FR2747731A1 - Procede d'entrainement en rotation d'une turbine par un dispositif ejecteur - Google Patents
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Abstract
Procédé permettant l'utilisation d'une turbine à des vitesses et des puissances variables. Un injecteur (15) est placé dans un canal (3) en aval d'une turbine (4); il crée un effet Venturi et transforme une commande de pression en une commande de débit masse d'un fluide mélangé. Des capteurs (18) et un moyen de régulation (17) permettent à adapter la vitesse de la turbine (4) à une vitesse consigne. Une variante consiste en la mise en place d'un générateur de dépression au sortir de la section (5) du canal (3).
Description
PROCEDE D'ENTRAINEMENT EN ROTATION D'UNE TURBINE
PAR UN DISPOSITIF EJECTEUR
La présente invention concerne un procédé d'entraînement en rotation d'une turbine et un dispositif à turbine correspondant.
PAR UN DISPOSITIF EJECTEUR
La présente invention concerne un procédé d'entraînement en rotation d'une turbine et un dispositif à turbine correspondant.
Les turbines sont connues de longue date et sont essentiellement constituées par un moyeu portant des aubes, entraîné en rotation par un fluide (gaz, liquide) le traversant.
De manière connue. l'entraînement d'une turbine par un fluide permet de transférer l'énergie du fluide à l'axe de rotation de la turbine. Par exemple, la rotation de cet ase sert à entraîner un alternateur pour produire du courant électrique, entraîner divers outils (perçage. sciage ...).
A ce jour, les problèmes des dispositifs connus résident dans des vitesses d'écoulement élevées nécessaires à l'obtention de puissances les plus élevées possibles. Cependant. ces vitesses d'écoulement élevées conduisent à de fortes perturbations: par exemple lorsque le fluide est un gaz. il v a création:
- d'ondes de choc.
- d'ondes de choc.
- de faisceaux de détente ou de compression apparaissant sur les divers composants du dispositif.
Les conséquences de telles perturbations sont entre autres que:
- les composants de ces dispositifs doivent présenter des formes particulières, précises, optimum (ce qui implique un domaine d'utilisation limité, voire très limité),
- lesdits composants doivent résister mécaniquement aux efforts induits par les phénomènes vibratoires accompagnant ces perturbations,
- lesdites perturbations engendrent des phénomènes acoustiques souvent très violents.
- les composants de ces dispositifs doivent présenter des formes particulières, précises, optimum (ce qui implique un domaine d'utilisation limité, voire très limité),
- lesdits composants doivent résister mécaniquement aux efforts induits par les phénomènes vibratoires accompagnant ces perturbations,
- lesdites perturbations engendrent des phénomènes acoustiques souvent très violents.
Un autre aspect limitant l'emploi des dispositifs à turbine antérieurs réside dans les vitesses de rotation élevées. voire très élevées, de ces dispositifs.
Par utilisation de l'effet Venturi ou effet de trompe, il est possible entraîner un fluide secondaire par l'éjection d'un fluide primaire à travers un ajutage. De nombreux dispositifs mettent en oeuvre cet effet et notamment:
- les systèmes thermiques propulsifs à trompes qui génèrent une force par la création d'une différence de pression entre l'amont et l'aval du système. Le dispositif décrit dans le brevet FR 522.163 utilise ainsi une partie de l'énergie d'un écoulement gazeux se caractérisant principalement par des termes de vitesse, pour comprimer à l'aide d'une turbine, les combustibles et comburants nécessaires au fonctionnement du système,
- les systèmes thermiques tels que celui décrit dans le brevet
GB 1.410.543 dont la température de la source chaude est trop élevée pour être utilisée directement et qui sont conçus pour permettre un effet de refroidissement par dilution.
- les systèmes thermiques propulsifs à trompes qui génèrent une force par la création d'une différence de pression entre l'amont et l'aval du système. Le dispositif décrit dans le brevet FR 522.163 utilise ainsi une partie de l'énergie d'un écoulement gazeux se caractérisant principalement par des termes de vitesse, pour comprimer à l'aide d'une turbine, les combustibles et comburants nécessaires au fonctionnement du système,
- les systèmes thermiques tels que celui décrit dans le brevet
GB 1.410.543 dont la température de la source chaude est trop élevée pour être utilisée directement et qui sont conçus pour permettre un effet de refroidissement par dilution.
