EP1534932A1 - Turbine a gaz a roue de turbine de type radial - Google Patents

Turbine a gaz a roue de turbine de type radial

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EP1534932A1
EP1534932A1 EP03758237A EP03758237A EP1534932A1 EP 1534932 A1 EP1534932 A1 EP 1534932A1 EP 03758237 A EP03758237 A EP 03758237A EP 03758237 A EP03758237 A EP 03758237A EP 1534932 A1 EP1534932 A1 EP 1534932A1
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wheel
channels
gas turbine
series
outputs
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    • 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
    • F01D1/00—Non-positive-displacement machines or engines, e.g. steam turbines
    • F01D1/34—Non-positive-displacement machines or engines, e.g. steam turbines characterised by non-bladed rotor, e.g. with drilled holes
    • 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
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    • F05D2250/20—Three-dimensional
    • F05D2250/23—Three-dimensional prismatic
    • F05D2250/232—Three-dimensional prismatic conical
    • 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
    • F05D2250/00—Geometry
    • F05D2250/30—Arrangement of components
    • F05D2250/32—Arrangement of components according to their shape
    • F05D2250/323—Arrangement of components according to their shape convergent

Definitions

  • the present invention relates to a gas turbine comprising on the one hand a turbine wheel of the radial type and on the other hand a fixed distributor fed by a volute and surrounding the wheel, by means of which the inlet gases coming from a combustion can be brought to the periphery of the wheel before crossing it in the centripetal direction.
  • the invention relates more precisely to small radial turbines, namely those whose wheel does not exceed a diameter of the order of 200 mm, for which cooling is difficult and for which reason the temperature of the gases at entry is limited to 950 ° C in the case of a metal wheel.
  • a radial type gas turbine according to the invention is characterized in that said turbine wheel is formed in massive form and is traversed, from inlets of its periphery to substantially axial outlets, by first double-inclination channels for said gases, namely channels having a first inclination in the direction of rotation of the wheel with respect to the radial direction, and a second inclination with respect to the axial direction, directing them from the periphery towards the center of the wheel, these first channels being lined with a lining of refractory material of the ceramic type.
  • said first channels of the turbine wheel will have a conical shape, their section widening from said inlets to said outlets, whereby the centrifugal force exerted on the linings of refractory material will tend to hold them firmly in said channels during rotation of the turbine wheel.
  • said first channels will have, at their ends, protective inserts made of refractory material of the ceramic type, held in place by assemblies with matching shapes in the corresponding end of the channel.
  • said turbine wheel may consist of two nested discs fixed to one another, namely a input disc and an output disc, and in that said first channels each comprise a first section passing through the input disc and a second section passing through the output disc, these sections, at different inclinations, connecting one to the other at the junction surface between the two discs.
  • This arrangement will give the first channels the different inclinations necessary while making possible their manufacture using conventional tools such as strawberries.
  • the inputs of said first channels on the turbine wheel are arranged in a peripheral series of S x N inputs, their outputs of the wheel being arranged in S concentric series each comprising N outputs .
  • the turbine wheel can also be characterized in that an input on S, of said first channels, is connected to an output of a first series of N outputs, the next input to an output close to a second series of N outputs etc, the S, th next input, of the group of S inputs considered, being connected to an output close to the Si th series of N outputs, the input still following or first input of the following group of S inputs being connected to another neighboring output of said first series of N outputs, and so on.
  • the number S will be between 2 and 5, and the number N between 9 and 15.
  • the fixed distributor surrounding the turbine wheel provision may be made for it consisting of a solid crown, preferably made of ceramic, through which there are second channels for the inlet gases, these second channels each being inclined on the corresponding radius of the crown, in the direction provided for the rotation of said wheel, in which case it will be advantageous to also provide second distributor channels constituted by conical holes whose section narrows from their inputs to their outputs.
  • the fixed distributor surrounding the turbine wheel may also consist of a series of fixed blades inclined on the corresponding radial direction of the wheel, in the direction provided for the rotation of this last.
