CH694922A5 - Machine de dilatation à turbine pourvue d'un mécanisme de buse ajustable. - Google Patents

Description

  



   La présente invention concerne une machine de dilatation à turbine  équipée d'un mécanisme de buse ajustable. 



   On connaît une machine de détente à turbine pour augmenter l'efficacité  thermique d'un réfrigérateur à hélium et on avait proposé un mécanisme  de manoeuvre de buse ajustable permettant de varier la capacité de  la machine de dilatation à turbine (par exemple, brevet japonais  72 805/1991 et publication de brevet japonais non examiné No 137  101/1994). 



   L'appareil de commande de la buse ajustable d'une turbine du brevet  japonais No. 72 805/1991 est pourvu, comme représenté sur la fig.  1, d'une tige 9 qui peut se déplacer linéairement et d'une portion  de couplage 9a réalisée sous la forme d'un bouton disposé sur la  périphérie externe d'un anneau mobile 8 et comprenant des surfaces  surélevées arquées dans les deux directions de mouvement de la tige,  une surface rainurée pouvant s'engager avec les surfaces arquées  du bouton. Sur la fig. 1, la référence 1 indique l'unité principale  de la turbine de dilatation, 2 indique le cylindre à air, 3 l'appareil  de manoeuvre de la buse, 4 l'anneau de fixation de la buse, 5 la  buse, 6 la goupille d'immobilisation et 7 la goupille mobile.

   En  faisant tourner l'anneau ajustable 8, la goupille mobile 7 est entraînée  suivant la circonférence, grâce à quoi l'angle de la buse ajustable  5 est modifié. 



   La turbine de dilatation du type à buse ajustable selon la publication  du brevet japonais non examiné No. 137 101/1994 est constituée, comme  représenté sur la fig. 2, par un arbre principal 11 qui a, à une  extrémité, une roue 12 de turbine et, à l'autre extrémité, un ventilateur  de freinage 13 et qui est supporté par un palier simple et un palier  de butée, la roue 12 de turbine étant installée à l'extérieur d'un  réservoir de réfrigération sous vide 14 (récipient sous vide) auquel  est fixé le boîtier 15 de la turbine de dilatation. 



   Dans la machine de dilatation à turbine conventionnelle susmentionnée  et dans son mécanisme de manoeuvre de buse ajustable, l'appareil  de manoeuvre 3 de buse agissant sur la buse ajustable 5 est disposé  en une portion à température ambiante en-dehors du récipient sous  vide 14, une portion à température basse est    entourée d'un matériau  thermiquement isolant et une plague de manoeuvre de la buse (anneau  mobile 8) est manoeuvrée. Toutefois, le flux d'une chaleur excessive  dans la portion à basse température constitue un problème pour la  machine et pour le mécanisme. 



   Plus particulièrement, dans les exemples susmentionnés, l'unité principale  1 de la turbine de dilatation (ou le boîtier 15 de la turbine de  dilatation) est installée dans la portion à température ambiante,  à l'intérieur de laquelle est assemblée la roue 12 de la turbine  pour dilater adiabatiquement l'hélium. Par conséquent, quand le gaz  hélium à une température cryogénique (par exemple, 7-9 K) est dilaté  de manière adiabatique à la roue 12 de la turbine, le gaz est chauffé  par la chaleur entrant depuis l'unité principale 1 de la turbine  de dilatation, de sorte que l'efficacité adiabatique de la machine  de dilatation à turbine se dégrade, ce qui pose des problèmes pratiques.                                                       



   Pour résoudre ces problèmes, il est également possible d'installer  dans la portion à température cryogénique du récipient sous vide  l'ensemble de l'unité principale 1 de la turbine de dilatation, de  l'appareil 3 de manoeuvre de la buse, de la buse ajustable 5, de  l'anneau mobile 8, de la roue 12 de la turbine, etc., ce qui permet  de les isoler thermiquement de la région externe à température ambiante.  Toutefois, la portion mécanique de l'appareil 3 de manoeuvre de la  buse devient difficile à entretenir et le dispositif d'actionnement  (moteur ou cylindre pneumatique) de l'appareil 3 de commande de la  buse doit être conçu de manière spéciale pour pouvoir supporter un  fonctionnement dans un environnement à une température cryogénique  et sous vide.