- les systèmes tels que ceux décrit dans les brevets FR 91.12711 et FR 92.11005. dit systèmes MAM. Ces systèmes permettent d'obtenir des puissances comparables à celles obtenues sur des turbines classiques, mais avec des vitesses de rotation de la turbine et des vitesses d'écoulement de fluide compatibles avec des écoulements peu perturbés.
La présente invention a pour but de pallier l'ensemble de ces inconvénients et notamment de créer une turbine dont le point de fonctionnement nominal ne soit pas associé à une vitesse d'écoulement transsonique que ce soit pour l'écoulement global ou pour des parties locales dudit écoulement.
I1 est rappelé qu'un point de fònctionnement est caractérisé par un couple de valeur (vitesse de rotation. puissance) ou (vitesse de rotation couple). Dans la présente description. on appellera point de fonctionnement nominal un point de fonctionnement correspondant à une puissance maximale.
Un des buts de l'invention est d'obtenir des résultats comparables aux systèmes MAM mais en éliminant lesdites hétérogénéités de l'écoulement amont turbine.
A cet effet, la présente invention concerne un procédé d'entraînement en rotation d'une turbine, ladite turbine étant reliée à un canal amont d'amenée de fluide et un canal aval d'éjection. ledit procédé étant caractérisé en ce qu'il consiste à:
- admettre un fluide primaire dans le canal amont, ledit canal convergeant de l'amont vers l'aval. et ledit fluide primaire présentant dans la partie aval dudit canal amont une pression Pp inférieure à la pression Pa du milieu extérieur environnant une vitesse Vp compatible avec un écoulement peu perturbé, et un débit masse Dp,
- entraîner en rotation la turbine par le passage dudit fluide primaire sur les aubes de cette turbine.
- admettre un fluide primaire dans le canal amont, ledit canal convergeant de l'amont vers l'aval. et ledit fluide primaire présentant dans la partie aval dudit canal amont une pression Pp inférieure à la pression Pa du milieu extérieur environnant une vitesse Vp compatible avec un écoulement peu perturbé, et un débit masse Dp,
- entraîner en rotation la turbine par le passage dudit fluide primaire sur les aubes de cette turbine.
- injecter dans le canal aval d'éjection un fluide secondaire.
ledit fluide secondaire présentant à l'injection. une pression Ps supérieure à la pression Pa, une vitesse Vs supérieure à Vp et un débit masse Ds déterminés,
- mélanger intimement dans le canal aval les fluides primaire et secondaire.
- mélanger intimement dans le canal aval les fluides primaire et secondaire.
- éjecter ledit mélange au sortir du canal aval à une pression proche de la pression Pa du milieu environnant.
Une venante dudit procédé consiste en l'entraînement en rotation d'une turbine, ladite turbine étant reliée à un canal amont d'amenée de fluide et un canal aval d'éjection. ladite variante dudit procédé étant caractérisée en ce qu'elle consiste à:
- admettre un fluide dans le canal amont ledit canal convergeant de l'amont vers l'aval. et ledit fluide présentant dans la partie aval dudit canal amont une pression Pp inférieure à la pression Pa du milieu extérieur environnant. une vitesse Vp compatible avec un écoulement peu perturbé. et un débit masse Dp.
- admettre un fluide dans le canal amont ledit canal convergeant de l'amont vers l'aval. et ledit fluide présentant dans la partie aval dudit canal amont une pression Pp inférieure à la pression Pa du milieu extérieur environnant. une vitesse Vp compatible avec un écoulement peu perturbé. et un débit masse Dp.
- entraîner en rotation la turbine par le passage dudit fluide sur les aubes de cette turbine,
- éjecter ledit fluide au sortir du canal aval à une pression Pej définie et inférieure à la pression Pa du milieu extérieur environnant.
- éjecter ledit fluide au sortir du canal aval à une pression Pej définie et inférieure à la pression Pa du milieu extérieur environnant.
Une autre variante dudit procédé consiste en l'entraînement en rotation d'une turbine. ladite turbine étant reliée à un canal amont d'amenée de fluide et un canal aval d'éjection. ladite variante dudit procédé étant caractérisée en ce qu'elle consiste à:
- admettre un fluide primaire dans le canal amont. ledit canal convergeant de l'amont vers l'aval. et ledit fluide primaire présentant dans la partie aval dudit canal amont une pression Pp inférieure à la pression Pa du milieu extérieur environnant. une vitesse Vp compatible avec un écoulement peu perturbé. et un débit masse Dp,
- entraîner en rotation la turbine par le passage dudit fluide primaire sur les aubes de cette turbine,
- injecter dans le canal aval d'éjection un fluide secondaire, ledit fluide secondaire présentant. à l'injection. une pression Ps supérieure à la pression Pa, une vitesse Vs supérieure à Vp et un débit masse Ds déterminés,
- mélanger intimement dans le canal aval les fluides primaire et secondaire,
- éjecter ledit mélange au sortir du canal aval à une pression Pej définie et inférieure à la pression Pa du milieu extérieur environnant.
