FR2520052A1

FR2520052A1 - Multistage turbine rotor - has two discs with one having entry for fluid and other with multiple cone discs for fluid outlet

Info

Publication number: FR2520052A1
Application number: FR8200678A
Authority: FR
Inventors: Benjamin Gordon Glass
Original assignee: GEOTHERMAL TURBINE PATENT TRUS
Current assignee: GEOTHERMAL TURBINE PATENT TRUS
Priority date: 1982-01-18
Filing date: 1982-01-18
Publication date: 1983-07-22
Also published as: FR2520052B1

Abstract

The multi stage turbine has a case and a rotor on a shaft which turns in it. The rotor has two adjacent discs, the first being an entry for circulating fluid. The external circumference has openings for fluid and internal piping to direct fluid to them. The second assembly has spaced control discs with external circumferential outlets for fluid from inside the case. The entries consist of two opposed pipes ending in an annulus around the entry circumference. The assemblies are each held inside wing plates.

Description

La présente invention est relative à un rotor de turbine à plusieurs étages, comportant un ensemble des disques d'entrée qui dirigent du fluide en mouvement vers un ensemble des disques de sortie sur le même arbre. Les ensembles sont montés pour tourner entre des plaques à l'intérieur d'une enveloppe de turbine et l'entrée de fluide dans l'enveloppe vers l'ensemble d'entrée s'effectue par des ajutages dans une bague fixée à l'enveloppe. Chaque ensemble de disques est constitué de disques espacés avec des barrières qui guident le fluide en mouvement d'abord à travers l'ensemble d'entrée puis à travers l'ensemble de sortie. Un passage central dans les ensembles de disques au voisinage de l'arbre permet le passage de fluide de l'entrée à la sortie. L'échappement du fluide s'effectue par des sorties dans le fond du logement.Dans un mode de réalisation, les ensembles de disques sont coniques et, vus de coté, les ensembles avec les plaques ont une configuration en X en coupe. Dans un autre mode de réalisation, l'ensemble d'entrée est plat, l'ensemble de sortie conique. L'enveloppe dans les deux modes de réalisation est conformée pour assurer des pertes minimales et une résistance maximale. Les ajutages peuvent être convergents/divergents dans une chambre placée au voisinage de la périphérie de l'ensemble d'ehtrée. The present invention relates to a multistage turbine rotor, comprising a set of inlet discs which direct moving fluid to a set of outlet discs on the same shaft. The assemblies are mounted to rotate between plates inside a turbine casing and the entry of fluid into the casing towards the inlet assembly is effected by nozzles in a ring fixed to the casing . Each set of discs is made up of spaced discs with barriers that guide the moving fluid first through the inlet assembly and then through the outlet assembly. A central passage in the disc assemblies in the vicinity of the shaft allows the passage of fluid from the inlet to the outlet. The fluid is discharged through outlets in the bottom of the housing. In one embodiment, the disc assemblies are conical and, seen from the side, the assemblies with the plates have an X-shaped configuration in section. In another embodiment, the inlet assembly is flat, the outlet assembly conical. The envelope in the two embodiments is shaped to ensure minimum losses and maximum resistance. The nozzles can be convergent / divergent in a chamber placed in the vicinity of the periphery of the input assembly.

Le rotor de turbine de la présente invention-utilise un ensemble d'entrée à écoulement radial similaire à celui décrit dans le brevet U.S. 4.036.584 associé sur un arbre unique -à un ensemble de sortie à écoulement radial. En association, les ensembles d'entrée et de sortie constituent une construction de turbine à deux étages légère et très compacte. Les principes décrits dans la présente demande peuvent s'étendre de façon évidente, dans le cas d'applications à des pressions et températures très élevées à des rotors doubles ou des rotors doubles suivis par un rotor unique. The turbine rotor of the present invention uses a radial flow inlet assembly similar to that described in U.S. Patent 4,036,584 associated on a single shaft with a radial flow outlet assembly. In combination, the inlet and outlet assemblies constitute a lightweight and very compact two-stage turbine construction. The principles described in the present application can obviously be extended, in the case of applications at very high pressures and temperatures to double rotors or double rotors followed by a single rotor.

