Turbomachine hydraulique. Lorsque, dans les turbomachines hydrau liques on augmente la vitesse spécifique, les valeurs relatives de diverses vitesses d'écoule ment du fluide augmentent également, et pro voquent notamment dans la région du moyeu, des frottements hydrauliques qui, pour des vitesses spécifiques élevées, peuvent entraî ner une perte de puissance considérable.
La présente invention vise à remédier à cet inconvénient en créant, à la surface des parties centrales de la machine donnant lieu à ces frottements, un milieu de densité plus faible que celle du liquide de travail-utilisé.
La turbomachine hydraulique objet de l'invention, dont le corps central comporte au moins un élément fixe et le moyeu de la roue mobile, ce corps supportant- l'arbre de turbine dont est solidaire cette roue et for mant le canal d'écoulement avec le manteau qui l'entoure, est caractérisée en ce qu'elle comprend des moyens d'amenée d'un fluide gazeux en certains points du corps central pour réduire le frottement hydraulique ré sultant du mouvement relatif dudit moyeu par rapport audit élément fixe du corps cen tral, ainsi que le frottement du liquide utilisé par la turbomachine par rapport à au moins une partie des diverses parois du corps cen tral, en créant sur celle-ci une couche limite de densité plus faible que celle du liquide.
Le dessin annexé représente, schématique ment et à titre d'exemple, quatre formes d'exé cution de la turbomachine objet de l'inven- tion, ces formes consistant en des turbines hydrauliques.
La fig. 1 est une coupe d'une turbine dans laquelle la roue est fixée en bout d'ar bre et porte une ogive.
La fig. 2 est une coupe d'une turbine sem blable à celle de la fig. 1, mais dans laquelle l'ogive est fixe.
La fig. 3 monte une variante de la tur bine représentée en fig. 2.
La fig. 4 est une vue en coupe d'une tur bine dans laquelle l'ogive est placée à l'amont de la roue.
Les différentes turbines représentées an dessin comprennent toutes un manteau ou conduit 1, un arbre 2, un corps central qui comporte une enveloppe-support 4, un moyeu 6 d'une roue mobile 3 et une ogive 5. L'enve- loppe-support 4 supporte et maintient l'arbre 2 en position axiale dans le conduit 1 et l'ar bre 2 porte le moyeu 6.
En outre, toutes ces turbines comprennent des moyens d'amenée d'un fluide gazeux, en l'occurence de l'air, en certains points du corps central, cet air étant destiné à réduire le frot tement hydraulique résultant du mouvement relatif du moyeu 6 par rapport à au moins une partie des éléments fixes du corps cen tral, c'est-à-dire l'enveloppe-support 4 et dans certains cas, l'ogive 5, comme aussi le frotte ment de l'eau par rapport à au moins une partie du moyeu et de l'ogive.
Dans ces différentes formes d'exécution, les moyens d'amenée de l'air comprennent des conduites 7 traversant le conduit 1 et abou tissant sur au moins l'un des éléments fixes du corps central.
A la fig. 1, les conduites 7 traversent ra- dialement le conduit 1 dans des supports pro filés 8. L'air amené remplit d'abord une cham bre annulaire 9 disposée entre un palier 10 et l'extrémité de l'enveloppe-support 4, ce qui protège le palier 10 contre toute pénétration d'eau. De cette chambre 9, l'air peut s'échap per à travers l'espace 11 prévu entre la face 12 du moyeu 6 et la face adjacente de l'en- veloppe-support 4.
A sa sortie de cet espace 11, l'air et le liquide utilisé dans la turbine, par exemple de l'eau, forment un mélange de densité plus faible que l'eau, constituant -une couche limite sur au moins une partie des diverses parois du corps central, clans le cas particulier sur le moyeu 6 et l'ogive 5 qui lui est solidaire.
Dans certains cas et suivant le débit d'air, cette couche limite peut avoir plusieurs milli mètres d'épaisseur.