- admettre un fluide primaire dans le canal amont. ledit canal convergeant de l'amont vers l'aval. et ledit fluide primaire présentant dans la partie aval dudit canal amont une pression Pp inférieure à la pression Pa du milieu extérieur environnant. une vitesse Vp compatible avec un écoulement peu perturbé. et un débit masse Dp,
- entraîner en rotation la turbine par le passage dudit fluide primaire sur les aubes de cette turbine,
- injecter dans le canal aval d'éjection un fluide secondaire, ledit fluide secondaire présentant. à l'injection. une pression Ps supérieure à la pression Pa, une vitesse Vs supérieure à Vp et un débit masse Ds déterminés,
- mélanger intimement dans le canal aval les fluides primaire et secondaire,
- éjecter ledit mélange au sortir du canal aval à une pression Pej définie et inférieure à la pression Pa du milieu extérieur environnant.
Avantageusement. le procédé. et ses variantes. selon l'invention est un procédé d'entraînement en rotation d'une turbine à une vitesse de rotation de consigne variable et consiste en outre à:
- mesurer en continu une grandeur représentative de la vitesse de rotation réelle de la turbine,
- traduire ladite grandeur en un terme de vitesse,
- comparer cette vitesse avec la vitesse de rotation de consigne.
- mesurer en continu une grandeur représentative de la vitesse de rotation réelle de la turbine,
- traduire ladite grandeur en un terme de vitesse,
- comparer cette vitesse avec la vitesse de rotation de consigne.
- modifier en continu un ou plusieurs paramètres de l'écoulement pour que le point de fonctionnement nominal de la turbine corresponde au point de fonctionnement de consigne.
Ainsi, le fait d'injecter un fluide secondaire à une pression et une vitesse plus élevée que le fluide primaire entraîne ce dernier de l'amont vers l'aval en passant entre les aubes de la turbine. Cet effet d'entraînement est connu sous le nom d'effet Venturi ou effet de trompe: il crée une dépression dans la partie amont du canal aval d'éjection. Ledit effet est utilisé, comme dans les systèmes MAM. en transformateur d'énergie: I'énergie du fluide secondaire injecté à faible débit masse mais à fortes vitesse et pression, est utilisé pour mettre en mouvement par effet Venturi un fort débit masse de fluide primaire suivant un écoulement peu perturbé. Par contre, les hétérogénéités du profil de vitesse en amont de la turbine sont fortement réduites par l'injection du fluide secondaire en aval de la turbine.
En outre. comme pour les systèmes MAM, le procédé selon l'invention permet. en agissant en continu sur la pression et ou la vitesse du fluide secondaire et ou sur tout autre paramètre dimensionnel ou fonctionnel du dispositif à turbine, de pouvoir adapter le point de fonctionnement nominal du dispositif au point de fonctionnement de consigne. Les paramètres dimensionnels peuvent être: la section d'entrée du fluide primaire, la section d'injection du fluide secondaire, la section de sortie du canal d'éjection. Les paramètres fonctionnels peuvent être: la méthode d'injection définie par ses modalités de direction (axiale, hélicoïdale), de position (pariétale, axiale, médiane) de forme (annulaire. ajutage cylindrique)* la pression d'injection et ou le débit masse du fluide secondaire.
Avantageusement, parce que l'injection du fluide secondaire est faite dans le canal aval, le mélange des fluides pnmaire et secondaire peut s'améliorer en injectant ledit fluide secondaire à une vitesse nettement supersonique et ou en générant d'énergiques faisceaux de détente au voisinage de l'injection dudit fluide secondaire.
La présente invention concerne aussi un dispositif à turbine mettant en oeuvre le procédé et ses variantes ci-dessus décrit, ledit dispositif comportant à l'intérieur d'un corps un canal amont d'amenée de fluide.
une turbine et un canal aval d'éjection de fluide, ledit dispositif étant caractérisé en ce qu'il comporte en outre:
- des movens d'injection d'un fluide secondaire dans le canal aval, ce fluide secondaire présentant une pression une vitesse et un débit masse déterminé.