Selon la présente invention, la turbine peut présenter un agencement d'entrée/sortie à écoulement radial avec un ajutage annulaire unique ou des ajutages multiples. On peut également prévoir une construction à ajutage variable et collecteur de débris. En utilisant des détecteurs en amont de la turbine et en mettant en oeuvre un contrôle rapide, on évite l'endommagement de la turbine par des débris. On obtient une meilleure conservation de l'énergie avec des ajutages variables du fait que la consommation de fluide en mouvement est automatiquement contrôlée par les variations de la charge et, dans le cas de vapeur humide, on élimine les dangers de décrochages et de survitesses. Toutes ces caractéristiques sont également utilisables dans une turbine à étage unique.According to the present invention, the turbine can have a radial flow inlet / outlet arrangement with a single annular nozzle or multiple nozzles. One can also provide a construction with variable nozzle and debris collector. By using detectors upstream of the turbine and by implementing a rapid control, damage to the turbine by debris is avoided. Better energy conservation is obtained with variable nozzles because the consumption of fluid in motion is automatically controlled by variations in the load and, in the case of wet steam, the dangers of stalling and overspeeding are eliminated. All these characteristics can also be used in a single-stage turbine.

D'autres avantages et caractéristiques de l'invention apparaltront à la lecture de la description suivante de modes de réalisation de l'invention en se référant aù dessin annexé dans lequel
La figure 1 est une vue en élévation frontale de la turbine,
La figure 2 est une vue en élévation latérale en coupe selon 2-2 de la figure 1,
La figure 3 est une vue en coupe arrière du premier étage selon la ligne 3-3 de la figure 2,
La figure 4 est une vue en élévation frontale en coupe selon 4-4 de la figure 2,
La figure 5 est une vue en élévation frontale en coupe d'une variante de turbine,
La figure 6 est une vue latérale en coupe selon 6-6 de la figure 5,
La figure 7 est une coupe fragmentaire de l'ajutage avec frein, et
La figure 8 est une vue fragmentaire d'un collecteur de débris selon 8-8 de la figure 7.Other advantages and characteristics of the invention will appear on reading the following description of embodiments of the invention with reference to the accompanying drawing in which
FIG. 1 is a front elevation view of the turbine,
FIG. 2 is a side elevation view in section along 2-2 of FIG. 1,
FIG. 3 is a rear section view of the first stage along line 3-3 of FIG. 2,
FIG. 4 is a front elevation view in section along 4-4 of FIG. 2,
FIG. 5 is a front elevation view in section of a variant of a turbine,
FIG. 6 is a side view in section along 6-6 of FIG. 5,
FIG. 7 is a fragmentary section of the nozzle with brake, and
FIG. 8 is a fragmentary view of a debris collector according to 8-8 of FIG. 7.

On voit sur la figure 1 que la turbine 1 possède une enveloppe extérieure 3 avec des sorties doubles 5 sur chaque côté inférieur qui supporte également la turbine 1. L'enveloppe 3 est conformée de façon à s'adapter à la structure du rotor 7 et peut être de configuration toroïdale ou cylindrique pour une plus grande résistance. Comme on le voit le mieux dans la figure 2, le rotor 7 comporte un arbre commun 9 tourillonné dans des paliers arrière 11 et avant 13 supportés par des portées 15 et respectivement 17 de l'enveloppe. La portée 17 est maintenue par le logement d'une boite à engrenages 19 monté à l'avant de l'enveloppe 3.L'agencement d'engrenages peut être planétaire avec une roue-soleil 21 fixée par un boulon 22 sur l'arbre 9 et un pignon satellite 23 monté rotatif sur la roue 21 et engrenant avec des dents 25 fixées à la surface circulaire interne du logement 19 ainsi qu'avec deux dents 27 sur le moyeu de sortie 29 tourillonné à l'avant du logement 19. It can be seen in FIG. 1 that the turbine 1 has an outer casing 3 with double outlets 5 on each lower side which also supports the turbine 1. The casing 3 is shaped so as to adapt to the structure of the rotor 7 and can be toroidal or cylindrical in configuration for greater resistance. As best seen in FIG. 2, the rotor 7 comprises a common shaft 9 journalled in rear 11 and front bearings 13 supported by spans 15 and 17 respectively of the envelope. The range 17 is maintained by the housing of a gearbox 19 mounted at the front of the casing 3. The gear arrangement can be planetary with a sun wheel 21 fixed by a bolt 22 on the shaft 9 and a satellite pinion 23 rotatably mounted on the wheel 21 and meshing with teeth 25 fixed to the internal circular surface of the housing 19 as well as with two teeth 27 on the output hub 29 journalled at the front of the housing 19.