  • the turbine wheel 1 made of aluminum alloy, has been shown in its form consisting of two concentric discs mutually nested and fixed to each other by bolts 2 masked by a plug 3, namely a disc of inlet 4 and an outlet disc 5.
  • the path of the channels 6 of the engine gas which pass through the turbine wheel 1 to drive its rotation have been shown diagrammatically in FIG. 1 by dotted lines, each of these channels comprising a first section 6a passing through the inlet disc 4 and a second section 6b passing through the outlet disc 5 (see FIG. 2); these sections, with different inclinations, connect to each other at the junction surface
  • first channels 6 have at their ends widenings 21 and 22 for protective inserts made of refractory material of the ceramic type, held in place by assemblies with matching shapes in the corresponding end of the channel , these assemblies being here of the dovetail type or the like.
  • the turbine wheel 1 Via the end hub 7 of the input disc 4, the turbine wheel 1 is cantilevered at the end of a shaft 8 which can connect it to the wheel of a compressor , not shown.
  • 9 we schematized the bearing box of this tree. In FIG. 3, a particular possible arrangement of the sections has been shown.
  • the outputs of the eleven channel sections corresponding to the eleven inputs e 2 are arranged in an intermediate series of eleven other outlets s
  • the sections crossing the output disc 5 of the wheel will be located following the previous ones, without however aligning with them.
  • FIG. 4 shows a fixed distributor constituted in the form of a solid ceramic crown 10 surrounding the turbine wheel 1 and crossed by second channels 11 for the inlet gases, for example at number of 19, these channels being each inclined on the corresponding radius of the crown, in the direction provided for the rotation of said wheel, and being constituted by conical holes whose section narrows from their inputs to their outputs (see also figure 5).
  • the angle of inclination of the axis of the second channels on the tangent to the perimeter of the distributor at their entry into it is of the order of 19 °.
  • Figure 5a shows, in the three-axis coordinate system Or, Oa, Ou, centered in O at the lower end of the axis OX of a second channel 11, the so-called nutation angle ⁇ # 71 ° that does this axis OX with the radial direction Or, and the angle known as of precession ⁇ # 82 ° that does with the axial direction Oa the projection of this axis OX in the horizontal plane aOu, the inclination of the axis OX compared in the vertical plane being of the order of 21 °.
  • the engine gas coming from a combustion chamber or the like which is not shown is brought to this distributor 10 by a volute comprising a profiled volute body 12 closed by a closure plate 13, the internal space of this volute narrowing by corner, from its periphery to the distributor.
  • the function of the volute is to provide the engine gas with a channel, the cross section of which also tapers progressively around the distributor crown, from the inlet 14 of the volute to a fairing spoiler 15 which closes the space provided between the wall of this volute and the crown 10.
  • the function of this spoiler 15 is also to ensure the most uniform flow possible for the engine gas entering the distributor.
  • a poronite type shim (not shown) is interposed between the ends of this spoiler 15 and the side walls of the volute 12-13.
  • the expanded gases leave the turbine by an outlet ring 16 connected to the fixed distributor 10 and through which also escape the gases leaking through the space, provided with labyrinth seals, formed between the turbine wheel 1 on the one hand , the distributor 10 and this outlet shell 16 on the other hand.
  • the space in which the turbine wheel 1 rotates is limited by a screen 17 fixed by a screw assembly on the casing 18 of the turbine and on the bearing box 9 of the shaft 8, and which has the function of limiting the leaks of the hydrodynamic ventilation air around the end hub 7 of the input disc 4 of the turbine wheel 1.
  • Another function of this screen 17 is, thanks to a system of four pins positioning 19, to prevent rotation of the fixed distributor 10 when the turbine is put into operation.