- des movens d'injection d'un fluide secondaire dans le canal aval, ce fluide secondaire présentant une pression une vitesse et un débit masse déterminé.
- des moyens d'admission d'un fluide primaire dans le canal amont. ce fluide primaire présentant une pression et une vitesse inférieure à celle du fluide secondaire.
- des moyens de mélange des fluides primaire et secondaire.
- des moyens d'éjection dudit mélange à une pression proche de la pression Pa du milieu environnant.
Une variante dudit dispositif à turbine mettant en oeuvre le procédé et ses variantes ci-dessus décrit, concerne un dispositif comportant. à l'intérieur d'un corps, un canal amont d'amenée de fluide, une turbine et un canal aval d'éjection de fluide. ladite variante étant caractérisée en ce qu'elle comporte en outre:
- des moyens d'admission d'un fluide dans le canal amont, ce fluide présentant en partie aval de ces moyens une pression Pp inférieure à la pression Pa du milieu environnant.
- des moyens d'admission d'un fluide dans le canal amont, ce fluide présentant en partie aval de ces moyens une pression Pp inférieure à la pression Pa du milieu environnant.
- des moins d'éjection dudit fluide à une pression Pej définie et inférieure à la pression Pa du milieu environnant
- des moyens de réalisation de ladite pression Pej.
- des moyens de réalisation de ladite pression Pej.
Une autre variante dudit dispositif à turbine mettant en oeuvre le procédé et ses variantes ci-dessus décrit, concerne un dispositif comportant à l'intérieur d'un corps, un canal amont d'amenée de fluide, une turbine et un canal aval d'éjection de fluide, ladite variante étant caractérisée en ce qu'elle comporte en outre:
- des moyens d'injection d'un fluide secondaire dans le canal aval, ce fluide secondaire présentant une pression, une vitesse et un débit masse déterminés,
- des moyens d'admission d'un fluide primaire dans le canal amont, ce fluide primaire présentant une pression et une vitesse inférieure à celle du fluide secondaire,
- des moyens de mélange des fluides primaire et secondaire.
- des moyens d'injection d'un fluide secondaire dans le canal aval, ce fluide secondaire présentant une pression, une vitesse et un débit masse déterminés,
- des moyens d'admission d'un fluide primaire dans le canal amont, ce fluide primaire présentant une pression et une vitesse inférieure à celle du fluide secondaire,
- des moyens de mélange des fluides primaire et secondaire.
- des moyens d'éjection dudit mélange à une pression Pej définie et inférieure à la pression Pa du milieu environnant.
- des moyens de réalisation de ladite pression Pej.
Avantageusement le dispositif et ses variantes sont adaptés pour entraîner en rotation une turbine à une vitesse de consigne variable et comporte à cet effet des moyens de contrôle et de régulation comprenant:
- des moyens de mesure d'une grandeur représentative de la vitesse de rotation de la turbine,
- des moyens d'acquisition de la vitesse de rotation mesurée,
- des moyens de traitement adaptés pour comparer la vitesse de rotation mesurée, avec une vitesse de rotation de consigne,
- des actuateurs adaptés pour réguler des paramètres fonctionnels et ou dimensionnels de l'écoulement pour faire coïncider la valeur mesurée de la vitesse de rotation avec la valeur de consigne de cette vitesse, et
- une vanne d'arrêt.
- des moyens de mesure d'une grandeur représentative de la vitesse de rotation de la turbine,
- des moyens d'acquisition de la vitesse de rotation mesurée,
- des moyens de traitement adaptés pour comparer la vitesse de rotation mesurée, avec une vitesse de rotation de consigne,
- des actuateurs adaptés pour réguler des paramètres fonctionnels et ou dimensionnels de l'écoulement pour faire coïncider la valeur mesurée de la vitesse de rotation avec la valeur de consigne de cette vitesse, et
- une vanne d'arrêt.
La valeur de rotation de consigne est déterminée pour une application donnée. Par exemple dans le cas d'usinage par outil tournant. un tel dispositif ou ses variantes peuvent entraîner directement un outil de frai sage à une vitesse de 32 000 tours par minute.
