EP3592977A1 - Turbopompe pour un circuit fluidique, notamment pour un circuit ferme en particulier de type a cycle de rankine - Google Patents

Turbopompe pour un circuit fluidique, notamment pour un circuit ferme en particulier de type a cycle de rankine

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EP3592977A1
EP3592977A1 EP18706447.2A EP18706447A EP3592977A1 EP 3592977 A1 EP3592977 A1 EP 3592977A1 EP 18706447 A EP18706447 A EP 18706447A EP 3592977 A1 EP3592977 A1 EP 3592977A1
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EP
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pump
turbine
turbopump
rotor
belt
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Philippe Pagnier
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IFP Energies Nouvelles IFPEN
Enogia SA
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IFP Energies Nouvelles IFPEN
Enogia SA
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    • F04POSITIVE - DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS FOR LIQUIDS OR ELASTIC FLUIDS
    • F04DNON-POSITIVE-DISPLACEMENT PUMPS
    • F04D13/00Pumping installations or systems
    • F04D13/02Units comprising pumps and their driving means
    • F04D13/04Units comprising pumps and their driving means the pump being fluid driven
    • F04D13/043Units comprising pumps and their driving means the pump being fluid driven the pump wheel carrying the fluid driving means
    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01KSTEAM ENGINE PLANTS; STEAM ACCUMULATORS; ENGINE PLANTS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; ENGINES USING SPECIAL WORKING FLUIDS OR CYCLES
    • F01K25/00Plants or engines characterised by use of special working fluids, not otherwise provided for; Plants operating in closed cycles and not otherwise provided for
    • F01K25/08Plants or engines characterised by use of special working fluids, not otherwise provided for; Plants operating in closed cycles and not otherwise provided for using special vapours
    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F04POSITIVE - DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS FOR LIQUIDS OR ELASTIC FLUIDS
    • F04DNON-POSITIVE-DISPLACEMENT PUMPS
    • F04D29/00Details, component parts, or accessories
    • F04D29/40Casings; Connections of working fluid
    • F04D29/406Casings; Connections of working fluid especially adapted for liquid pumps