Pour amener l'air au corps central de la turbine, on peut soit disposer celle-ci à un niveau supérieur au niveau aval de l'eau en un point choisi de manière que la pression régnant dans l'espace 11 soit inférieure à la pression atmosphérique, l'air étant de ce fait simplement aspiré dans le corps central par l'écoulement liquide, soit prévoir un compresseur qui envoie de l'air sous pression dans le corps central. Dans ce dernier cas, il est donc possible, lors de l'ar rêt de la turbine, de faire fonctionner le com presseur de façon à empêcher toute pénétra tion d'eau dans la chambre 9 et dans le pa lier 10.
La turbine représentée à la fig. 2 com prend les mêmes organes que celle représen tée en fig. 1. Cependant, dans cette dernière turbine, l'ogive 5 est fixe. De ce fait, un espace 13 existe entre la face 14 du moyeu de la roue et la face adjacente de l'ogive 5. La première amenée d'air de la paroi du conduit 1 dans la chambre. 9 est complétée d'une se conde amenée d'air comprenant un second groupe de conduites 7 traversant le conduit 1 dans des supports profilés 15 maintenant l'ogive 5 dans l'axe du conduit 1.
Ainsi, une première partie de l'air amené dans le corps central remplit la chambre 9 et l'espace 11 alors qu'une autre partie de cet air remplit l'ogive 5 et pâsse dans l'espace 13 par un trou 17. De ce fait, tout frottement hydrau lique entre le moyeu 6 et les éléments fixes 4 et 5 est écarté. L'air sortant des espaces 11 et 13 se mélange à l'eau et forme ladite couche limite recouvrant les parois extérieu res du moyeu 6 et de l'ogive 5.
Dans cette seconde forme d'exécution, des parties du moyeu 6 et des éléments fixes 4 et 5, voisins des espaces 11 et 13, présentent. des renflements 16 rétrécissant le canal d'écoulement et provoquant de ce fait une augmentation de la vitesse d'écoulement de l'eau en ces points, de façon à augmenter l'effet d'aspiration dû à cet écoulement.
En variante, ces renflements 16 pourraient être remplacés par d'autres conformations locales du canal d'écoulement produisant le même effet.
- Dans la variante d'exécution représentée à la fig. 3, on retrouve, comme à la fig. 2, l'ogive fixe 5, maintenue par les supports pro filés 15 dans lesquels passent les conduites 7. Cependant, dans cette variante d'exécution tout l'air amené au corps central passe par les conduites 7 et le trou 17 de l'ogive 5. Une partie de cet air s'échappe par l'espace 13 vers le canal d'écoulement, alors que le reste passe par tin orifice 18 de la paroi 14 du moyen 6 et par des canaux 19 du moyeu 6 pour arriver dans l'espace 11 d'où il s'échappe pour former ladite couche limite sur la paroi extérieure du moyeu 6 et de l'ogive 5. Les canaux 19 du moyeu 6 sont disposés de façon telle que le moyeu 6 forme roue de compres seur et chasse l'air dans l'espace 11.
A la fig. 4, la turbine représentée est du même genre que celle représentée à la fig. 3. Cependant, dans cette dernière forme d'exé cution, l'enveloppe-support 4 est disposée à l'aval de la roue 3 dans le conduit d'écoule ment, et l'ogive 5 est placée à l'amont. Ainsi, pour obtenir une couche limite de densité inférieure à celle de l'eau sur toute l'ogive 5, il est prévu un orifice 20 à la pointe de l'ogive 5. De ce fait, une partie de l'air amené dans l'ogive 5 par les conduites 7 sort par cet ori fice et forme ladite couche limite alors que le reste de l'air se partage en deux parts, l'une s'échappant par l'espace 13 et l'autre par l'es pace 11, comme dans la forme d'exécution représentée en fig. 3.
En variante, les turbines représentées aux fig. 1 et 2 pourraient, elles aussi, être inver sées dans le conduit 1, de façon que leur ogive 5 soit disposée à l'amont de la roue 3 et leur enveloppe-support 4 à l'aval. Il suffirait de prévoir, dans les deux cas, un orifice 20 à la pointe de l'ogive 5. En phis, dans le cas re présenté à la fig. 1, où l'ogive 5 est solidaire du moyeu 6 de la roue 3, ce moyeu devrait être percé de canaux 19 permettant à l'air de passer de la chambre 9 dans l'intérieur de l'ogive 5.