D'autre objets. caractéristiques ou avantages de l'invention ressortiront de la description qui suit. à titre d'exemple. et en référence aux figures annexées dans lesquelles:
- la figure 1 est une vue schématique en coupe longitudinale illustrant le procédé de fonctionnement selon l'invention.
- la figure 1 est une vue schématique en coupe longitudinale illustrant le procédé de fonctionnement selon l'invention.
- la figure 2 est une sue schématique en coupe longitudinale illustrant une première vanante du procédé de fonctionnement selon l'invention.
- la figure 3 est une vue schématique en coupe longitudinale illustrant une deuxième vanante du procédé de fonctionnement selon l'invention.
- la figure 4 est une vue schématique en coupe longitudinale partielle illustrant une éjection axiale.
- la figure 5 est une cue schématique en coupe longitudinale partielle illustrant une éjection asialo-radiale.
- la figure 6 est une ue schématique en coupe longitudinale partielle illustrant une éjection radiale.
- la figure 7 est une vue schématique en coupe longitudinale partielle illustrant une admission axiale.
- la figure 8 est une que schématique en coupe longitudinale partielle illustrant une admission axialo-radiale.
- la figure 9 est une vue schématique en coupe longitudinale partielle illustrant une admission radiale.
- la figure 10 est une nie schématique en coupe longitudinale partielle illustrant une injection centrale de fluide primaire.
- la figure 1 1 est une vue schématique en coupe longitudinale partielle illustrant une injection médiane de fluide primaire.
- la figure 12 est une vue schématique en coupe longitudinale partielle illustrant une injection pariétale de fluide primaire.
- la figure 13 est une sue schématique en coupe longitudinale partielle illustrant une injection axiale de fluide primaire.
- la figure 14 est une vue schématique en coupe longitudinale partielle illustrant une injection hélicoïdale de fluide primaire.
- la figure 15 est une zue schématique en coupe longitudinale partielle illustrant une injection de fluide primaire par un ajutage.
- la figure 14 est une vue schématique en coupe longitudinale partielle illustrant une injection de fluide pnmaire par un injecteur annulaire.
Comme déjà indiqué le but de la présente invention est d'entraîner en rotation une turbine à une vitesse relativement faible, par exemple de l'ordre de 0 à 60 000 tours par minute pour une turbine de 80 mm de diamètre, mais avec un couple élevé.
A cette effet, le procédé d'entraînement en rotation de la turbine selon le procédé est décrit ci-après.
La turbine est placée entre un canal amont d'amenée de fluide et un canal aval d'éjection; le procédé selon l'invention consiste à:
- admettre un fluide primaire dans le canal amont: ledit canal converge de l'amont vers l'aval; ledit fluide primaire présente dans la partie aval dudit canal amont une pression Pp inférieure à la pression Pa du milieu extérieur environnant une vitesse Vp compatible avec un écoulement peu perturbé et un débit masse Dp.
- admettre un fluide primaire dans le canal amont: ledit canal converge de l'amont vers l'aval; ledit fluide primaire présente dans la partie aval dudit canal amont une pression Pp inférieure à la pression Pa du milieu extérieur environnant une vitesse Vp compatible avec un écoulement peu perturbé et un débit masse Dp.
- entraîner en rotation la turbine par le passage dudit fluide primaire sur les aubes de cette turbine,
- injecter dans le canal aval d'éjection un fluide secondaire: ledit fluide secondaire présente. à l'injection. une pression Ps supérieure à la pression Pa, une vitesse Vs supérieure à Vp et un débit masse Ds déterminés,
- mélanger intimement dans le canal aval les fluides primaire et secondaire,
- éjecter ledit mélange au sortir du canal aval à une pression proche de la pression Pa du milieu environnant.
- injecter dans le canal aval d'éjection un fluide secondaire: ledit fluide secondaire présente. à l'injection. une pression Ps supérieure à la pression Pa, une vitesse Vs supérieure à Vp et un débit masse Ds déterminés,
- mélanger intimement dans le canal aval les fluides primaire et secondaire,
- éjecter ledit mélange au sortir du canal aval à une pression proche de la pression Pa du milieu environnant.
Avantageusement. une variante dudit procédé consiste à:
- admettre un fluide dans le canal amont: ledit canal converge de l'amont vers l'aval: et ledit fluide présente dans la partie aval dudit canal amont une pression Pp inférieure à la pression Pa du milieu extérieur environnant une vitesse Vp compatible avec un écoulement peu perturbé. et un débit masse Dp,
- entraîner en rotation la turbine par le passage dudit fluide sur les aubes de cette turbine,
- éjecter ledit fluide au sortir du canal aval à une pression Pej définie et inférieure à la pression Pa du milieu extérieur environnant.