   Par conséquent, l'entretien devient très difficile  et le cout du système devient extrêmement élevé. 



   La présente invention vise à résoudre ces problèmes. Ainsi, un objet  de la présente invention est de fournir une machine de dilatation  à turbine avec un mécanisme de buse ajustable, où la majeure partie  du dispositif d'actionnement et de manoeuvre de la buse peut être  installée dans un environnement à température ambiante et à pression  atmosphérique, le flux de chaleur peut être diminué à un niveau minimum  extrêmement bas lors de la manoeuvre de la buse ajustable de la turbine  de dilatation, grâce à quoi le gaz hélium à la température cryogénique  peut être dilaté de manière adiabatique avec une efficacité adiabatique  élevée. 



   Selon la présente invention, on fournit une machine de dilatation  à turbine à mécanisme de buse ajustable comprenant les caractéristiques  énumérées à la revendication 1. 



     Dans la configuration de la présente invention, comme l'appareil  de dilatation adiabatique (22) avec la roue de turbine (12) est installé  dans un récipient sous vide (14), le flux de chaleur peut être diminué  à un niveau minimum, par suite de l'isolation thermique assurée par  le vide. Comme le dispositif de commande (24), qui commande la roue  de la turbine, est disposé en dehors du récipient sous vide, le dispositif  de commande peut facilement être entretenu.

   En outre, comme le mécanisme  de buse ajustable (30), qui modifie la section de l'étranglement  de la roue de turbine, est constitué d'un composant de buse (32)  disposé à l'intérieur de l'appareil de dilatation adiabatique et  d'un composant de manoeuvre (34) installé à l'extérieur du récipient  sous vide, que ces composants sont couplés par un mince composant  cylindrique (36) entraînant le composant de buse, le composant cylindrique  pour entraîner le composant de buse peut être réalisé suffisamment  mince (par exemple, avec une épaisseur d'environ 0,5 mm), pour que  la quantité de chaleur transmise par le composant cylindrique puisse  être réduite à un niveau extrêmement bas.

   Par conséquent, la majeure  partie du dispositif d'actionnement et du mécanisme de manoeuvre  de la buse peut être installée dans un environnement à température  ambiante et à pression atmosphérique et l'influx de chaleur peut  être maintenu à un niveau extrêmement bas, tout en permettant une  manoeuvre de la buse ajustable de la turbine de dilatation. Dans  ces conditions, le gaz hélium à une température cryogénique peut  être dilaté de manière adiabatique avec une efficacité adiabatique  élevée. 



     Selon une forme d'exécution préférée de la présente invention,  le composant de buse susmentionné (32) est constitué d'une pluralité  de plaques de buse mobiles (38) disposées autour de la roue (12)  de la turbine en étant supportées par des goupilles de support (37)  d'une manière mobile et d'un disque de manoeuvre circulaire (39)  qui est couplé avec le composant cylindrique susmentionné (36) et  également avec chaque plaque de buse mobile au moyen d'une goupille  d'entraînement (39a), le composant de manoeuvre (34) susmentionné  étant réalisé avec une grande roue d'engrenage (40) qui est engagé  avec la périphérie externe du composant cylindrique (36) susmentionné  et qui peut tourner autour de l'axe de la roue de la turbine et avec  un dispositif d'entraînement en rotation (42) qui tourne et entraîne  une petite roue d'engrenage (41)

   en prise avec la grande roue d'engrenage.                                                     



   En utilisant cette configuration, le composant cylindrique (36) peut  être ajusté autour de l'axe de la roue de la turbine par le dispositif  d'entraînement en rotation (42) par l'intermédiaire de la petite  roue d'engrenage (41) et de la grande roue d'engrenage (40), ce qui  permet également la commande du disque de manoeuvre circulaire (39),  d'entraîner en rotation la plaque de buse mobile (38) et de modifier  de manière continue la section d'étranglement de la buse ajustable.                                                            



   Le dispositif d'entraînement en rotation (42) susmentionné est un  moteur à impulsions et, de préférence, celui-ci doit être pourvu  d'un détecteur de position (43) pour détecter la limite de rotation  de la grande roue d'engrenage (40). Dans cette configuration, la  position de référence de la buse ajustable (38) est détectée par  le détecteur de position (43) et l'angle de rotation du disque de  manoeuvre circulaire rotatif (38) de la position de référence est  déterminé précisément par le moteur à impulsions, de sorte que la  buse ajustable peut être ajustée de manière précise. 