En outre, dans toutes les formes d'exécu tion ci-dessus décrites, les supports 8 et 15 pourraient être utilisés au moins en partie comme aubes directrices fixes ou réglables. Dans ce dernier cas, les conduites 7 devraient donc passer dans l'axe de pivotement desdites aubes.
En variante encore, les conduites 7 pour raient être remplacées soit par une seule con duite prévue à l'intérieur de l'arbre 2 suppor tant la roue 3, soit par une conduite fixe par rapport au conduit 1, située dans le même axe que l'arbre 2, dans le prolongement de l'ogive 5. Cette conduite amenant l'air au corps central de la turbomachine pénétrerait dans l'ogive 5, par exemple, par un orifice, tel que l'orifice 20.
Dans les formes d'exécution décrites, il a toujours été question de turbines hydrauli ques. Toutefois, il est bien entendu que l'in vention peut être appliquée à d'autres turbo- machines dans lesquelles le liquide de travail est autre que de l'eau, et le fluide gazeux autre que de l'air.
On pourrait, par exemple, construire des pompes présentant les caractères revendiqués, pompes pouvant être utilisées aussi bien pour le pompage d'eau que pour le pompage d'au tres liquides, comme c'est le cas par exemple dans l'industrie chimique.
Hydraulic turbomachine. When, in hydraulic turbomachines, the specific speed is increased, the relative values of various fluid flow speeds also increase, and in particular cause hydraulic friction in the region of the hub, which, for high specific speeds, can result in a considerable loss of power.
The present invention aims to remedy this drawback by creating, on the surface of the central parts of the machine giving rise to this friction, a medium of lower density than that of the working liquid used.
The hydraulic turbomachine which is the subject of the invention, the central body of which comprises at least one fixed element and the hub of the movable wheel, this body supporting the turbine shaft to which this wheel is secured and forming the flow channel with the surrounding mantle, is characterized in that it comprises means for supplying a gaseous fluid to certain points of the central body to reduce the hydraulic friction resulting from the relative movement of said hub with respect to said fixed element of the body central, as well as the friction of the liquid used by the turbomachine relative to at least part of the various walls of the central body, creating thereon a boundary layer of lower density than that of the liquid.
The appended drawing represents, schematically and by way of example, four embodiments of the turbomachine which is the subject of the invention, these shapes consisting of hydraulic turbines.
Fig. 1 is a section through a turbine in which the wheel is fixed at the end of the shaft and carries an ogive.
Fig. 2 is a section of a turbine similar to that of FIG. 1, but in which the ogive is fixed.
Fig. 3 shows a variant of the turbine shown in FIG. 2.
Fig. 4 is a sectional view of a turbine in which the ogive is placed upstream of the wheel.
The various turbines shown in the drawing all comprise a casing or duct 1, a shaft 2, a central body which comprises a support casing 4, a hub 6 of a movable wheel 3 and an ogive 5. The support casing 4 supports and maintains the shaft 2 in the axial position in the duct 1 and the shaft 2 carries the hub 6.
In addition, all these turbines include means for supplying a gaseous fluid, in this case air, to certain points of the central body, this air being intended to reduce the hydraulic friction resulting from the relative movement of the hub. 6 with respect to at least a part of the fixed elements of the central body, that is to say the casing-support 4 and in certain cases, the ogive 5, as also the friction of the water with respect to at least part of the hub and the nose cone.
In these different embodiments, the air supply means comprise pipes 7 passing through the pipe 1 and terminating on at least one of the fixed elements of the central body.
In fig. 1, the pipes 7 pass radially through the pipe 1 in profiled supports 8. The supplied air first fills an annular chamber 9 arranged between a bearing 10 and the end of the support casing 4, this which protects the bearing 10 against any ingress of water. From this chamber 9, the air can escape through the space 11 provided between the face 12 of the hub 6 and the adjacent face of the support casing 4.
On leaving this space 11, the air and the liquid used in the turbine, for example water, form a mixture of lower density than water, constituting a boundary layer on at least part of the various walls of the central body, in the particular case on the hub 6 and the ogive 5 which is integral with it.
In certain cases and depending on the air flow, this boundary layer may be several thousand meters thick.
