dans la couronne intérieure 11 pour le gaz à basse pression sont profilées comme des aubes à réaction.
Du fait que les aubes à action se trouvent dans la couronne extérieure de plus grand diamètre, leur vitesse sera plus'grande que celle dés aubes à réaction,et les vitesses des aubes ont des valeurstelles que l'on peut obtenir de bons rendements tant dans la partie à action Que dans la partie à réaction.
Il est avantageux, au point de vue des pertes'par manque d'étanchéité et du rendement de la partie à action, delaisser travailler la partie à action avec une-légère surpression. Celle- ci est utilement choisie de grandeur telle que la pression dans l'espace intermédiaire 16 entre les tuyères et le rotor soit à peu près la même pour les aubes à action et pour les aubes à réaction.
Un deuxième exemple de réalisation de turbine fonctionnant avec des gaz à pression différentes et avec des admissions con- centriques pour le gaz à haute pression et le gaz à basse ores- sion est représenté à la Fig. 4 . loi, 17 désigne l'admission pour le gaz à basse pression et 18 l'admission pour le gaz à haute pression. La cloison 19 sépare les admissions l'unie l'autre, de telle sorte que, comme dans l'exemple de. réalisation suivant la fig. l, il se forme deux chambres d'admission 20 et ,:il. Ici, cependant, la chambre d'admission 20 pour le gaz à basse pression se trouve à l'extérieur de la chambre d'admission
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21 pour le gaz à haute pression.
Le gaz à haute pression passe d'aboud dans un système de
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tuyères F..;, de là dans une couronne dl aubes 2;.:) ot uile :';01:,:1.'Ol1n8 d'aubes directrices ";4, ainsi que, fiii#1-e:.iei;t,cLz<ns une autre couronneà aubes 25, prévue en même temps pour le gaz à haute pression et ?our le gaz basse pression. Ce dernier est amené 2 la couronne précitée 25 à travers un système ue tuyères 26. La conduite d'échappement de la turbine est désignée par 27.
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,)Ol11T.W cela a:?l?are1t sur les fis. 5 et 3, les auoes (,,13 la couronne à aubes SO-1l--'.- profilées OO.I11,.e de.-j auoec 1:.:. action et celles de la couronne 25 comme des aubes à réaction. Le gaz à haute pression passe donc, outre à travers une couronne d'aubes à action, aussi à travers une couronne d'aubes à réaction.
Dans cette opération, la chute de température est répar- tie sur les aubes à action etles aubes à réaction de telle sorte que la pression de gaz sur l'aube à. réaction, commune aux gaz à haute et à basse pression soit sensiblement constante tout le long de l'aube, donc aussi bien en avalde .La partie à action qu'en aval des aubes directrices dans la partie à
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réaction pour le gaz à basse :pression,c'est-8-dire dans l'espace 28.
Comme le gaz à haute pression passe dans deux couronnes d'aubes dont l'une a des auoes à action, tandis que le Gaz à basse pression ne passe qu'à travers une seule couronne,munie d'aubes à réaction, la vitesse périphérique prend une valeur
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telle, que l'on ohtie.'it de bons xi1!l:K rendements tant dans la partie de la turbine traversée par le gaz à basse pression que dans la partie de la turbine traversée par le gaz à haute pression.
L'invention n'est naturellement pas limitée aux exemples de réalisation représentés sur les dessins,mais peut être modifiée dans les détails;µ L'invention n'est,par exemple,pas limitée à une turbine seulement pour deux fluides dans des états différents,mais comprend également les turbines pour plus de deux fluides qui ont des pressions différentes et pour les- quels on ménage des admissions concentriques au rctor de la turbine.
Les différences de diamètre entreles différents sys- tomes d'aubes directrices ou de tuyères etles couronnes d'au- bes peuventêtre lus grandes que dans los exemples donnés, en vue d'adapter les vitesses périphériques des aubes aux différents fluides, On peut prévoir plus de deux couronnes d'au- bes montées axialement los unes derrière les autres et la même couronne d'aubes peut être commune à plus de doux systèmes de @
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tuyères concentriques.
Au cas où l'on emploie plus de deux couronnes % concentriques d'aubes et que la couronne extérieure est munie d'aubes à action et la couronne intérieurà d'aubes à réaction, les aubes des couronnes intermédiaires peuvent utilement présenter une -forme' de transition entre les deux aubages précités.
Ci-dessus, il n'est décrit que des exemples de réalisation de turbines suivant l'invention, conçues sous la forme de turbines axiales. L'invention peut toutefois trouver son application sans difficultés également dans les turbines radiales. Dans ce cas, l'adaptation des systèmes d'aubes aux différents fluides peut se faire-avantageusement en prévoyant un nombre différent de couronnes d'aubes en correspondance avec les différents systèmes de tuyères.