   L'appareil de dilatation adiabatique susmentionné (22) est couplé  au dispositif de commande (24) au moyen d'un composant cylindrique  interne (25a), d'un composant cylindrique externe (25b) et d'un composant  cylindrique (36), et les surfaces interne et externe du composant  cylindrique (36) sont fermées de manière étanche par les composants  d'étanchéité (44a, 44b) respectifs, d'une manière coulissante. Dans  cette configuration, le flux de chaleur depuis une portion maintenue  à la température ambiante dans l'appareil de dilatation adiabatique  (22) peut être limité à un niveau minimum par le composant cylindrique  externe (25a), le composant cylindrique interne (25a) et le composant  d'isolation thermique interne (23).

   Les composants d'étanchéité (44a,  44b) peuvent empêcher un flux de chaleur    entre la roue (12) à  basse température et le cOté à température ambiante par les espacements  entre le composant cylindrique interne (25a) et le composant cylindrique  (36) et entre le composant thermiquement isolant interne (23) et  le composant cylindrique (36). Dans ces conditions, on peut empêcher  un influx de chaleur. 



   Le dispositif de commande susmentionné (24) devrait être, de préférence,  un générateur ou une roue de compresseur. Lorsqu'on utilise un générateur  pour la commande, la perte d'énergie occasionnée durant la dilatation  adiabatique peut être recueillie comme courant électrique. Lorsqu'on  utilise une roue de compresseur pour la commande, la perte d'énergie  occasionnée alors peut être récupérée sous la forme d'un gaz comprimé.                                                         



   D'autres objets et avantages de la présente invention deviendront  apparents à la lecture de la description qui suit, faite en se reportant  aux dessins annexés. 



   La fig. 1 montre la configuration d'un mécanisme de manoeuvre d'une  buse ajustable. 



   La fig. 2 est une illustration de la configuration conventionnelle  d'une machine de dilatation à turbine. 



   La fig. 3 est une illustration de la configuration générale d'une  machine de dilatation à turbine selon la présente invention. 



   La fig. 4A est une vue agrandie de la partie A de la fig. 3. 



   La fig. 4B est une vue agrandie de la partie C de la fig. 4A. 



   La fig. 5 est un dessin du système de manoeuvre de la fig. 4. 



   La fig. 6 est une vue prise selon la ligne B-B de la fig. 4. 



   La fig. 7 montre les résultats d'un essai de performance de la machine  de dilatation à turbine selon la présente invention. 



   Des formes d'exécution préférées de la présente invention sont décrites  ci-après à l'aide des dessins. Dans chaque dessin, les mêmes parties  portent les mêmes chiffres de référence, et aucune description n'est  faite en double. 



   La fig. 3 est une vue représentant la configuration générale d'une  machine de dilatation à turbine selon la présente invention. Sur  cette figure, la machine 20 de dilatation à turbine avec un mécanisme  de buse ajustable selon la présente invention    est constituée d'un  appareil de dilatation adiabatique 22, d'un dispositif de commande  24 et d'un mécanisme 30 à buse ajustable. 



   L'appareil de dilatation adiabatique 22 est installé dans le récipient  sous vide 14. Cet appareil de dilatation adiabatique 22 est pourvu  d'une roue 12 de turbine incorporée et quand la roue tourne, le gaz  à une température cryogénique (par exemple du gaz hélium à 7-9 K)  se dilate adiabatiquement. 



   Le dispositif de commande 24 est installé sur la paroi externe 14a  du récipient sous vide 14 par l'intermédiaire d'un élément d'étanchéité  14b et il se trouve à l'extérieur du récipient sous vide 14. Le dispositif  de commande 24 est un générateur du type moteur à induction dans  cet exemple, il est relié à la roue 12 de la turbine coaxialement  et il freine la roue. Le dispositif de commande 24 n'est pas limité  uniquement à un générateur de moteur d'induction, mais il peut s'agir  de la roue d'un compresseur par exemple. 



