EP0808989A1 - Roue de turbine radiale - Google Patents

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EP0808989A1
EP0808989A1 EP97401078A EP97401078A EP0808989A1 EP 0808989 A1 EP0808989 A1 EP 0808989A1 EP 97401078 A EP97401078 A EP 97401078A EP 97401078 A EP97401078 A EP 97401078A EP 0808989 A1 EP0808989 A1 EP 0808989A1
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EP
European Patent Office
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axial
turbine wheel
lateral surface
turbine
radial
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Withdrawn
Application number
EP97401078A
Other languages
German (de)
English (en)
Inventor
Jacques Fally
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Alcatel Lucent SAS
Original Assignee
Alcatel SA
Alcatel Alsthom Compagnie Generale dElectricite
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Publication date
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Classifications

    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01D—NON-POSITIVE DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, e.g. STEAM TURBINES
    • F01D5/00—Blades; Blade-carrying members; Heating, heat-insulating, cooling or antivibration means on the blades or the members
    • F01D5/02—Blade-carrying members, e.g. rotors
    • F01D5/04—Blade-carrying members, e.g. rotors for radial-flow machines or engines
    • F01D5/043—Blade-carrying members, e.g. rotors for radial-flow machines or engines of the axial inlet- radial outlet, or vice versa, type
    • F01D5/048—Form or construction
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01D—NON-POSITIVE DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, e.g. STEAM TURBINES
    • F01D5/00—Blades; Blade-carrying members; Heating, heat-insulating, cooling or antivibration means on the blades or the members
    • F01D5/12—Blades
    • F01D5/14—Form or construction
    • F01D5/18—Hollow blades, i.e. blades with cooling or heating channels or cavities; Heating, heat-insulating or cooling means on blades
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F05—INDEXING SCHEMES RELATING TO ENGINES OR PUMPS IN VARIOUS SUBCLASSES OF CLASSES F01-F04
    • F05D—INDEXING SCHEME FOR ASPECTS RELATING TO NON-POSITIVE-DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, GAS-TURBINES OR JET-PROPULSION PLANTS
    • F05D2300/00—Materials; Properties thereof
    • F05D2300/20—Oxide or non-oxide ceramics
    • F05D2300/22—Non-oxide ceramics
    • F05D2300/224—Carbon, e.g. graphite