Lé rotor 7 comprend un ensemble 31 d'entrée à écoulement radial de disques 33, similaires aux.disques 20 du brevet U.S. nO 4.036.584; qui sont séparés les uns des autres par des barrières internes qui peuvent être des segments en spirale séparés comme on le voit sur le dessin du brevet mentionné. The rotor 7 includes a radial flow inlet assembly 31 of discs 33, similar to the disks 20 of U.S. Patent No. 4,036,584; which are separated from each other by internal barriers which may be separate spiral segments as seen in the drawing of the mentioned patent.

Les disques 33 sont supportés par une plaque de base 35 d'un seul tenant avec ou fixée à l'arbre 9 et forment le premier étage ou étage d'entrée. Un ensemble de disques coniques 37, montés de manière similaire, forme une sortie radiale de fluide et un second étage de la turbine. L'ensemble 37 est constitué de disques 39 qui sont montés sur une plaque de support 41 d'un seul tenant avec ou fixée à l'arbre 9. Les disques 39, de même que les disques 33 sont reliés entre eux par des barrières qui sont brasées ou reliées d'une autre manière aux disques voisins et aux plaques de support 35 et 41. Les centres des disques 33 et 39 possèdent des orifices alignés qui forment un passage de fluide central 45 au centre du rotor 7 à proximité d'une section réduite de l'arbre 9. The discs 33 are supported by a base plate 35 in one piece with or fixed to the shaft 9 and form the first stage or entry stage. A set of conical discs 37, similarly mounted, form a radial fluid outlet and a second stage of the turbine. The assembly 37 consists of discs 39 which are mounted on a support plate 41 in one piece with or fixed to the shaft 9. The discs 39, as well as the discs 33 are interconnected by barriers which are brazed or otherwise connected to neighboring disks and support plates 35 and 41. The centers of the disks 33 and 39 have aligned orifices which form a central fluid passage 45 at the center of the rotor 7 near a reduced section of the shaft 9.

Les ensembles de disques, 31 et 37, sont supportés sur l'arbre 9, et des plaques internes d'armature 47, 48, 49 sont reliées les unes aux autres et séparées des plaques de support 35 et 41 par des joints circulaires en graphite 53 et 55 pour empêcher des fuites de fluide. La plaque 47 possède une partie extérieure évasée ou incurvée 42 qui forme un guide de sortie de fluide. Comme on le voit sur la figure 2, le rotor est conformé en "X". Le fluide en mouvement, tel que de la vapeur ou du gaz, est introduit par des entrées opposées 56 dans une chambre 57 formée par les plaques d'armature 48 et 49 et la paroi adjacente de l'enveloppe 3. Une bague d'ajutage fixe 61 entoure l'ens-emble 31 au voisinage immédiat de celui-ci. The disk assemblies, 31 and 37, are supported on the shaft 9, and internal armature plates 47, 48, 49 are connected to each other and separated from the support plates 35 and 41 by circular graphite seals 53 and 55 to prevent fluid leakage. The plate 47 has a flared or curved outer part 42 which forms a fluid outlet guide. As seen in Figure 2, the rotor is shaped as "X". The moving fluid, such as steam or gas, is introduced through opposite inlets 56 into a chamber 57 formed by the armature plates 48 and 49 and the adjacent wall of the casing 3. A nozzle ring fixed 61 surrounds the assembly 31 in the immediate vicinity thereof.