   La fig. 4A est une vue agrandie de la partie A de la fig. 3 et la  fig. 4B montre une partie agrandie C sur la fig. 4A. La fig. 5 est  une vue décrivant le système de manoeuvre de la fig. 4A et la fig.  6 est une vue prise suivant la ligne B - B de la fig. 4A. 



   Comme cela se voit sur les figs. 4A, 4B et 5, un mécanisme de buse  ajustable 30 est constitué d'un composant de buse 32 installé dans  l'appareil de dilatation adiabatique 22 et d'un composant de manoeuvre  34 installé à l'extérieur du récipient sous vide 14. Le composant  de buse 32 et le composant de manoeuvre 34 sont reliés à la roue  12 de la turbine par un composant cylindrique coaxial mince 36. 



   Comme cela est représenté sur les figs. 5 et 6, le composant de buse  32 est réalisé avec une pluralité de plaques de buse mobiles 38 (11  plaques dans cet exemple) disposées autour de la roue 12 de la turbine  et avec un disque de manoeuvre circulaire 39 connecté à chaque plaque  de buse mobile 38 par une goupille d'entraînement 39a. Chaque plaque  de buse mobile 38 est pourvue d'une longue fente 38a, avec laquelle  une des goupilles d'entraînement 39a s'engage de manière lâche. Chaque  plaque 38 de buse mobile est soutenue par une goupille de support  37 fixée à l'unité principale 22a d'un appareil de dilatation adiabatique  22, de sorte que la plaque peut tourner autour d'une goupille 37  de support.

   Le disque d'entraînement circulaire 39 est, comme cela  est représenté sur la fig. 5, engagé avec la périphérie interne du  composant cylindrique 36 en utilisant, dans cet exemple, une pluralité  de goupilles. 



     Dans la configuration susmentionnée représentée sur la fig. 6,  le composant cylindrique mince 36 tourne autour de l'axe Z de la  roue 12 de la turbine, grâce à quoi la plaque 38 de buse ajustable  peut être ajustée autour de la goupille de support 37 depuis la position  indiquée par des lignes épaisses jusqu'à la position indiquée par  des lignes fines, de sorte que la section d'étranglement du gaz à  une température cryogénique peut être changée pour le gaz arrivant  sur la roue 12 de la turbine. 



   Comme cela est représenté sur les figs. 3 à 5, le composant de manoeuvre  36 est composé d'une grande roue d'engrenage 40 en prise avec la  périphérie externe (haut de ces figures) d'un composant cylindrique  36 et d'un dispositif d'entraînement en rotation 42 qui entraîne  en rotation une petite roue d'engrenage 41 en prise avec la grande  roue d'engrenage 40. La grande roue d'engrenage 40 est réalisée de  manière à tourner autour de l'axe Z de la roue 12 de la turbine.  En outre, un détecteur de position 43 pour détecter la limite de  rotation de la grande roue d'engrenage 40 est réalisé en découpant  une partie de la périphérie externe de la grande roue d'engrenage.  Bien que le dispositif d'entraînement en rotation 42 soit un moteur  à impulsions dans cet exemple, il peut également s'agir d'un autre  moyen de manoeuvre rotatif. 



   En utilisant cette configuration, on fait tourner le composant cylindrique  36 autour de l'axe Z de la roue 12 de la turbine par l'intermédiaire  de la petite roue d'engrenage 41 et de la grande roue d'engrenage  40, grâce au dispositif de d'entraînement en rotation 42. Dans ces  conditions, le disque de manoeuvre circulaire 39 est tourné comme  indiqué sur la fig. 6 et les plaques mobiles 38 de la buse sont entraînées  et ajustées autour des goupilles de support respectives 37, de sorte  que la section de l'étranglement de la buse ajustable formée par  les plaques de buse mobiles 38 peut être ajustée de manière continue.

    Le détecteur de position 43 détecte la position de référence de la  plaque 38 de buse ajustable et l'angle ajustable de la plaque de  manoeuvre circulaire 39 est déterminé avec précision à partir de  la position de référence, ce qui permet d'ajuster avec précision  la buse ajustable. 