Definitions

  • the invention relates to a radial turbine wheel.
  • the invention relates more specifically, a radial turbine wheel of small diameter (of the order of a hundred millimeters), subjected to high rotational speeds (of the order of 50,000 rpm), and to high operating temperatures (above 1000 ° C).
  • carbon-carbon is known for producing axial turbine wheels. It is a refractory material having good mechanical properties at high temperature. However carbon-carbon is a very expensive material, difficult to shape for radial turbine wheels. In addition, this difficulty increases with small diameter radial turbine wheels. In addition it is an anisotropic material which makes its use difficult
  • the object of the present invention is to provide a turbine wheel having a profile which substantially limits the stress peaks. Therefore, new refractory materials of low density, cheaper and more easily shaped, and which until now were rejected due to their insufficient mechanical characteristics, can be used for the production of turbine wheels in the temperature ranges. and speeds mentioned at the beginning of the description.
  • the invention relates to a radial turbine wheel comprising a wheel body of generally frustoconical shape or equivalent having a small base, a large base, and a lateral surface, blades emerging radially from the lateral surface of said wheel body, according to the invention, the turbine wheel comprises an axial extension of the small base of the wheel body extending beyond the transverse plane of the end of the blades, at least part of the lateral surface constituted by a sail, and an axial hub, said part of the lateral surface consisting of a sail and said axial hub defining an axial annular recess of the large base of the turbine wheel.
  • the axial hub is advantageously a hollow axial sleeve through which the axis of the turbine passes.
  • the turbine wheel comprises radial stiffening ribs located in the axial annular recess, and extend between the web and the axial sleeve.
  • the turbine wheel can in particular be made of dense graphite or glassy carbon.
  • Figure 1 is a schematic representation in longitudinal section of a radial turbine wheel according to a first embodiment of the invention.
  • FIG. 2 is a schematic graph putting in parallel the stresses observed, as a function of the level considered on the radius, on a solid turbine wheel in dense graphite and on a turbine wheel in dense graphite according to the first embodiment of the invention.
  • Figure 3 is a schematic representation in longitudinal section of a radial turbine wheel according to a second embodiment of the invention.
  • Figure 4 is a schematic graph paralleling the stresses observed on two glassy carbon turbine wheels according to the second embodiment of the invention.
  • the invention relates to a radial turbine wheel 1 comprising a wheel body 2 of generally frustoconical shape or equivalent having a small base 3, a large base 4, and a lateral surface 5, and blades 6 emerging radially from the lateral surface 5 wheel body 2.
  • the turbine wheel comprises an axial extension 7 of the small base 3 of the wheel body 2 extending beyond the transverse plane 8 of the end of the blades 6, at least part of the lateral surface 5 constituted by a web 9, and a hub 10.
  • the part of the lateral surface formed by the web 9 and the hub 10 together define an axial annular recess 11 of the large base 4 of the radial turbine wheel 1.
  • the hub 10 is an axial sleeve 14 through which passes the axis 12 of rotation of the turbine.
  • the hub 10 is full and then constitutes the axis of rotation of the turbine.
  • only part of the lateral surface 5 consists of a web 9.
  • the turbine wheel then has a solid muzzle 13 pierced axially for mounting on the axis of the turbine , extending beyond the transverse plane 8 of the end of the blades 6 on the side of the small base 3, and thus forming the extension 7, and extended on the opposite by a radial expansion formed by a web 9 and by a hollow axial sleeve 14 extending towards the large base 4 of the turbine wheel.
  • the thickness of the web decreases from the axis towards the periphery of the wheel.
  • the turbine wheel according to the first embodiment is made of dense graphite.
  • FIG. 2 represents a curve 20 of the stresses calculated at different levels of the radius of a solid graphite turbine wheel and without axial extension of the small base (not shown) rotating at 50,000 rpm and a curve 21 of the stresses calculated at different radii of a graphite turbine wheel according to the representation in FIG. 1 rotating at the same speed.
  • the particular shape of the wheel of FIG. 1 makes it possible to reduce by more than 50% (from 88 MPa to 42 MPa) the maximum stress compared to the full turbine wheel. As the prior art teaches, this maximum stress is located near the axis of rotation.
  • Dense graphites have a maximum tensile / flexural strength of the order of 65 MPa for the most common and of the order of 85 MPa for those of higher quality.
  • the profile of the radial turbine wheel according to the first embodiment therefore allows the safe use (in the sense of Weibull's law) of dense graphite for the production of radial turbine wheels rotating at speeds of l '' order of 50,000 revolutions per minute.
  • This material has the advantage of its low density, its ease of machining, its low cost, its mechanical properties increasing with temperature (an increase of 30% at the temperatures envisaged compared to the values at ambient temperature).
  • the radial turbine wheel according to the first embodiment therefore allows a reduction of around 50% of the maximum stresses.
  • a material such as graphite, it makes it possible to produce radial turbine wheels at costs compatible with large series.
  • Such a turbine wheel may advantageously be used in hybrid turbine-alternator closed cycle or open cycle vehicles.
  • the profile of the first embodiment can be used with any material other than graphite, in particular for example ceramics or the like.
  • the entire lateral surface 5 consists of a web 9.
  • the turbine wheel then comprises a web 9 forming the lateral surface 5, a hollow axial sleeve 14 coming from the small base 3 and extending towards the large base 4 of the turbine wheel, and a plurality of radial stiffening ribs 15 located in the axial annular recess 11 defined by the web 9 and the sleeve 14.
  • the ribs 15 are extend between the web 9 and the axial sleeve 14. This type of shell profile with ribs 15 is made to allow the use of materials whose manufacturing methods impose limited thicknesses.
  • the radial turbine wheel according to the second embodiment is made of vitreous carbon.
  • FIG. 4 represents two curves 30, 31 of the stresses calculated at different radii of a glassy carbon turbine wheel according to the representation of FIG. 3 rotating at 50,000 revolutions / minute.
  • One of the curves relates to a radial glassy carbon turbine wheel having a shell 3 mm thick with 16 radial ribs 3 mm apart
  • the other 31 of the curves relates to a radial glassy carbon turbine wheel having a 3 mm thick shell with 32 equally spaced 2 mm radial ribs.
  • the maximum tensile / bending resistance of the vitreous carbon is of the order of 180 MPa at ambient temperature, the maximum stresses calculated on the radial turbine wheels according to the second embodiment are therefore much lower than this maximum.
  • the second embodiment of the present invention therefore makes it possible to use light materials whose nominal manufacturing thicknesses are limited, but which are inexpensive and which can easily be molded.
  • Glassy carbon like graphite, has mechanical properties that increase with temperature.