Comme on le voit le mieux dans la figure 3, le fluide pé- nètre dans la chambre 57 et traverse l'ajutage 61 vers l'ensemble d'entrée 31, puis le passage central 45, traverse l'ensemble de sortie 37 jusqu'aux sorties 5. La bague d'ajutage 61 comprend de préférence deux segments identiques qui sont fixés à l'enveloppe avec des étranglements diamétraux 63 placés éloignés des entrées 56
L'ajutage 61 peut être sensiblement le même que celui décrit cidessous en référence à la figure 8.As best seen in Figure 3, the fluid enters the chamber 57 and passes through the nozzle 61 to the inlet assembly 31, then the central passage 45, through the outlet assembly 37 until at the outlets 5. The nozzle ring 61 preferably comprises two identical segments which are fixed to the casing with diametrical throttles 63 placed remote from the inlets 56
The nozzle 61 may be substantially the same as that described below with reference to FIG. 8.

On voit dans les figures 5 et 6 une variante de turbine qui possède une enveloppe externe 103 possédant des sorties 105 dan chaque support inférieur. Un rotor 107 avec un arbre 109 est touril lonné dans des paliers arrière 111 et avant 113. Une boîte à engrenages 119 comprend un système d'engrenages planétaire similaire à celui que l'on voit dans la figure 2. L'arbre 109 est boulonné à un portée 115 qui débouche à l'extérieur de l'enveloppe 103. Le rotor 107 comprend un ensemble d'entrée à écoulement radial 131 formé de disques sensiblements plats 133 qui sont, là encore, séparés par des barrières internes qui sont soudées ou brasées ensemble et à une plaque de support 135 sur l'arbre 109.L'ensemble de disques de sortie d'écoulement 137 peut être le même que celui de la figure 2 avec des disques coniques 39 fixés les uns aux autres et à une plaque de support 141 sur l'arbre 109 ou la portée 115. FIGS. 5 and 6 show a variant of a turbine which has an outer casing 103 having outlets 105 in each lower support. A rotor 107 with a shaft 109 is journalled in rear 111 and front bearings 113. A gearbox 119 includes a planetary gear system similar to that seen in FIG. 2. The shaft 109 is bolted at a surface 115 which opens outside the casing 103. The rotor 107 comprises a radial flow inlet assembly 131 formed of substantially flat discs 133 which are, again, separated by internal barriers which are welded or brazed together and to a support plate 135 on the shaft 109. The set of flow outlet discs 137 can be the same as that of FIG. 2 with conical discs 39 fixed to each other and to a plate support 141 on the shaft 109 or the bearing 115.

Les centres des ensembles 131 et 137 sont ouverts et alignés pour former un passage 145. Des entrées diamétralement opposées 156 amènent un fluide en mouvement tel que de la vapeur ou un gaz à une chambre 157 et à une bague d'ajutage 161, lesdites entrées étant de préférence tangentielles par rapport à l'ajutage comme dans le mode de réalisation de la figure 2. Des plaques d'armature 147, 148 et une plaque de support 149 sont reliées à, et forment partie de enveloppe 133 ; la plaque 147 possède une partie évase ou incurvée 142 pour guider le fluide. Des ajutages similaires sont décrits dans la demande de brevet U.S. nO 188.988 et peuvent être utilisés dans le cadre de la présente invention. The centers of the assemblies 131 and 137 are open and aligned to form a passage 145. Diametrically opposite inlets 156 bring a moving fluid such as steam or gas to a chamber 157 and to a nozzle ring 161, said inlets preferably being tangential to the nozzle as in the embodiment of FIG. 2. Reinforcement plates 147, 148 and a support plate 149 are connected to, and form part of the envelope 133; the plate 147 has a flared or curved portion 142 for guiding the fluid. Similar nozzles are described in U.S. Patent Application No. 188,988 and can be used in the context of the present invention.

tomme on le voit dans la figure 8, un étranglement 163 est formé entre les parties en recouvrement des segments de la bague 161. La partie de dessus du segment supérieur 161A possède une poche 181 qui forme une trappe à débris, et un conduit de sortie 183 (figure 7) peut être ajouté pour les accumulations de siphon de débris. En variante, des débris accumulés peuvent être enlevés automatiquement de la poche 181 lorsqu'ils sont signalés par un détecteur. Dans des applications géothermiques, un enlèvement automatique des débris est avantageux pour éviter des coupures. As seen in Figure 8, a throttle 163 is formed between the overlapping parts of the ring segments 161. The top part of the upper segment 161A has a pocket 181 which forms a debris trap, and an outlet conduit 183 (Figure 7) can be added for accumulations of debris siphon. Alternatively, accumulated debris can be automatically removed from the pocket 181 when signaled by a detector. In geothermal applications, automatic removal of debris is advantageous to avoid cuts.