   Comme cela ressort des figs. 3 et 4, l'appareil de dilatation adiabatique  22 est relié au dispositif de commande 24 au moyen d'un composant  cylindrique interne 25a, d'un composant cylindrique externe 25b,  d'un composant cylindrique 36 et d'un composant isolant thermique  interne 23. Les surfaces interne et externe du    composant cylindrique  36 sont fermées de manière étanche et coulissante par des composants  d'étanchéité 44a, 44b. 



   Selon la configuration susmentionnée de la présente invention, comme  l'appareil de dilatation adiabatique 22 avec une roue 12 de turbine  incorporée est installé à l'intérieur du récipient sous vide 14,  le flux de chaleur peut être minimisé par suite de l'isolation thermique  par le vide. Comme le dispositif de commande 24 pour la roue 12 de  la turbine est disposé à l'extérieur du récipient sous vide 14, on  peut facilement entretenir le dispositif de commande 24. 



   En outre, le mécanisme à buse ajustable 30 permettant d'ajuster la  section d'étranglement de la roue 12 de la turbine est constitué  par un composant de buse 32 incorporé à l'appareil de dilatation  adiabatique 22 et par le composant de manoeuvre 34 disposé à l'extérieur  du récipient sous vide, il est connecté au composant de buse 32 à  l'aide d'un composant cylindrique mince 36 pour l'entraînement du  composant de buse. Le composant cylindrique 36 pour entraîner le  composant de buse peut être réalisé aussi mince que nécessaire (par  exemple, avoir une épaisseur d'environ 0,5 mm), de manière à ce que  la chaleur transmise depuis le composant cylindrique 38 puisse être  diminuée à un niveau extrêmement bas. 



   Par conséquent, le dispositif d'actionnement et la majeure partie  du mécanisme de manoeuvre de la buse peuvent être installés dans  une région à température ambiante et sous pression atmosphérique;  en outre, l'influx de chaleur peut être diminué à un niveau extrêmement  bas et la buse ajustable de la turbine à dilatation peut être manoeuvrée,  ce qui permet une dilatation du gaz hélium à une température cryogénique  d'une manière adiabatique avec une efficacité adiabatique élevée.                                                            



   [Expérience] 



   Les inventeurs de la présente invention ont fabriqué la machine 20  de dilatation à turbine avec le mécanisme de buse ajustable susmentionné  selon la présente invention et ils ont évalué la performance de la  machine. Le tableau 1 donne les caractéristiques de base de la machine  de dilatation à turbine fabriquée et la fig. 7 montre le résultat  de l'essai de performance de la machine de dilatation à turbine selon  la présente invention. 



    <tb><TABLE> Columns = 2  <PAR AL=L>[Tableau 1] <tb><SEP> Pression  d'entrée<SEP> 16 atm <tb><SEP> Pression de sortie<SEP> 4 atm <tb><SEP>  Débit<SEP> Nominal: 500 g/s <tb><SEP> Vitesse de rotation<SEP> Nominale:  75 000 tours / min. (maximum: 85 000 tours /min.) <tb><SEP> Roue<SEP>  Diamètre: 24 mm (turbine à eau du type Francis) <tb><SEP> Palier<SEP>  Palier à gaz sous pression dynamique <tb><SEP> Système de freinage<SEP>  Générateur de type moteur à induction <tb><SEP> Capacité d'ajustement<SEP>  Mécanisme de buse ajustable (actionné par un moteur à impulsions) <tb><SEP>  Efficacité adiabatique<SEP> 65% ou plus  <tb></TABLE> 



   Comme cela ressort clairement de la fig. 7, les faits suivants ont  été confirmés dans cet essai de performance. 



   (1) L'efficacité adiabatique maximale atteinte était d'environ 84%.  Dans ces conditions, on obtient une turbine à haute performance fonctionnant  avec de l'hélium à pression super-critique. 



   (2) Bien que l'essai ait été effectué avec une section d'étranglement  de la buse ajustable d'environ 64%, l'efficacité abiabatique maximale  (environ 84%) a été obtenue avec cette surface d'étranglement maximale.  Par conséquent, une efficacité adiabatique plus importante peut être  obtenue en fixant le degré d'ouverture à une valeur supérieure. 