Definitions

  • Turbopump for a fluidic circuit in particular for a closed circuit, in particular of the Rankine cycle type
  • the present invention relates to a turbopump used for a fluidic circuit, in particular for a closed circuit, in particular of the Rankine cycle type.
  • a turbopump is a machine that includes a turbine and a pump (or a compressor) so that a portion of the energy recovered by the turbine drives the pump (or compressor).
  • the turbine and the pump (or the compressor) are mounted at the ends of a single rotating shaft.
  • This machine is provided with lubrication bearings placed generally on the central part of the rotation shaft.
  • the turbine and the pump (or the compressor) are mounted at the ends of this rotation shaft which requires, on the one hand, relatively long shafts and, on the other hand, a sealing system making it possible to separate the system from lubrication of effluents.
  • turbopump will be used for a machine that includes both a turbine and a pump that a turbine and a compressor and the term “pump” will concern both a pump and a compressor. As better described in US Pat. No. 7,044,718, it is already known to reduce the length of the shaft and therefore the axial size of the turbopump.
  • the turbine and the pump are nested one inside the other so that the channels of the turbine and those of the pump are also nested within each other around the rotation shaft, which makes it possible to reduce in a substantial way the axial length of the machine.
  • the present invention proposes to further reduce the length of the rotation shaft and therefore the size of the turbopump. It also reduces the number of bearings and simplifies the lubrication circuits.
  • the present invention relates to a turbopump comprising a stationary housing comprising a pump with a pump rotor comprising pump vanes and a turbine housing a turbine rotor carrying turbine vanes, characterized in that the turbopump comprises a rotor turbine located coaxially around the rotor of the pump on the same plane perpendicular to the axis of said rotors.
  • the pump rotor may comprise radial fins bearing on their ends a circumferential belt.
  • the circumferential belt may carry radial turbine rotor blades disposed coaxially and above the vanes of the pump rotor.
  • the radial ends of the turbine rotor blades may carry a circumferential closed band substantially coaxial with the belt.
  • the belt may comprise sealing means with the fixed housing.
  • the sealing means may comprise a set of labyrinths at each end of the belt.
  • the X axis the orthonormal reference (X, Y, Z) of the figure is both the axis of the turbine rotor and the axis of the pump rotor.
  • the turbine and pump rotors are on the same plane, parallel to the YZ plane of the orthonormal mark ( ⁇ , ⁇ , ⁇ ), the YZ plane of the marker being orthogonal to the X axis.
  • the turbopump 10 comprises a fixed housing 12 which houses the rotating part 14 of a pump 16 (or pump rotor) and the rotating part 18 of a turbine 20 (or turbine rotor).
  • the pump rotor comprises a cylindrical shaft 22 connected at one end to a hub 24 of substantially frustoconical shape with a concave circumferential wall 26.
  • This wall carries a plurality of fins 28 projecting radially from the wall and regularly spaced on the outer periphery of this wall.
  • the fins comprise a leading edge 30 at a distance from the free end of the hub 24, a trailing edge 32 remote from the base of the frustoconical hub 24, and a radial outer end 34 of curvature substantially identical to that of the wall concave 26.
  • a curved circumferential belt 36 is placed, advantageously by shrinking, on the radial ends 34 of the fins, in particular to reduce the losses due to the flows.
  • This pump rotor is placed in the stationary housing 12 which comprises an axial bearing 38 for receiving the shaft 22 of the pump rotor, a sealing system 39 associated with the bearing 38, an axial inlet 40 of a fluid in situ. view of the hub 24 and which is coaxial with the bearing being placed upstream of the fins, and a radial outlet 42 of fluid which is in communication with the downstream portion of these fins.
  • This outlet 42 is preferably volute-shaped to direct the fluid to the device it must feed.
  • the pump thus comprises the shaft 22, the hub 24 with the concave wall 26, the fins 28, the belt 36, and a portion of the fixed housing with the bearing 38, the fluid inlet 40 and the fluid outlet 42.