Au voisinage de l'étranglement 163, les plaques 148 et 149 ont étémodifiées de façon à présenter des plaques d'étanchéité latérales circulaires 185 qui peuvent être mises sous pression par des lignes hydrauliques 187 et forcées contre les segments d'ajutage 161A et 161B pour assurer l'étanchéité. Les deux étranglements 163 présentent une structure identique, et leurs mécanismes respectifs 171 ainsi que les lignes hydrauliques 187 communiquent mutuellement pour une synchronisation. In the vicinity of the constriction 163, the plates 148 and 149 have been modified so as to present circular lateral sealing plates 185 which can be pressurized by hydraulic lines 187 and forced against the nozzle segments 161A and 161B to sealing. The two throttles 163 have an identical structure, and their respective mechanisms 171 as well as the hydraulic lines 187 communicate with each other for synchronization.

L'agencement d'engrenages planétaire de la turbine de la figure 6 peut être sensiblement le même que celui représenté dans la figure 2 et la boîte à engrenages 119 est conformée pour s'adapter sur l'extérieur de la plaque extérieure 149. The planetary gear arrangement of the turbine of FIG. 6 can be substantially the same as that shown in FIG. 2 and the gearbox 119 is shaped to fit on the outside of the outer plate 149.

Comme on le voit dans les figures 7 et 8, les étranglements 163 de la bague 161 sont du type convergent-divergent et sont réglables. La bague est pleine et s'étend sur la largeur de l'ensemble d'entrée 131 et la chambre 157. La bague 161 comprend un dispositif combiné 171 de frein de rotor de réglage d'étranglement, dans lequel un tube 173 possède une partie inférieure 172 vissée par une tête 177 qui est susceptible de coulisser dans la bague 161. L'extrémité de la partie 172 peut être tournée pour s'appliquer sur une tête de plongeur 177 qui supporte un embout de graphite 176. Le tube 173 est susceptible de coulisser dans un bloc 178 vissé à la bague 161. Ainsi le coulissement du tube 173 vers le bas déplace la tête 177 de telle manière que l'embout 176 s'appuie contre la périphérie extérieure de l'ensemble 131 pour freiner celui-ci.Le coulissement du tube 173 vers le haut peut soulever la tête 177 jusqu'à ce qu'elle s'applique contre des épaulements 179 de la bague 161 comme représenté dans la figure 7. Un mouvement vers le haut ultérieur du tube 173 soulève le segment de bague supérieur et ouvre ou dilate l'étranglement 163. As seen in Figures 7 and 8, the throttles 163 of the ring 161 are of the convergent-divergent type and are adjustable. The ring is full and extends over the width of the inlet assembly 131 and the chamber 157. The ring 161 comprises a combined throttle adjusting rotor brake device 171, in which a tube 173 has a part lower 172 screwed by a head 177 which is capable of sliding in the ring 161. The end of the part 172 can be turned to apply on a plunger head 177 which supports a graphite endpiece 176. The tube 173 is susceptible to slide in a block 178 screwed to the ring 161. Thus the sliding of the tube 173 downwards moves the head 177 in such a way that the end piece 176 is pressed against the outer periphery of the assembly 131 to brake the latter .Sliding the tube 173 upwards can lift the head 177 until it presses against the shoulders 179 of the ring 161 as shown in FIG. 7. A subsequent upward movement of the tube 173 raises the upper ring segment and opens or expands the strut regulation 163.