- admettre un fluide dans le canal amont: ledit canal converge de l'amont vers l'aval: et ledit fluide présente dans la partie aval dudit canal amont une pression Pp inférieure à la pression Pa du milieu extérieur environnant une vitesse Vp compatible avec un écoulement peu perturbé. et un débit masse Dp,
- entraîner en rotation la turbine par le passage dudit fluide sur les aubes de cette turbine,
- éjecter ledit fluide au sortir du canal aval à une pression Pej définie et inférieure à la pression Pa du milieu extérieur environnant.
Avantageusement une autre variante dudit procédé consiste à:
- admettre un fluide primaire dans le canal amont: ledit canal converge de l'amont vers l'aval: et ledit fluide primaire présente dans la partie aval dudit canal amont une pression Pp inférieure à la pression Pa du milieu extérieur environnant. une vitesse Vp compatible avec un écoulement peu perturbé, et un débit masse Dp.
- admettre un fluide primaire dans le canal amont: ledit canal converge de l'amont vers l'aval: et ledit fluide primaire présente dans la partie aval dudit canal amont une pression Pp inférieure à la pression Pa du milieu extérieur environnant. une vitesse Vp compatible avec un écoulement peu perturbé, et un débit masse Dp.
- entraîner en rotation la turbine par le passage dudit fluide primaire sur les aubes de cette turbine,
- injecter dans le canal aval d'éjection un fluide secondaire: ledit fluide secondaire présente, à l'injection. une pression Ps supérieure à la pression Pa, une vitesse Vs supérieure à Vp et un débit masse Ds déterminés,
- mélanger intimement dans le canal aval les fluides primaire et secondaire,
- éjecter ledit mélange au sortir du canal aval à une pression Pej définie et inférieure à la pression Pa du milieu extérieur environnant.
- injecter dans le canal aval d'éjection un fluide secondaire: ledit fluide secondaire présente, à l'injection. une pression Ps supérieure à la pression Pa, une vitesse Vs supérieure à Vp et un débit masse Ds déterminés,
- mélanger intimement dans le canal aval les fluides primaire et secondaire,
- éjecter ledit mélange au sortir du canal aval à une pression Pej définie et inférieure à la pression Pa du milieu extérieur environnant.
Avantageusement le procédé, et ses vanantes, selon l'invention est un procédé d'entraînement en rotation d'une turbine à une vitesse de rotation de consigne variable et consiste en outre à:
- mesurer en continu une grandeur représentative de la vitesse de rotation réelle de la turbine,
- traduire ladite grandeur en un terme de vitesse.
- mesurer en continu une grandeur représentative de la vitesse de rotation réelle de la turbine,
- traduire ladite grandeur en un terme de vitesse.
- comparer cette vitesse avec la vitesse de rotation de consigne,
- modifier en continu un ou plusieurs paramètres de l'écoulement pour que le point de fonctionnement nominal de la turbine corresponde au point de fonctionnement de consigne.
- modifier en continu un ou plusieurs paramètres de l'écoulement pour que le point de fonctionnement nominal de la turbine corresponde au point de fonctionnement de consigne.
Avantageusement on réalise une modification des paramètres dimensionnels du dispositif à turbine: variation de la section d'entrée du fluide primaire. de la section d'injection du fluide secondaire, de la section d'éjection du canal aval.
Avantageusement, on réalise une modification des paramètres fonctionnels du dispositif à turbine: variation de la pression d'injection du fluide secondaire, de la pression Pej.
Le dispositif à turbine selon l'invention est décrit ci-après.
Selon le mode de réalisation représenté à la figure 1, le dispositif comporte essentiellement dans un corps (11) présentant une s!-métrie générale de résolution:
- un canal amont (2) d'amenée de fluide primaire.
- un canal amont (2) d'amenée de fluide primaire.
- une turbine ( 1).
- un canal aval d'éjection (3).
- des movens d'injection ( 15 ).
- des moyens de contrôle et de régulation (17) constitués par:
- une vanne d'arrêt (22),
- des mot-ens de mesure (18),
- des moyens d'acquisition (19).
- une vanne d'arrêt (22),
- des mot-ens de mesure (18),
- des moyens d'acquisition (19).