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Abstract

Turbine à gaz comprenant d'une part une roue de turbine de type radial et d'autre part un distributeur fixe alimenté par une volute et entourant ladite roue, grâce auquel les gaz d'entrée provenant d'une chambre de combustion peuvent être amenés sur la périphérie de la roue avant de la traverser en direction centripète. La roue (1) de turbine est constituée sous forme massive et est traversée, depuis des entrées de sa périphérie jusqu'à des sorties sensiblement axiales, par des premiers canaux (6) à au moins deux inclinaisons pour lesdits gaz, à savoir des canaux possédant par rapport à la direction radiale au moins une première inclinaison dans le sens de rotation de la roue (1), et au moins une seconde inclinaison par rapport à la direction axiale, les dirigeant depuis la périphérie vers le centre de la roue (1). Les premiers canaux (6) de la roue (1) de turbine sont éventuellement chemisés par un garnissage de matériau réfractaire du genre céramique et ont avantageusement une forme conique, leur section allant en s'élargissant desdites entrées auxdites sorties.

Description

Turbine à gaz à roue de turbine de type radial
La présente invention concerne une turbine à gaz comprenant d'une part une roue de turbine de type radial et d'autre part un distributeur fixe alimenté par une volute et entourant la roue, grâce auquel les gaz d'entrée provenant d'une chambre de combustion peuvent être amenés sur la périphérie de la roue avant de la traverser en direction centripète.
L'invention concerne plus précisément les turbines radiales de faibles dimensions, à savoir celles dont la roue ne dépasse pas un diamètre de l'ordre de 200 mm, pour lesquelles le refroidissement est difficile et dont pour cette raison la température des gaz à l'entrée est limitée à 950 °C dans le cas d'une roue métallique.
Le but de l'invention est de mettre en œuvre une nouvelle technologie, permettant d'atteindre des températures de fonctionnement de l'ordre de 1300 °C pour des roues de turbines de faibles dimensions, à base essentiellement métallique. A cet effet, une turbine à gaz de type radial conforme à l'invention est caractérisée en ce que ladite roue de turbine est constituée sous forme massive et est traversée, depuis des entrées de sa périphérie jusqu'à des sorties sensiblement axiales, par des premiers canaux à double inclinaison pour lesdits gaz, à savoir des canaux possédant par rapport à la direction radiale une première inclinaison dans le sens de rotation de la roue, et une seconde inclinaison par rapport à la direction axiale, les dirigeant depuis la périphérie vers le centre de la roue, ces premiers canaux étant chemisés par un garnissage de matériau réfractaire du genre céramique.
Avantageusement, lesdits premiers canaux de la roue de turbine auront une forme conique, leur section allant en s'élargissant desdites entrées auxdites sorties, grâce à quoi la force centrifuge s'exerçant sur les garnissages de matériau réfractaire aura tendance à les maintenir fermement dans lesdits canaux lors de la rotation de la roue de turbine.
De préférence encore, lesdits premiers canaux comporteront à leurs extrémités des inserts de protection en matériau réfractaire du genre céramique, maintenus en place par assemblages à concordance de formes dans l'extrémité correspondante du canal.
Sur le plan de la réalisation pratique, on pourra prévoir que ladite roue de turbine sera constituée de deux disques emboîtés et fixés l'un sur l'autre, à savoir un disque d'entrée et un disque de sortie, et en ce que lesdits premiers canaux comprennent chacun un premier tronçon traversant le disque d'entrée et un second tronçon traversant le disque de sortie, ces tronçons, à inclinaisons différentes, se raccordant l'un à l'autre à la surface de jonction entre les deux disques. Cette disposition permettra de donner aux premiers canaux les différentes inclinaisons nécessaires tout en rendant possible leur fabrication au moyen d'outils classiques tels que des fraises.
Selon un mode de réalisation particulièrement avantageux, on peut encore prévoir que les entrées desdits premiers canaux sur la roue de turbine sont disposées en une série périphérique de S x N entrées, leurs sorties de la roue étant disposées selon S séries concentriques comprenant chacune N sorties.