  • the belt 36 carries, on the opposite side of the belt carrying the fins 28 of the pump, a multiplicity of fins 44 projecting radially and regularly spaced around the outer edge of this belt. These fins constitute the fins of the turbine and are coaxial and substantially in the same radial plane as the fins of the pump.
  • the blades of the turbine comprise a leading edge 46, a trailing edge 48, and a radial outer end 50 of curvature substantially identical to that of the belt.
  • a curved circumferential closed band 52 may be advantageously shrunk onto the radial outer ends 50 of the turbine blades 44 coaxially with the belt of the pump fins.
  • the turbine rotor is thus formed by the belt 36, the fins 44 of the turbine and possibly the strip 52 of the blades of the turbine being mounted on the peripheral portion of the rotor of the pump thus forming an integral part of this pump rotor .
  • This turbine rotor is placed in the stationary housing 12 which comprises a fluid inlet 54, advantageously volute-shaped facing the leading edge 46, turbine blades 44 and a fluid outlet 56 facing each other. the trailing edge 48 of these turbine blades.
  • This configuration allows a direct drive of the compressor by the turbine through the blades of the turbine and the belt.
  • the force exerted by the fluid on the blades of the turbine, associated with a large radius around the pump rotor contributes to providing a higher work than would be necessary to drive the compressor.
  • the turbine can operate without power supply, especially without an electric motor. It is then driven only by the fluid.
  • the pump may not be driven by a power supply. It does not require an electric motor and is driven only by the turbine.
  • these sealing means may be a set of labyrinths 58, 60 with, as illustrated by way of example in the figure, a blade 62 formed at each end of the belt which penetrates into grooves 64, 66.
  • L one of the grooves 66 is disposed between the inlet 54 of the turbine and the outlet 42 of the pump and the other 64 of the grooves is located between the inlet 40 of the pump and the outlet 56 of the turbine.
  • the seal is improved by ensuring on the one hand an equi-pressure between the output of the pump 42 and the inlet of the turbine 54 (high pressure side), on the other hand, an equi-pressure between the inlet of the pump 40 and the outlet of the turbine 56 (low pressure side).
  • turbopump as described above can be used in many fields, such as petroleum, aeronautical,
  • This turbopump more particularly finds its application with a closed circuit, in particular of Rankine cycle type 68 as illustrated in the single figure.
  • This Rankine cycle closed circuit is advantageously of the ORC (Organic Rankine Cycle) type and uses an organic working fluid or mixtures of organic fluids, such as butane, ethanol and hydrofluorocarbons.
  • ORC Organic Rankine Cycle
  • the closed circuit can also operate with a fluid such as ammonia, water, carbon dioxide, etc.
  • a fluid such as ammonia, water, carbon dioxide, etc.
  • the outlet 42 of the pump is connected to a heat exchanger 70, called evaporator, traversed by the working fluid compressed by the pump and by means of which the working fluid emerges from this evaporator in the form of compressed vapor.
  • This evaporator is also traversed by a hot source 72, in liquid or gaseous form so as to be able to yield its heat to the working fluid.
  • This hot source makes it possible to carry out the vaporization of the fluid and can come from various hot sources, such as a cooling liquid of a combustion engine, an industrial process, a furnace, hot gases resulting from combustion (fumes from an industrial process, a boiler, or a turbine, etc.), a heat flux from solar thermal collectors, etc.
  • various hot sources such as a cooling liquid of a combustion engine, an industrial process, a furnace, hot gases resulting from combustion (fumes from an industrial process, a boiler, or a turbine, etc.), a heat flux from solar thermal collectors, etc.
  • the outlet of the evaporator is connected to the inlet 54 of the turbine 20 to admit the working fluid in the form of vapor compressed at high pressure, this fluid emerging through the outlet 56 of this turbine in the form of steam expanded to low pressure.
  • the outlet 56 of the turbine is connected to a cooling exchanger 74, or condenser, which transforms the low pressure low pressure it receives into a low pressure liquid fluid.
  • This condenser is swept by a cold source, usually a flow of ambient air or cooling water, so as to cool the expanded steam so that it condenses and turns into a liquid.