   (3) En utilisant une machine de dilatation à turbine avec un mécanisme  de buse ajustable selon la présente invention, le générateur peut  récupérer de l'énergie, de sorte que la capacité de la machine de  réfrigération à hélium peut être augmentée au-delà de ce qui était  possible dans l'art antérieur. Cela signifie que, selon la présente  invention, l'efficacité de la turbine peut être augmentée; par conséquent,  l'efficacité du système de réfrigération à hélium utilisant cette  turbine peut être augmentée. 



   Comme décrit ci-dessus, dans la machine de dilatation à turbine avec  le mécanisme de buse ajustable selon la présente invention, le dispositif  d'actionnement et la plupart des composants du mécanisme de manoeuvre  de la buse peuvent fonctionner dans la plage de température ambiantes  et sous pression atmosphérique, tout en diminuant l'influx de chaleur  à un niveau extrêmement bas    lors de l'entraînement de la buse  ajustable de la turbine de dilatation, ce qui permet une dilatation  du gaz hélium à une température cryogénique avec une efficacité adiabatique  élevée. Ces effets sont excellents dans la pratique. 



   Bien que la présente invention ait été décrite en se reportant à  plusieurs formes d'exécution préférées, il est entendu que la protection  assurée pour la présente invention n'est pas limitée uniquement à  ces formes d'exécution, mais qu'au contraire elle englobe toutes  les améliorations, corrections et équivalents couverts par les revendications  annexées.

Claims (5)

1. Machine de dilatation à turbine à mécanisme de buse ajustable comprenant: un appareil de dilatation adiabatique (22) qui comprend une roue (12) de turbine et qui dilate de manière adiabatique un gaz à une température cryogénique quand la roue tourne, un dispositif de commande (24) qui est couplé coaxialement avec la roue de la turbine et qui com-mande la roue, et un mécanisme de buse ajustable (30) qui change la section de l'étranglement pour le gaz arrivant sur la roue de la turbine, dans laquelle l'appareil de dilatation adiabatique est installé dans un récipient sous vide (14), le dispositif de commande est disposé à l'extérieur du récipient sous vide, le mécanisme de buse ajustable est constitué d'un composant de buse (32) incorporé dans l'appareil de dilatation adiabatique et d'un composant de manoeuvre (34)

disposé à l'extérieur du récipient sous vide, le composant de buse et le composant de manoeuvre sont couplés à la roue de la turbine par un composant cylindrique coaxial mince (36) et le composant de buse est entraîné par le composant cylindrique quand celui-ci tourne autour de l'axe de la roue de la turbine.

2.

Machine de dilatation à turbine à mécanisme de buse ajustable selon la revendication 1, dans laquelle: ledit composant de buse (32) comprend une pluralité de plaques de buse mobiles (38) disposées autour de la roue (12) de la turbine en étant supportées en rotation par des goupilles de support respectives (37) et un disque de manoeuvre circulaire (39) qui est couplé avec la périphérie interne dudit composant cylindrique (36) et avec chaque plaque de buse mobile au moyen d'une goupille d'entraînement respective (39a), et ledit composant de manoeuvre (34) comprend une grande roue d'engrenage (40) qui est en prise avec la périphérie externe dudit composant cylindrique (36) et qui peut tourner autour de l'axe de la roue de la turbine et un dispositif d'entraînement en rotation (42) qui tourne et entraîne en rotation une petite roue d'engrenage (41)

en prise avec la grande roue d'engrenage.

3. Machine de dilatation à turbine à mécanisme de buse ajustable selon la revendication 2, dans laquelle ledit dispositif d'entraînement en rotation (42) est un moteur à impulsions et le mécanisme de buse ajustable (30) comprend, en outre, un détecteur de position (43) qui détecte la limite de rotation angulaire de la grande roue d'engrenage (40).

4.

Machine de dilatation à turbine à mécanisme de buse ajustable selon la revendication 1, dans laquelle ledit appareil de dilatation adiabatique (22) est couplé au dispositif de commande (24) au moyen d'un composant cylindrique interne (25a), d'un composant cylindrique externe (25b) et d'un composant thermiquement isolant interne (23), et les surfaces interne et externe du composant cylindrique (36) sont fermées par des éléments d'étanchéité (44a, 44b), d'une manière coulissante.

5. Machine de dilatation à turbine avec un mécanisme de buse ajustable selon la revendication 1, dans laquelle ledit dispositif de commande (24) est un générateur ou une roue de compresseur.