Dans ce cas, la roue de turbine pourra encore se caractériser en ce qu'une entrée sur S, desdits premiers canaux, est reliée à une sortie d'une première série de N sorties, l'entrée suivante à une sortie voisine d'une seconde série de N sorties etc, la S,ème entrée suivante, du groupe de S entrées considéré, étant reliée à une sortie voisine de la Sième série de N sorties, l'entrée encore suivante ou première entrée du groupe suivant de S entrées étant reliée à une autre sortie voisine de ladite première série de N sorties, et ainsi de suite.
Avantageusement, le nombre S sera compris entre 2 et 5, et le nombre N entre 9 et 15. Préférentiellement, on choisira S = 3 et N = l l, le nombre total desdits premiers canaux dans la roue de turbine étant donc de 33.
Pour ce qui est du distributeur fixe entourant la roue de turbine, on pourra prévoir qu'il est constitué d'une couronne massive, préférentiellement en céramique, traversée de seconds canaux pour les gaz d'entrée, ces seconds canaux étant inclinés chacun sur le rayon correspondant de la couronne, dans le sens prévu pour la rotation de ladite roue, auquel cas il sera avantageux de prévoir aussi des seconds canaux de distributeur constitués par des trous coniques dont la section se rétrécit de leurs entrées vers leurs sorties.
Selon un autre mode de mise en œuvre plus classique, le distributeur fixe entourant la roue de turbine pourra aussi être constitué d'une série d'aubes fixes inclinées sur la direction radiale correspondante de la roue, dans le sens prévu pour la rotation de cette dernière. Un mode d'exécution de l'invention va maintenant être décrit à titre d'exemple nullement limitatif avec référence aux figures du dessin ci-annexé dans lequel : μla figure 1 est une vue en coupe axiale schématique de la turbine ; μla figure 2 est une demi-vue en coupe axiale de la roue de turbine, par l'axe d'un canal ; μla figure 3 est une vue en perspective de la face interne du disque d'entrée de la roue de turbine, montrant la disposition particulière des canaux ; μla figure 4 est une vue de face de la plaque de fermeture de la volute, montrant le distributeur fixe en bout ; μla figure 5 est une vue de profil du distributeur, avec demi vue en coupe axiale, montrant un second canal ;
La roue de turbine 1, en alliage d'aluminium, a été représentée dans sa forme constituée de deux disques concentriques mutuellement emboîtés et fixés l'un sur l'autre par des boulons 2 masqués par un bouchon 3, à savoir un disque d'entrée 4 et un disque de sortie 5. Le trajet des canaux 6 du gaz moteur qui traversent la roue de turbine 1 pour entraîner sa rotation ont été schématisés sur la figure 1 par des lignes en pointillés, chacun de ces canaux comprenant un premier tronçon 6a traversant le disque d'entrée 4 et un second tronçon 6b traversant le disque de sortie 5 (voir figure 2) ; ces tronçons, à inclinaisons différentes, se raccordent l'un à l'autre à la surface de jonction
23 entre les deux disques. Sur la figure 2 on a montré aussi que les premiers canaux 6 comportent à leurs extrémités des élargissements 21 et 22 pour des inserts de protection en matériau réfractaire du genre céramique, maintenus en place par assemblages à concordance de formes dans l'extrémité correspondante du canal, ces assemblages étant ici du genre à queue d'aronde ou analogue.
Par l'intermédiaire du moyeu d'extrémité 7 du disque d'entrée 4, la roue de turbine 1 est montée en porte-à-faux à l'extrémité d'un arbre 8 qui peut la relier à la roue d'un compresseur, non représenté. En 9 on a schématisé la boîte à paliers de cet arbre. A la figure 3 on a montré une disposition particulière possible des tronçons
6a des canaux traversant le disque d'entrée 4 de la roue 1 de turbine. Sur la surface périphérique 24 de ce disque, une seule série périphérique des entrées de 33 tronçons de canaux sont considérées comme associées par groupes de S = 3 entrées d, e2, e3, puis βi, e2, e3 ... Les sorties des N = 11 tronçons de canaux correspondant aux onze entrées ej sont disposées selon une série extérieure de onze sorties Si, les sorties des onze tronçons de canaux correspondant aux onze entrées e2 sont disposées selon une série intermédiaire de onze autres sorties s , et les sorties des onze tronçons de canaux correspondant aux onze entrées e3 sont disposées selon une série intérieure d'encore onze autres sorties S3, ces sorties étant angulairement équiréparties dans chacune des S = 3 séries. Bien entendu, les tronçons traversant le disque de sortie 5 de la roue seront situés à la suite des précédents, sans toutefois s'aligner avec eux.