Enfin,la turbine suivant l'invention peut aussi être
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construite comme turbine à double rotation ,cest-à-dire avec des couronnes d'aubes directrices tournant en sens inverse des couronnes d'aubes mobiles,grâce à quoi la vitesse des aubes peut être réduite de moitié tout en conservant le même rendement.
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1. Turbine pour la détente de fluides ou agent moteurs se trouvant à des pressions différentes,caractérisée'en ce que les fluides considérés sont conduits en courants séparés à travers des systèmes d'aubes directrices ou de tuyères ,clans des couronnes d'aubes prévues sur le rotor de la turbine , et adaptées chacune au fluide correspondant , c'est-à-dire qu'il est prévu pour le fluide à la plus haute pression, essentiellement des aubes à action, pour le fluide à la plus basse pression, essentiellement des aubes à réaction, et, éventuellement, pour le fluide (ou les fluides) à pressionr intermédiaire, des aubes de profil transitoire (ou de profils 'transitoires).
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"Turbine"
The present invention relates to a turbine for the expansion of fluids, or driving agents located at different pressures and is essentially characterized in that the fluids considered are conducted in separate streams, by systems of guide vanes or nozzles, in vane rings arranged on the rotor of the turbine and adapted chaeune to the corresponding fluid, that is to say that it is provided for the working fluid at the highest pressure, essentially action vanes, for the fluid at the lowest pressure, essentially reaction vanes., and, optionally, for the fluid or fluids at intermediate pressure, vanes of transient profile (or of tansitory profiles).
The invention is based on the known fact that action vanes require a much lower vane speed than reaction vanes. If, therefore, vane rings through which the fluids / very high pressure must pass are equipped with action vanes, and the vane rings for the low pressure fluid are equipped with reaction vanes, it is possible to obtain a good efficiency of the turbinetant for the part of the turbine driven by the fluid at high pressure as for that driven by the fluid at low pressure., The object of the invention is therefore to cause as quickly as possible such a large pressure drop fluids;
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high pressure, that these be put on par with the low pressure fluid as regards the pressure conditions. If one gives to the vanes with action for the fluid, at high pressure a greater peripheral speed than with the vanes with reaction for the fluid at low pressure,
it is achieved that the holding up to a determined final pressure can be done for all fluids in a few number of steps. This gives the possibility of simpler construction methods, since the different fluids can be conducted in conceltric currents through them. auoes rings arranged nadialsme around each other on the same rotor.
It may be useful, in certain circumstances, to provide for high pressure fluids an additional expansion stage of the action type. The action vanes can thus be given a slower speed than the reaction vanes, so that the high pressure fluid is at the outlet of the action stage in the roots conditions than the low pressure fluid in the roots. potential energy point of view. In the case of large pressure differences between the different fluids, it is naturally possible to provide one or more additional stages for the high pressure fluid (s).
In the event that the turbine is to be powered by the exhaust gases of a combustion engine, gases taken at different pressures, there is still an additional reason to equip the turbine part with reaction vanes. crossed by gas at low pressure. Indeed, when the load of the combustion engine varies, the heat loss of the low pressure gas varies relatively much more than that of the high pressure gas. A reaction turbine is much more sensitive to such a change than an action turbine. The efficiency of the reaction turbine will therefore hardly be affected by changes in the load on the machine.
In the accompanying drawings are shown some embodiments of a turbine designed according to the invention, and which is actuated by exhaust gases at two different pressures from a combustion engine.
Fig. 1 is an axial pump in the first embodiment.
The fis. . and 5 are cross sections in the guide vane or nozzle systems and in the vane crowns, respectively along lines II-II and III-III of FIG. 1. Fig.
4 shows an axial section in the second exemplary embodiment, and FIGS. 5 and 6 are cross-sections in the systems of guide vanes or nozzles and in the vane crowns, res-
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pectively along lines V-V and VI-VI of f ig. 4.
In fig. l, the inlet pipe for the higher pressure exhaust gases or for the high pressure gases is designated pari, and the inlet pipe for low pressure gases, by 2. A wall The separation chamber 3 forms an essentially outer inlet chamber 4 for high pressure gas and an inner inlet chamber 5 for low pressure gas.
The flow of gases to the rotor 6 is regulated: by systems of guide vanes or nozzles 7 and 8, mounted on rings concentric with the shaft 9 of the turbine and located in the same plane. The rotor is equipped with two concentric rings of vanes 10 and 11, corresponding to the two nozzle systems 7 and 8, and separated by a partition or intermediate wall 12. The exhaust pipe of the nozzle is designated by 13.