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Abstract

L'invention concerne une roue de turbine radiale comprenant : un corps de roue (2) de forme générale tronconique ou équivalente ayant une petite base (3), une grande base (4), et une surface latérale (5); et des aubes (6) émergeant radialement de la surface latérale (5) dudit corps de roue (2); selon l'invention, la roue comprend : un prolongement axial (7) de la petite base (3) du corps de roue (2) s'étendant au-delà d'un plan transversal (8) de fin des aubes (6); au moins une partie de la surface latérale (5) constituée par un voile (9) ; et un moyeu axial (10); ladite partie de la surface latérale (5) constituée par un voile (9) et ledit moyeu axial (10) définissant un évidement annulaire axial (11) de la grande base (4) de la roue de turbine. <IMAGE>

Description

  • L'invention concerne une roue de turbine radiale.
  • L'invention concerne plus précisément, une roue de turbine radiale de petit diamètre (de l'ordre d'une centaine de millimètres), soumise à des vitesses de rotation importantes (de l'ordre de 50000 tours/mn), et à des températures de fonctionnement élevées (supérieures à 1000°C) .
  • Dans ces domaines de vitesses et de températures, les matériaux réfractaires actuellement utilisés pour réaliser des roues de turbine radiale sont limités.
  • L'une des raisons en est que les roues de turbine radiale tournant aux vitesses mentionnées ci-dessus comprennent des zones présentant des distributions de contraintes en pic par rapport au niveau moyen de contraintes dans la roue. Ces pics de contraintes imposent de choisir des matériaux capables de les supporter en toute sécurité (au sens statistique de la loi de Weibull).
  • Ainsi, c'est une partie minime de la roue qui impose de choisir un matériau ayant des caractéristiques très supérieures à celles requises pour le reste de la roue.
  • Il est connu de modifier les formes des roues pour diminuer le niveau de contrainte dans ces zones.
  • On sait que la forme de ces roues a une grande influence sur la distribution et sur le niveau maximal des contraintes observées.
  • Dans les formes de roues actuellement utilisées, les matériaux réfractaires ayant les propriétés mécaniques susceptibles de répondre à ces pics de contraintes sont peu nombreux.
  • On connaît l'utilisation de carbone-carbone pour la réalisation de roues de turbine axiale. C'est un matériau réfractaire ayant des bonnes propriétés mécaniques à haute température. Cependant le carbone-carbone est un matériau très onéreux, difficilement façonnable pour des roues de turbine radiale. En outre, cette difficulté augmente avec des roues de turbine radiale de petit diamètre. De plus c'est un materiau anisotrope ce qui rend son emploi difficile
  • On connaît de nombreuses réalisations de roues de turbines radiales en céramique Si3N4. Là encore, la fabrication de telles roues de turbine en céramique est compliquée et onéreuse. Notamment la céramique n'est pas facilement usinable. En outre, les profils proposés présentent, en fonctionnement, des pics de contraintes très élevées notamment à proximité de l'axe de roue de turbine. Par exemple une roue de Si3N4 ayant un diamètre de 112 mm, présente un pics de contrainte supérieur à 230 MPa pour une vitesse de l'ordre de 90000 tours/mn à une température de l'ordre de 1200°C.
  • Les forces de pression dues aux charges aérodynamiques des aubes sont très faibles par rapport au contraintes centrifuges d'où l'intérêt d'utiliser des matériaux de faible densité.
  • Le but de la présente invention est de proposer une roue de turbine ayant un profil limitant sensiblement les pics de contraintes. De ce fait, de nouveaux matériaux réfractaires de faible densité, moins chers et plus facilement façonnables, et qui étaient jusqu'à présent rejetés du fait de leurs caractéristiques mécaniques insuffisantes, peuvent être utilisés pour la réalisation des roues de turbines dans les domaines de températures et de vitesses mentionnés en début de description.
  • A cet effet l'invention concerne une roue de turbine radiale comprenant un corps de roue de forme générale tronconique ou équivalente ayant une petite base, une grande base, et une surface latérale, des aubes émergeant radialement de la surface latérale dudit corps de roue, selon l'invention, la roue de turbine comprend un prolongement axial de la petite base du corps de roue s'étendant au-delà du plan transversal de fin des aubes, au moins une partie de la surface latérale constituée par un voile, et un moyeu axial, ladite partie de la surface latérale constituée par un voile et ledit moyeu axial définissant un évidement annulaire axial de la grande base de la roue de turbine.
  • Le moyeu axial est avantageusement un manchon axial creux à travers lequel passe l'axe de la turbine.
  • Dans un mode de réalisation, la roue de turbine comprend des nervures radiales de rigidification localisée dans l'évidement annulaire axial, et s'étendent entre le voile et le manchon axial.
  • Selon l'invention la roue de turbine peut être notamment en graphite dense ou en carbone vitreux.
  • D'autres avantages et caractéristiques de la présente invention résulteront de la description qui va suivre en référence aux dessins annexés dans lesquels :
  • La figure 1 est une représentation schématique en coupe longitudinale d'une roue de turbine radiale selon un premier mode de réalisation de l'invention.
  • La figure 2 est un graphique schématique mettant en parallèle les contraintes observées, en fonction du niveau considéré sur le rayon, sur une roue de turbine pleine en graphite dense et sur une roue de turbine en graphite dense selon le premier mode de réalisation de l'invention.
  • La figure 3 est une représentation schématique en coupe longitudinale d'une roue de turbine radiale selon un deuxième mode de réalisation de l'invention.
  • La figure 4 est un graphique schématique mettant en parallèle les contraintes observées sur deux roues de turbine en carbone vitreux selon le deuxième mode de réalisation de l'invention.