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Abstract

Turbopompe (10) comprenant un boîtier fixe (12) comportant une pompe (16) avec un rotor de pompe (14) comprenant des ailettes de pompe (28) et une turbine (20) logeant un rotor de turbine (18) portant des ailettes de turbine (44). Selon l'invention, la turbopompe comprend un rotor de turbine (18) placé coaxialement autour du rotor de la pompe (16) sur un plan perpendiculaire auxdits rotors.

Description

Turbopompe pour un circuit fluidique, notamment pour un circuit fermé en particulier de type à cycle de Rankine
La présente invention se rapporte à une turbopompe utilisée pour un circuit fluidique, notamment pour un circuit fermé en particulier de type à cycle de Rankine.
Généralement une turbopompe est une machine qui comprend une turbine et une pompe (ou un compresseur) de manière à ce qu'une partie de l'énergie récupérée par la turbine entraîne la pompe (ou le compresseur). Pour ce faire, la turbine et la pompe (ou le compresseur) sont montées aux extrémités d'un unique arbre de rotation.
Cette machine est munie de paliers de lubrification placés généralement sur la partie centrale de l'arbre de rotation. La turbine et la pompe (ou le compresseur) sont montées aux extrémités de cet arbre de rotation ce qui nécessite, d'une part, des arbres relativement longs et, d'autre part, un système d'étanchéité permettant de séparer le système de lubrification des effluents. Pour des raisons de simplification dans la suite de la description, le terme
"turbopompe" sera utilisé pour une machine qui comprend aussi bien une turbine et une pompe qu'une turbine et un compresseur et le terme "pompe" concernera aussi bien une pompe qu'un compresseur. Comme mieux décrit dans le brevet US 7 044 718, il est déjà connu de réduire la longueur de l'arbre et par conséquent l'encombrement axial de la turbopompe.
Dans ce document, la turbine et la pompe sont imbriqués l'un dans l'autre de manière à ce que les canaux de la turbine et ceux de la pompe sont également imbriqués les uns dans les autres autour de l'arbre de rotation, ce qui permet de réduire d'une façon conséquente la longueur axiale de la machine.
La présente invention se propose de réduire encore d'avantage la longueur de l'arbre de rotation et donc l'encombrement de la turbopompe. Elle permet également de réduire le nombre de paliers et de simplifier les circuits de lubrification.
A cet effet, la présente invention concerne une turbopompe comprenant un boîtier fixe comportant une pompe avec un rotor de pompe comprenant des ailettes de pompe et une turbine logeant un rotor de turbine portant des ailettes de turbine, caractérisée en ce que la turbopompe comprend un rotor de turbine placé coaxialement autour du rotor de la pompe sur un même plan perpendiculaire à l'axe desdits rotors.
Le rotor de pompe peut comprendre des ailettes radiales portant sur leurs extrémités une ceinture circonférentielle.
La ceinture circonférentielle peut porter des ailettes radiales de rotor de turbine disposées coaxialement et au-dessus des ailettes du rotor de pompe.
Les extrémités radiales des ailettes de rotor de turbine peuvent porter une bande fermée circonférentielle sensiblement coaxiale à la ceinture. La ceinture peut comprendre des moyens d'étanchéité avec le boîtier fixe.
Les moyens d'étanchéité peuvent comprendre un jeu de labyrinthes à chaque extrémité de la ceinture. Les autres caractéristiques et avantages de l'invention vont apparaître à la lecture de la description qui va suivre, donnée à titre uniquement illustratif et non limitatif, et à laquelle est annexée la figure unique qui montre la turbopompe selon l'invention et son circuit associé. Sur cette figure, la turbopompe a la caractéristique de comporter une turbine qui est placée en périphérie de la pompe. La turbine et la pompe, et donc les rotors de turbine et de pompe, sont ainsi à la fois coplanaires, car placées sur un plan perpendiculaire à l'arbre de rotation de la machine, et coaxiales puisqu'elles sont toutes les deux en rotation autour du même axe de rotation. En effet, l'axe X du repère (X, Y, Z) orthonormé de la figure est à la fois l'axe du rotor de turbine et l'axe du rotor de pompe. Les rotors de turbine et de pompe sont sur un même plan, parallèle au plan YZ du repère (Χ,Υ,Ζ) orthonormé, le plan YZ du repère étant orthogonal à l'axe X.
La turbopompe 10 comprend un boîtier fixe 12 qui loge la partie tournante 14 d'une pompe 16 (ou rotor de pompe) et la partie tournante 18 d'une turbine 20 (ou rotor de turbine). Le rotor de pompe comprend un arbre cylindrique 22 relié à une extrémité à un moyeu 24 de forme sensiblement tronconique avec une paroi circonférentielle 26 concave. Cette paroi porte une multiplicité d'ailettes 28 saillantes radialement à partir de la paroi et régulièrement espacées sur le pourtour extérieur de cette paroi. Les ailettes comprennent un bord d'attaque 30 à distance de l'extrémité libre du moyeu 24, un bord de fuite 32 à distance de la base du moyeu tronconique 24, et une extrémité extérieure radiale 34 de courbure sensiblement identique à celle de la paroi concave 26.
Comme mieux visible sur la figure, une ceinture circonférentielle courbe 36 est placée, avantageusement par frettage, sur les extrémités radiales 34 des ailettes, notamment pour réduire les pertes dues aux écoulements.
Ce rotor de pompe est placé dans le boîtier fixe 12 qui comprend un palier axial 38 pour la réception de l'arbre 22 du rotor de pompe, un système d'étanchéité 39 associé au palier 38, une entrée axiale 40 d'un fluide en regard du moyeu 24 et qui est coaxiale au palier en étant placé en amont des ailettes, et une sortie radiale 42 de fluide qui est en communication avec la partie avale de ces ailettes.
Cette sortie 42 est avantageusement en forme de volute pour diriger le fluide vers l'appareil qu'il doit alimenter.