Les segments de bague sont fixés à l'enveloppe 103 à distance des étranglements 163 pour permettre le réglage de l'écartement d'environ 3 à 15 mm lorsque la bague 161 possède une profondeur d'environ 10 mm comme on le voit dans la figure 7. Toutefois, les dimensions d'étranglement sont fonction des dimensions de la turbine et peuvent de ce fait varier notablement. Egalement, les mouvements de coulissement du tube 173 peuvent être automatiques et effectués par un servo-mécanisme conventionnel en fonction entre autres de la température et de la pression du fluide en mouvement. De même, une décélération instantanée ou rapide du rotor peut etre effectuée avec le dispositif de freinage si l'on détecte une survitesse ou dans le cas d'une accumulation de débris. The ring segments are fixed to the casing 103 at a distance from the throttles 163 to allow adjustment of the spacing of approximately 3 to 15 mm when the ring 161 has a depth of approximately 10 mm as seen in the figure 7. However, the throttle dimensions are a function of the dimensions of the turbine and can therefore vary significantly. Also, the sliding movements of the tube 173 can be automatic and carried out by a conventional servo-mechanism depending, among other things, on the temperature and the pressure of the moving fluid. Similarly, an instantaneous or rapid deceleration of the rotor can be carried out with the braking device if an overspeed is detected or in the case of an accumulation of debris.

Bien que l'invention ait été décrite en liaison avec des modes de réalisation particuliers, elle n'y est nullement limitée et l'on peut lui apporter de nombreuses variantes et modifications sans pour autant sortir ni de son cadre, ni de son esprit. Although the invention has been described in connection with particular embodiments, it is in no way limited thereto and many variations and modifications can be made to it without departing from its scope or its spirit.

Claims

1. Multistage turbine comprising a casing and a rotor mounted on a journalled shaft for rotation in said casing, characterized in that said rotor comprises two sets (31, 37) of adjacent discs mounted in tandem on said shaft (9) , a first assembly (31) being a circular fluid inlet assembly with an outer circumference having fluid orifices, means for entering said envelope (3) and an internal nozzle (61) providing fluid communication between said inlet means and said orifices, a second assembly (37) comprising spaced conical discs (39) having an outer circumference with means for outlet of fluid in the envelope, means for passage of fluid in said rotor (7 ) and in the vicinity of said shaft (9) which provide fluid communication from the interior of the inlet assembly (31) to the interior of the outlet assembly (37).

2. Turbine according to claim 1, characterized in that said inlet means (56) comprise two opposite conduits opening into a nozzle ring (61) which surrounds the outer circumference of said inlet assembly (31).

3. Turbine according to claim 2, characterized in that said assemblies are each held in respective reinforcing plates (47, 48, 49) and that said plates are fixed to each other and inside of the envelope.

4.- Turbine according to claim 3, characterized in that said inlet assembly comprises conical discs (33) rotated in a direction opposite to those (39) of the outlet assembly, the plates and disks of the two assemblies having a configuration in X section view.

5. Turbine according to claim 1, characterized in that one end of said shaft comprises a drive coupling supported at the front of said casing.

6. Turbine according to claim 1, characterized in that the inlet assembly comprises flat disks (133) and that a debris removal opening (181) opens into said inlet means.

7. Turbine according to claim 1, characterized in that said casing comprises means (171) for braking the rotor.

8. Turbine according to claim 1, characterized in that said nozzle means have adjustable throttle holes (163) and that a mechanism (173) on said casing regulates the size of said throttle holes.

9. Turbine comprising a casing with fluid inlet means and a journalled rotor for turning in said casing, characterized in that said rotor (107) is of substantially circular shape and is at least partially surrounded by a nozzle (161 ), said nozzle being connected to the casing (103) and comprising at least one throttle orifice (163) which realizes a communication of fluid towards said rotor, said throttle being constituted by adjacent parts of said nozzle and that mayens ( 173) are provided to adjust the distance between said parts to vary the opening and adjust the supply of fluid to said rotor.

10. Turbine according to claim 9, characterized in that said nozzle is a ring-shaped assembly (161) of neighboring segments (161A, 161B) which define throttle orifices (163) arranged diametrically, said adjustment means comprising a movable member (173) mounted in a segment corresponding to the vicinity of the corresponding throttle orifice, said member being movable with the segment relative to the envelope to increase or decrease the distance between neighboring parts.

11. Turbine according to claim 10, characterized in that the inlet means comprise inlets (156) which open into a chamber (157) between the nozzle (161) and the casing (103), an orifice d 'throttle (163) being placed at a distance from each entry.