As can be seen from figs 2 and 5, which are sections through the nozzles and vanes of both systems, the vanes 14 in the outer ring 7 for the high pressure gas are essentially shaped like action vanes. , while the vanes 15 in the inner ring 11 for the low pressure gas are shaped like reaction vanes.
Because the action vanes are in the larger diameter outer ring, their speed will be greater than that of reaction vanes, and the vane speeds have values such that good yields can be obtained both in the action part That in the reaction part.
It is advantageous, from the point of view of losses due to lack of sealing and the efficiency of the action part, to let the action part work with a slight overpressure. This is usefully chosen of a magnitude such that the pressure in the intermediate space 16 between the nozzles and the rotor is approximately the same for the action vanes and for the reaction vanes.
A second embodiment of a turbine operating with gases at different pressures and with concentric inlets for the high pressure gas and the low pressure gas is shown in FIG. 4. law, 17 designates the inlet for low pressure gas and 18 the inlet for high pressure gas. The partition 19 separates the inlets from one another, so that, as in the example of. embodiment according to FIG. l, two intake chambers 20 are formed and,: il. Here, however, the inlet chamber 20 for the low pressure gas is outside the inlet chamber.
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21 for high pressure gas.
The gas at high pressure passes from aboud in a system of
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nozzles F ..;, from there in a crown of vanes 2 ;. :) ot uile: '; 01:,: 1.'Ol1n8 of guide vanes "; 4, as well as, fiii # 1-e: .iei ; t, cLz <ns another impeller 25, provided at the same time for the high pressure gas and for the low pressure gas, the latter being fed to the aforementioned ring 25 through a nozzle system 26. The pipe d The turbine exhaust is designated 27.
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,) Ol11T.W this has:? Are1t on the fis. 5 and 3, the auoes (,, 13 the paddle wheel SO-1l --'.- profiled OO.I11, .e de.-j auoec 1:.:. Action and those of the crown 25 like The high pressure gas therefore passes, in addition to a ring of action blades, also through a ring of reaction blades.
In this operation, the temperature drop is distributed over the action vanes and the reaction vanes so that the gas pressure on the vane is. reaction, common to gases at high and low pressure is substantially constant throughout the blade, therefore both downstream of the action part and downstream of the guide vanes in the part to
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reaction for the gas at low pressure, i.e. in space 28.
As the gas at high pressure passes through two crowns of blades, one of which has action blades, while the gas at low pressure passes only through a single crown, provided with reaction blades, the peripheral speed takes a value
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such that one ohtie.'it good xi1! l: K yields both in the part of the turbine through which the gas at low pressure and in the part of the turbine through which the gas at high pressure.
The invention is naturally not limited to the exemplary embodiments shown in the drawings, but can be modified in the details; µ The invention is, for example, not limited to a turbine only for two fluids in different states , but also includes turbines for more than two fluids which have different pressures and for which concentric inlets to the turbine rotor are provided.
The differences in diameter between the different systems of guide vanes or nozzles and the crowns of vanes can be greater than in the examples given, in order to adapt the peripheral speeds of the vanes to the different fluids. two crowns of blades mounted axially behind each other and the same crown of blades may be common to more than gentle systems of @
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concentric nozzles.
If more than two concentric vane rings are used and the outer ring is provided with action vanes and the inner ring has reaction vanes, the vanes of the intermediate rings may usefully have a shape. transition between the two aforementioned blades.
Above, only exemplary embodiments of turbines according to the invention, designed in the form of axial turbines, are described. The invention can, however, find its application without difficulty also in radial turbines. In this case, the adaptation of the vane systems to the different fluids can be done-advantageously by providing a different number of vane crowns in correspondence with the different nozzle systems.
Finally, the turbine according to the invention can also be
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built as a double-rotating turbine, that is, with guide vane crowns rotating in the opposite direction to the rotating vane crowns, whereby the speed of the blades can be halved while maintaining the same efficiency.
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1. Turbine for the expansion of fluids or motive agents at different pressures, characterized in that the fluids considered are conducted in separate streams through systems of guide vanes or nozzles, clans crowns of blades provided on the rotor of the turbine, and each adapted to the corresponding fluid, that is to say that it is provided for the fluid at the highest pressure, essentially action vanes, for the fluid at the lowest pressure, essentially reaction vanes, and, optionally, for the fluid (or fluids) at intermediate pressure, vanes of transient profile (or of transient profiles).