Dans ce mode de réalisation, on a représenté à la figure 4 un distributeur fixe constitué sous la forme d'une couronne massive 10 en céramique entourant la roue de turbine 1 et traversée de seconds canaux 11 pour les gaz d'entrée, par exemple au nombre de 19, ces canaux étant inclinés chacun sur le rayon correspondant de la couronne, dans le sens prévu pour la rotation de ladite roue, et étant constitués par des trous coniques dont la section se rétrécit de leurs entrées vers leurs sorties (voir aussi figure 5). A titre indicatif, l'angle d'inclinaison de l'axe des seconds canaux sur la tangente au périmètre du distributeur au niveau de leur entrée dans celui-ci est de l'ordre de 19°. La figure 5a montre, dans le système de coordonnées à trois axes Or, Oa, Ou, centré en O à l'extrémité inférieure de l'axe OX d'un second canal 11, l'angle dit de nutation φ # 71° que fait cet axe OX avec la direction radiale Or, et l'angle dit de précession ψ # 82 ° que fait avec la direction axiale Oa la projection de cet axe OX dans le plan horizontal aOu, l'inclinaison de l'axe OX par rapport au plan vertical étant de l'ordre de 21 °. Ces valeurs ne sont bien entendu données qu'à titre indicatif.
Le gaz moteur issu d'une chambre de combustion ou analogue non représentée est amené à ce distributeur 10 par une volute comportant un corps de volute profilé 12 obturé par une plaque de fermeture 13, l'espace interne de cette volute allant en se rétrécissant en coin, depuis sa périphérie jusqu'au distributeur. La volute a pour fonction d'offrir au gaz moteur un canal dont la section va aussi en se rétrécissant progressivement en faisant le tour de la couronne de distributeur, depuis l'entrée 14 de la volute jusqu'à un becquet de carénage 15 qui ferme l'espace ménagé entre la paroi de cette volute et la couronne 10. La fonction de ce becquet 15 est également d'assurer l'écoulement le plus uniforme possible au gaz moteur entrant dans le distributeur. Une cale d'étanchéité de type poronite (non représentée) est intercalée entre les extrémités de ce becquet 15 et les parois latérales de la volute 12-13.
Les gaz détendus sortent de la turbine par une virole de sortie 16 connectée au distributeur fixe 10 et par laquelle s'échappent également les gaz fuyant par l'espace, pourvu de joints à labyrinthes, ménagé entre la roue de turbine 1 d'une part, le distributeur 10 et cette virole de sortie 16 d'autre part. A l'opposé, l'espace dans lequel tourne la roue de turbine 1 est limité par un écran 17 fixé par un ensemble de vissage sur le carter 18 de la turbine et sur la boîte à paliers 9 de l'arbre 8, et qui a pour fonction de limiter les fuites de l'air de ventilation hydrodynamique autour du moyeu d'extrémité 7 du disque d'entrée 4 de la roue de turbine 1. Une autre fonction de cet écran 17 est, grâce à un système de quatre broches de positionnement 19, d'empêcher la rotation du distributeur fixe 10 lors de la mise en fonctionnement de la turbine. Cette rotation est également empêchée par des plots arqués 25 visibles sur la figure 5, qui sont bloqués dans des logements correspondants de la volute et de la virole 16. Enfin, une bague de fixation 20 et un autre système de vissage permettent de compléter l'assujettissement des parties fixes de la turbine sur son carter 18 par l'intermédiaire du couvercle 21 de celui-ci, lui-même vissé sur le carter.