- des moyens de régulation qui se composent de moyens de traitement (20) et d'actuateurs (21).
Les moyens d'injection (15) du fluide secondaire peuvent se réaliser sous trois modalités:
- modalité de position:
- injection en position centrale dans le canal aval (3) représenté figure 10;
- injection en position médiane dans le canal aval (3) représenté figure 1 1
- injection en position pariétale dans le canal aval (3) représenté figure 12:
- modalité de direction:
- injection suivant une direction axiale (les jets sont parallèles à l'axe du canal aval) dans le canal aval (3) représenté figure 13:
- injection suivant une direction hélicoïdale (les jets s'enroulent suivant une hélice autour de l'axe du canal aval) dans le canal aval (3) représenté figure 14;
- modalité de forme:
- injection par un ajutage (12). représenté figure 15, constitué d'un orifice calibré suivi d'un petit canal divergent se terminant par une section d'éjection (7):
- injection par un injecteur annulaire (13). représenté figure 16, constitué par une section annulaire débouchant sur un canal convergent annulaire (23), suivi d'une section calibrée annulaire (24), suivi ensuite d'un canal divergent (25) se terminant par une section d'éjection (7), dans le canal aval (3).
- modalité de position:
- injection en position centrale dans le canal aval (3) représenté figure 10;
- injection en position médiane dans le canal aval (3) représenté figure 1 1
- injection en position pariétale dans le canal aval (3) représenté figure 12:
- modalité de direction:
- injection suivant une direction axiale (les jets sont parallèles à l'axe du canal aval) dans le canal aval (3) représenté figure 13:
- injection suivant une direction hélicoïdale (les jets s'enroulent suivant une hélice autour de l'axe du canal aval) dans le canal aval (3) représenté figure 14;
- modalité de forme:
- injection par un ajutage (12). représenté figure 15, constitué d'un orifice calibré suivi d'un petit canal divergent se terminant par une section d'éjection (7):
- injection par un injecteur annulaire (13). représenté figure 16, constitué par une section annulaire débouchant sur un canal convergent annulaire (23), suivi d'une section calibrée annulaire (24), suivi ensuite d'un canal divergent (25) se terminant par une section d'éjection (7), dans le canal aval (3).
L'injection du fluide secondaire crée un efièt de trompe: en se rapportant à la figure 1, le fluide primaire est aspiré du canal amont (2), à travers la turbine ( 1), dans le canal aval (3 ); les fluides primaire et secondaire se mélangent dans la partie aval du canal aval (3); de manière connue d'énergiques faisceaux de détente (14),représentés sur les figures 15 et 16. peuvent participer à améliorer ce mélange.
Pour le dispositif décrit figure 1 une injection axiale par ajutage en position centrale est mise en place. Le mélange est éjecté dans le milieu environnant à la pression Pa en aval du canal aval (3) par la section (5). le but d'un tel canal est d'adapter la pression du fluide en sortie à celle Pa du milieu présent aux alentours de la section de sortie (5).
Le dispositif à turbine est en outre associé à des mos-ens de contrôle et de régulation (17) qui comportent:
- une vanne d'arrêt (22) de sécurité placée à l'amont du dispositif d'injection du fluide secondaire; cette vanne d'arrêt est commandée par le moyen de traitement (20).
- une vanne d'arrêt (22) de sécurité placée à l'amont du dispositif d'injection du fluide secondaire; cette vanne d'arrêt est commandée par le moyen de traitement (20).
- des moyens de mesure (18) d'une grandeur représentative de la vitesse de rotation de la turbine (1): ce sont par exemple des capteurs piézo-électriques de pression ou des capteurs inductifs (un seul est représenté sur la figure 1). Les contraintes de fiabilité de l'application déterminent le nombre de capteurs à installer.
- des moyens d'acquisition (19) qui reçoivent et adaptent les grandeurs électriques mesurées par les moyens ( 18).
- des moyens de traitement (20) qui définissent la vitesse instantanée de rotation de la turbine, et qui comparent cette vitesse mesurée à une vitesse de rotation de consigne: si les vitesses mesurée et de consigne diffèrent, les moyens de traitement envoient un ordre de commande,
- des actuateurs (21). constitués ici par un régulateur de pression, et commandés par les mos-ens de traitement (20).
- des actuateurs (21). constitués ici par un régulateur de pression, et commandés par les mos-ens de traitement (20).