La pompe comprend ainsi l'arbre 22, le moyeu 24 avec la paroi concave 26, les ailettes 28, la ceinture 36, et une portion du boîtier fixe avec le palier 38, l'entrée 40 de fluide et la sortie 42 de fluide.
La ceinture 36 porte, sur la face à l'opposé de la ceinture portant les ailettes 28 de la pompe, une multiplicité d'ailettes 44 saillantes radialement et régulièrement espacées sur le pourtour extérieur de cette ceinture. Ces ailettes constituent les ailettes de la turbine et sont coaxiales et sensiblement dans le même plan radial que les ailettes de la pompe. Les ailettes de la turbine comprennent un bord d'attaque 46, un bord de fuite 48, et une extrémité extérieure radiale 50 de courbure sensiblement identique à celle de la ceinture.
De manière similaire à la ceinture des ailettes de la pompe, une bande fermée circonférentielle courbe 52 peut être placée, avantageusement par frettage, sur les extrémités extérieures radiales 50 des ailettes de turbine 44 en étant coaxiale à la ceinture des ailettes de la pompe.
Le rotor de turbine est ainsi formé par la ceinture 36, les ailettes 44 de la turbine et éventuellement la bande 52 des ailettes de la turbine en étant monté sur la partie périphérique du rotor de la pompe en formant ainsi partie intégrante de ce rotor de pompe.
Ce rotor de turbine est placé dans le boîtier fixe 12 qui comprend une entrée de fluide 54, avantageusement en forme de volute en regard du bord d'attaque 46, des ailettes 44 de turbine et une sortie de fluide 56 en vis-à-vis du bord de fuite 48 de ces ailettes de turbine.
Cette configuration permet un entraînement direct du compresseur par la turbine au travers des ailettes de la turbine et de la ceinture.
La force exercée par le fluide sur les ailettes de la turbine, associée à un rayon important autour du rotor de la pompe contribue à fournir un travail plus élevé que celui qui serait nécessaire pour entraîner le compresseur.
Selon un mode de réalisation, la turbine peut fonctionner sans alimentation électrique, notamment sans moteur électrique. Elle n'est alors entraînée que par le fluide.
De la même manière, pour ce mode de réalisation, la pompe peut ne pas être entraînée par une alimentation électrique. Elle ne nécessite alors pas de moteur électrique et n'est entraînée que par la turbine.
Ainsi, un travail résiduel est disponible sur l'arbre de la machine pour entraîner tout dispositif mécanique ou électrique, tel qu'un alternateur/générateur par exemple. Ainsi, le système n'utilise aucune alimentation électrique pour son fonctionnement et permet au contraire de récupérer une quantité d'énergie sous forme électrique. Il est aussi nécessaire d'assurer une étanchéité de la ceinture avec le boîtier et cela grâce à des moyens d'étanchéité disposés sur les extrémités libres de cette ceinture qui sépare la turbine de la pompe.
Pour cela, ces moyens d'étanchéité peuvent être un jeu de labyrinthes 58, 60 avec, comme illustré à titre d'exemple sur la figure, une lamelle 62 formée à chaque extrémité de la ceinture qui pénètre dans des rainures 64, 66. L'une 66 des rainures est disposée entre l'entrée 54 de la turbine et la sortie 42 de la pompe et l'autre 64 des rainures est située entre l'entrée 40 de la pompe et la sortie 56 de la turbine.
L'étanchéité est améliorée en assurant d'une part, une équi-pression entre la sortie de la pompe 42 et l'entrée de la turbine 54 (côté haute pression), d'autre part, une équi-pression entre l'entrée de la pompe 40 et la sortie de la turbine 56 (côté basse pression).
La turbopompe telle que décrite ci-dessus peut être utilisée dans de nombreux domaines, comme les domaines pétroliers, aéronautiques,
automobiles... Cette turbopompe trouve plus particulièrement son application avec un circuit fermé, en particulier de type à cycle de Rankine 68 comme illustré sur la figure unique.
Ce circuit fermé à cycle de Rankine est avantageusement de type ORC (Organic Rankine Cycle) et utilise un fluide de travail organique ou des mélanges de fluides organiques, comme du butane, de l'éthanol, des hydrofluorocarbures.
Il est bien entendu que le circuit fermé peut également fonctionner avec un fluide comme de l'ammoniac, de l'eau, du dioxyde de carbone... Ainsi, la sortie 42 de la pompe est reliée à un échangeur de chaleur 70, dénommé évaporateur, traversé par le fluide de travail comprimé par la pompe et grâce auquel le fluide de travail ressort de cet évaporateur sous forme de vapeur comprimée. Cet évaporateur est également parcouru par une source chaude 72, sous forme liquide ou gazeuse de manière à pouvoir céder sa chaleur au fluide de travail. Cette source chaude permet de réaliser la vaporisation du fluide et peut provenir de sources chaudes variées, telles qu'un liquide de refroidissement d'un moteur à combustion, d'un processus industriel, d'un four, de gaz chauds résultant d'une combustion (fumées d'un processus industriel, d'une chaudière, ou d'une turbine, etc.), d'un flux de chaleur issu de capteurs solaires thermiques, etc.
La sortie de l'évaporateur est connectée à l'entrée 54 de la turbine 20 pour y faire admettre le fluide de travail sous forme de vapeur comprimée à haute pression, ce fluide ressortant par la sortie 56 de cette turbine sous forme de vapeur détendue à basse pression.
La sortie 56 de la turbine est raccordée à un échangeur de refroidissement 74, ou condenseur, qui permet de transformer la vapeur basse pression détendue qu'il reçoit en un fluide liquide basse pression. Ce condenseur est balayé par une source froide, généralement un flux d'air ambiant ou d'eau de refroidissement, de manière à refroidir la vapeur détendue pour qu'elle se condense et se transforme en un liquide.
Bien entendu, les différents éléments du circuit sont reliés entre eux par des conduites de circulation de fluide permettant de les relier successivement.