Claims

REVENDICATIONS
1. Turbine à gaz comprenant d'une part une roue de turbine de type radial et d'autre part un distributeur fixe alimenté par une volute et entourant ladite roue, grâce auquel les gaz d'entrée provenant d'une chambre de combustion peuvent être amenés sur la périphérie de la roue avant de la traverser en direction centripète, caractérisée en ce que ladite roue (1) de turbine est constituée sous forme massive et est traversée, depuis des entrées de sa périphérie jusqu'à des sorties sensiblement axiales, par des premiers canaux (6) à double inclinaison pour lesdits gaz, à savoir des canaux possédant par rapport à la direction radiale une première inclinaison dans le sens de rotation de la roue (1), et une seconde inclinaison par rapport à la direction axiale, les dirigeant depuis la périphérie vers le centre de la roue (1), ces premiers canaux (6) étant chemisés par un garnissage de matériau réfractaire du genre céramique.
2. Turbine à gaz selon la revendication 1, caractérisée en ce que lesdits premiers canaux (6) de la roue (1) de turbine ont une forme conique, leur section allant en s' élargissant desdites entrées auxdites sorties.
3. Turbine à gaz selon la revendication 1 ou 2, caractérisée en ce que lesdits premiers canaux (6) comportent à leurs extrémités des inserts de protection (21, 22) en matériau réfractaire du genre céramique, maintenus en place par assemblages à concordance de formes dans l'extrémité correspondante du canal.
4. Turbine à gaz selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce que ladite roue (1) de turbine est constituée de deux disques (4, 5) emboîtés et fixés l'un sur l'autre, à savoir un disque d'entrée (4) et un disque de sortie (5), et en ce que lesdits premiers canaux (6) comprennent chacun un premier tronçon (6a) traversant le disque d'entrée (4) et un second tronçon (6b) traversant le disque de sortie
(5), ces tronçons, à inclinaisons différentes, se raccordant l'un à l'autre à la surface de jonction (23) entre les deux disques.
5. Turbine à gaz selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce que les entrées desdits premiers canaux (6) sur la roue de turbine sont disposées en une série périphérique de S x N entrées, leurs sorties de la roue étant disposées selon S séries concentriques comprenant chacune N sorties.
6. Turbine à gaz selon la revendication 5, caractérisée en ce qu'une entrée sur S, desdits premiers canaux (6), est reliée à une sortie d'une première série de N sorties, l'entrée suivante à une sortie voisine d'une seconde série de N sorties etc, la S,ème entrée suivante, du groupe de S entrées considéré, étant reliée à une sortie voisine de la Sjème série de N sorties, l'entrée encore suivante ou première entrée du groupe suivant de S entrées étant reliée à une autre sortie voisine de ladite première série de N sorties, et ainsi de suite.
7. Turbine à gaz selon la revendication 6, caractérisée en ce que le nombre S est compris entre 2 et 5, et le nombre N est compris entre 9 et 15.
8. Turbine à gaz selon la revendication 7, caractérisée en ce que le nombre S est égal à 3 et le nombre N est égal à 11, le nombre total desdits premiers canaux dans la roue de turbine étant donc de 33.
9. Turbine à gaz selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce que le distributeur fixe (10) entourant la roue (1) de turbine est constitué d'une couronne massive traversée de seconds canaux (11) pour les gaz d'entrée, ces seconds canaux étant inclinés chacun sur le rayon correspondant de la couronne (10), dans le sens prévu pour la rotation de ladite roue (1).
10. Turbine à gaz selon la revendication 9, caractérisée en ce que lesdits seconds canaux (11) du distributeur (10) sont constitués par des trous coniques dont la section se rétrécit de leurs entrées vers leurs sorties.
11. Turbine à gaz selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce que le distributeur fixe (10) entourant la roue (1) de turbine est constitué d'une série d'aubes fixes inclinées sur la direction radiale correspondante de la roue, dans le sens prévu pour la rotation de cette dernière.
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