  • L'invention concerne une roue de turbine radiale 1 comprenant un corps de roue 2 de forme générale tronconique ou équivalente ayant une petite base 3, une grande base 4, et une surface latérale 5, et des aubes 6 émergeant radialement de la surface latérale 5 du corps de roue 2. Selon des caractéristiques de cette invention, la roue de turbine comprend un prolongement axial 7 de la petite base 3 du corps de roue 2 s'étendant au-delà du plan transversal 8 de fin des aubes 6, au moins une partie de la surface latérale 5 constituée par un voile 9, et un moyeu 10. La partie de la surface latérale constituée par le voile 9 et le moyeu 10 définissent ensemble un évidement annulaire axial 11 de la grande base 4 de la roue de turbine radiale 1.
  • Dans les modes de réalisation représentés sur les figures 1 et 3, le moyeu 10 est un manchon axial 14 à travers lequel passe l'axe 12 de rotation de la turbine.
  • Dans un mode de réalisation non représenté, le moyeu 10 est plein et constitue alors l'axe de rotation de la turbine.
  • Dans le premier mode de réalisation représenté sur la figure 1, seule une partie de la surface latérale 5 est constituée d'un voile 9. La roue de turbine présente alors un museau plein 13 percé axialement pour le montage sur l'axe de la turbine, s'étendant au-delà du plan transversal 8 de fin des aubes 6 du côté de la petite base 3, et formant ainsi le prolongement 7, et prolongé à l'opposé par un épanouissement radial formé d'un voile 9 et par un manchon axial creux 14 s'étendant vers la grande base 4 de la roue de turbine.
  • Avantageusement mais non limitativement, l'épaisseur du voile diminue de l'axe vers la périphérie de la roue.
  • Avantageusement mais non limitativement, la roue de turbine selon le premier mode de réalisation est réalisée en graphite dense. La figure 2 représente une courbe 20 des contraintes calculées à différents niveau du rayon d'une roue de turbine pleine en graphite et sans prolongement axial de la petite base (non représentée) tournant à 50000 tours/minute et une courbe 21 des contraintes calculées à différents rayons d'une roue de turbine en graphite selon la représentation de la figure 1 tournant à la même vitesse.
  • La forme particulière de la roue de la figure 1 permet de diminuer de plus de 50 % (de 88 MPa à 42 MPa)la contrainte maximale par rapport à la roue de turbine pleine. Comme l'enseigne l'art antérieur, cette contrainte maximale est située à proximité de l'axe de rotation.
  • Les graphites denses ont une résistance maximale à la traction/flexion de l'ordre de 65 MPa pour les plus courants et de l'ordre de 85 MPa pour ceux de qualité supérieure.
  • Le profil de la roue de turbine radiale selon le premier mode de réalisation permet donc l'emploi, en toute sécurité ( au sens de la loi de Weibull), de graphite dense pour la réalisation de roues de turbine radiale tournant à des vitesses de l'ordre de 50000 tours par minute. Ce matériau a pour avantage sa densité faible, sa facilité d'usinage, son coût peu élevé, ses propriétés mécaniques croissantes avec la température (une augmentation de 30% aux températures envisagées par rapport aux valeurs à température ambiante). La roue de turbine radiale selon le premier mode de réalisation permet donc une diminution de l'ordre de 50 % des contraintes maximales. En outre, associée à un matériau comme le graphite, elle permet de produire des roues de turbine radiale à des coûts compatibles avec des grandes séries. Une telle roue de turbine pourra être avantageusement utilisée dans les véhicules hybrides turbine-alternateur à cycle fermé ou à cycle ouvert. Aux températures de fonctionnement prévues, dans la mesure où une telle roue de turbine en graphite serait utilisée en atmosphère oxydante, il est nécessaire de la protéger par un revêtement antioxydant, par exemple du SiC. De même, le graphite étant relativement poreux, il peut être envisagé de revêtir la roue de turbine radiale en graphite de PyroCarbone pour éviter la diffusion du fluide moteur à travers la roue de turbine.
  • Le profil du premier mode de réalisation peut être utilisé avec tout autre matériau que le graphite, notamment par exemple des céramiques ou équivalent.
  • Dans le deuxième mode de réalisation représenté sur la figure 3, la totalité de la surface latérale 5 est constituée d'un voile 9. La roue de turbine comprend alors un voile 9 formant la surface latérale 5, un manchon axial creux 14 issu de la petite base 3 et s'étendant vers la grande base 4 de la roue de turbine, et une pluralité de nervures radiales de rigidification 15 localisée dans l'évidement annulaire axial 11 défini par le voile 9 et le manchon 14. Les nervures 15 s'étendent entre le voile 9 et le manchon axial 14. Ce type de profil en coque avec nervures 15 est fait pour permettre l'utilisation de matériaux dont les méthodes de fabrication imposent des épaisseurs limitées.
  • Avantageusement, mais non limitativement, la roue de turbine radiale selon le deuxième mode de réalisation est en carbone vitreux.
  • La figure 4 représente deux courbes 30, 31 des contraintes calculées à différents rayons d'une roue de turbine en carbone vitreux selon la représentation de la figure 3 tournant à 50000 tours/minute. L'une 30 des courbes concerne une roue de turbine radiale en carbone vitreux ayant une coque de 3 mm d'épaisseur avec 16 nervures radiales de 3 mm équiréparties, l'autre 31 des courbes concerne une roue de turbine radiale en carbone vitreux ayant une coque de 3 mm d'épaisseur avec 32 nervures radiales de 2 mm équiréparties.
  • La résistance maximale de traction/flexion du carbone vitreux est de l'ordre de 180 MPa à température ambiante, les contraintes maximales calculées sur les roues de turbine radiale selon le deuxième mode de réalisation sont donc bien inférieures à ce maximum.
  • Le deuxième mode de réalisation de la présente invention permet donc d'utiliser des matériaux légers dont les épaisseurs nominales de fabrication sont limitées, mais qui sont peu onéreux et qui peuvent facilement être moulés. Le carbone vitreux, comme le graphite, a des propriétés mécaniques croissant avec la température.
  • Bien entendu, l'invention n'est pas limitée aux modes de réalisation décrits et représentés, mais elle est susceptible de nombreuses variantes accessibles à l'homme du métier sans que l'on s'écarte de l'invention. En particulier, on pourra, sans sortir du cadre de l'invention, remplacer les matériaux utilisés par tout autre matériau équivalent.