Claims

REVENDICATIONS
1 ) Turbopompe (10) comprenant un boîtier fixe (12) comportant une pompe (1 6) avec un rotor de pompe (14) comprenant des ailettes de pompe (28) et une turbine (20) logeant un rotor de turbine (18) portant des ailettes de turbine (44), caractérisée en ce que la turbopompe comprend un rotor de turbine (18) placé coaxialement autour du rotor de la pompe (16) sur un même plan perpendiculaire à l'axe desdits rotors. 2) Turbopompe (10) selon la revendication 1 , caractérisée en ce que le rotor de pompe (14) comprend des ailettes radiales (28) portant sur leurs extrémités radiales une ceinture circonférentielle (36).
3) Turbopompe (10) selon la revendication 2, caractérisée en ce que la ceinture circonférentielle (36) porte des ailettes radiales (44) de rotor de turbine
(18) disposées coaxialement et au-dessus des ailettes (28) du rotor de pompe (1 6).
4) Turbopompe (10) selon la revendication 2 ou 3, caractérisée en ce que les extrémités radiales des ailettes (44) de rotor de turbine (18) porte une bande fermée circonférentielle (52) sensiblement coaxiale à la ceinture (36).
5) Turbopompe (10) selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisée en ce que la ceinture (36) comprend des moyens d'étanchéité (58, 60) avec le boîtier fixe.
6) Turbopompe (10) selon la revendication 5, caractérisée en ce que les moyens d'étanchéité comprennent un jeu de labyrinthes (58, 60) placé à chaque extrémité de la ceinture.
7) Application d'une turbopompe selon l'une des revendications précédentes à un circuit fermé, notamment de type Rankine ou ORC (Organic Rankine Cycle).
EP18706447.2A 2017-03-07 2018-02-12 Application d'une turbopompe à un circuit fluidique, notamment à und circuit fermé en particulier de type à cycle de rankine Active EP3592977B1 (fr)

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