To bring air to the central body of the turbine, it is possible either to place the latter at a level higher than the downstream level of the water at a point chosen so that the pressure prevailing in the space 11 is lower than the pressure atmospheric, the air being therefore simply sucked into the central body by the liquid flow, or provide a compressor which sends air under pressure into the central body. In the latter case, it is therefore possible, when the turbine is stopped, to operate the compressor in such a way as to prevent any water entering the chamber 9 and the bearing 10.
The turbine shown in FIG. 2 com takes the same components as that shown in fig. 1. However, in the latter turbine, the ogive 5 is fixed. Therefore, a space 13 exists between the face 14 of the hub of the wheel and the adjacent face of the ogive 5. The first air supply from the wall of the duct 1 into the chamber. 9 is completed with a second air supply duct comprising a second group of pipes 7 passing through the duct 1 in profiled supports 15 maintaining the ogive 5 in the axis of the duct 1.
Thus, a first part of the air brought into the central body fills the chamber 9 and the space 11 while another part of this air fills the ogive 5 and passes into the space 13 through a hole 17. De therefore, any hydraulic friction between the hub 6 and the fixed elements 4 and 5 is removed. The air leaving the spaces 11 and 13 mixes with the water and forms said boundary layer covering the exterior walls of the hub 6 and of the ogive 5.
In this second embodiment, parts of the hub 6 and of the fixed elements 4 and 5, adjacent to the spaces 11 and 13, present. bulges 16 narrowing the flow channel and thereby causing an increase in the water flow speed at these points, so as to increase the suction effect due to this flow.
As a variant, these bulges 16 could be replaced by other local conformations of the flow channel producing the same effect.
- In the variant embodiment shown in FIG. 3, we find, as in FIG. 2, the fixed ogive 5, held by the profiled supports 15 in which the pipes 7 pass. However, in this variant embodiment all the air supplied to the central body passes through the pipes 7 and the hole 17 of the ogive 5. Part of this air escapes through the space 13 towards the flow channel, while the rest passes through an orifice 18 of the wall 14 of the means 6 and through channels 19 of the hub 6 to arrive in the space 11 from which it escapes to form said boundary layer on the outer wall of the hub 6 and of the ogive 5. The channels 19 of the hub 6 are arranged such that the hub 6 forms a compressor wheel and expels air in space 11.
In fig. 4, the turbine shown is of the same type as that shown in FIG. 3. However, in this latter embodiment, the casing-support 4 is disposed downstream of the wheel 3 in the flow duct, and the ogive 5 is placed upstream. Thus, to obtain a limit layer of density lower than that of water over the entire ogive 5, an orifice 20 is provided at the tip of the ogive 5. As a result, part of the air brought into the ogive 5 via the conduits 7 exits through this ori fice and forms said boundary layer while the rest of the air is divided into two parts, one escaping through the space 13 and the other through the space 11, as in the embodiment shown in FIG. 3.
As a variant, the turbines shown in FIGS. 1 and 2 could also be inverted in the duct 1, so that their ogive 5 is placed upstream of the wheel 3 and their support casing 4 downstream. It would suffice to provide, in both cases, an orifice 20 at the tip of the ogive 5. In phis, in the case shown in FIG. 1, where the ogive 5 is integral with the hub 6 of the wheel 3, this hub should be pierced with channels 19 allowing air to pass from the chamber 9 into the interior of the ogive 5.
Furthermore, in all of the embodiments described above, the supports 8 and 15 could be used at least in part as fixed or adjustable guide vanes. In the latter case, the pipes 7 should therefore pass in the pivot axis of said blades.
As a further variant, the pipes 7 could be replaced either by a single pipe provided inside the shaft 2 supporting the wheel 3, or by a pipe fixed with respect to the pipe 1, located in the same axis as the shaft 2, in the extension of the ogive 5. This pipe bringing air to the central body of the turbomachine would enter the ogive 5, for example, through an orifice, such as the orifice 20.
In the embodiments described, it has always been a question of hydraulic turbines. However, it is understood that the invention can be applied to other turbo-machines in which the working liquid is other than water, and the gaseous fluid other than air.
One could, for example, construct pumps having the claimed characteristics, pumps which can be used both for pumping water and for pumping other liquids, as is the case for example in the chemical industry.