Claims (5)

  1. Roue de turbine radiale comprenant:
    un corps de roue (2) de forme générale tronconique ou équivalente ayant une petite base (3), une grande base (4), et une surface latérale (5); et
    des aubes (6) émergeant radialement de la surface latérale (5) dudit corps de roue (2);
       caractérisée en ce qu'elle comprend
    un prolongement axial (7) de la petite base (3) du corps de roue (2) s'étendant au-delà d'un plan transversal (8) de fin des aubes (6);
    au moins une partie de la surface latérale (5) constituée par un voile (9) ; et
    un moyeu axial (10);
    ladite partie de la surface latérale (5) constituée par un voile (9) et ledit moyeu axial (10) définissant un évidement annulaire axial (11) de la grande base (4) de la roue de turbine.
  2. Roue de turbine selon la revendication 1 caractérisée en ce que le moyeu axial (10) est un manchon axial creux (14) à travers lequel passe l'axe (12) de la turbine.
  3. Roue de turbine selon la revendication 1 ou 2 caractérisée en ce qu'elle comprend des nervures radiales de rigidification (15) localisées dans l'évidement annulaire axial (11), et s'étendant entre le voile (9) et le moyeu axial (10).
  4. Roue de turbine selon l'une quelconque des revendications 1 à 3 caractérisée en ce qu'elle est en graphite dense.
  5. Roue de turbine selon la revendication 3 caractérisée en ce qu'elle est en carbone vitreux.
EP97401078A 1996-05-23 1997-05-15 Roue de turbine radiale Withdrawn EP0808989A1 (fr)

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