La figure 6 représente la réalisation d'une variation de la section d'éjection (5) par le biais d'un actuateur (21); dans cette réalisation l'actuateur (21) est ici un moteur électrique d'asservissement en position: il est solidaire du corps (11) par la potence (28): il entraîne en rotation une tige filetée (29) qui se visse sur un taraudage réalisé sur la collerette (30); ladite collerette est guidée en translation suivant l'axe A du dispositif; suivant le sens de rotation du moteur de l'actuateur (21), ladite collerette se rapproche ou s'éloigne de la section d'éjection (5) faisant varier la dimension de cette dernière.
La figure 9 représente la réalisation d'une variation de la section d'admission (6) par le biais d'un actuateur (21): dans cette réalisation l'actuateur (21) est ici un moteur électrique d'asservissement en position; il est solidaire de la collerette (34) par la potence (33): il entraîne en rotation une tige filetée (31) qui se visse sur un taraudage (32) solidaire du corps (11); ledit corps est guidé en translation suivant l'axe A du dispositif: suivant le sens de rotation du moteur de l'actuateur (21 ) ledit corps (11) se rapproche ou s'éloigne de la collerette (34) faisant varier la dimension de la section (6).
La figure 2 présente une premier variante du dispositif selon l'invention. La description est en tout point identique à celle qui concerne le dispositif décrit par la figure 1. sauf en ce qui concerne les considérations sur la section d'éjection (5) et la partie aval de cette section.
Le générateur de dépression (16) est positionné en aval de la section (5); ledit générateur (16) est un groupe aspirant: il crée au niveau de cette section une pression Pej inférieure à la pression Pa du milieu environnant le dispositif; le but du canal aval (3) terminé par la section (5) est d'adapter la pression du fluide mélangé (Fp + Fs) dans la section (5) à la pression Pej créée par ledit générateur (16).
Avantageusement le groupe aspirant (16) est commandé par les movens de traitement (20) dans le but de faire varier la pression Pej et ou le débit masse Dp du fluide primaire Fp.
La figure 3 présente une deuxième variante du dispositif selon l'invention. La description est en tout point identique à celle qui concerne le dispositif décrit par la figure 2. sauf en ce qui concerne les considérations sur le fluide secondaire Fs et ses mous en d'injection (1 5).
Le fluide primaire Fp est uniquement mis en mouvement par la dépression créée par le générateur de dépression (16).
Ledit générateur (16) est positionné en aval de la section (5); ledit générateur (16) est un groupe aspirant: il crée au niveau de cette section une pression Pej inférieure à la pression Pa du milieu environnant le dispositif: le but du canal aval (3) terminé par la section (5) est d'adapter la pression du fluide Fp dans la section (5) à la pression Pej créée par ledit générateur (16).
Avantageusement le groupe aspirant (16) est commandé par les movens de traitement (20) dans le but de faire varier la pression Pej et ou le débit masse Dp du fluide primaire Fp.
Il est a noter que dans les modes de réalisation où il est procédé à une injection de fluide secondaire Fs. le nombre de conduites amenant le fluide secondaire dans le canal aval (5) peut varier. en particulier lorsque une injection par ajutage (figure 15) est utilisée; il est avantageux de répartir une pluralité de telles conduites à la circonférence du canal aval (3).
Avantageusement l'axe de la turbine peut être directement constitué par une tige de mandrin (26) d'un outil (27). Dans l'exemple. non limitatif d'une telle réalisation. décrite par les figures 1. 2 et 3, la turbine (1) est emmanchée en force sur la partie arrière (26) (tige de mandrin) de l'outil (27); en variante, l'outil peut être associé à une pièce intermédiaire de fixation (non représentée).
L'ensemble en rotation ainsi réalisé est constitué d'un petit nombre de pièces simples. peu coûteuses et de faible inertie autour de l'axe de rotation.
Compte tenu des vitesses de rotation modérées du dispositif il est possible d'utiliser pour le guidage en translation et en rotation de l'axe de la turbine des paliers simples. rustiques et peu coûteux, couramment employés dans l'industrie à ce jour: roulement à billes. paliers lisses.
Un des avantages de la présente invention est sa légèreté, son silence de fonctionnement par rapport aux turbines traditionnelles, sa fiabilité et sa rusticité.
Bien entendu. la présente invention n'est pas limitée aux modes de réalisation choisis et englobe toute variante à la portée de l'homme de l'art.
Claims (8)
1 Procédé d'entraînement en rotation d'une turbine (1), ladite turbine étant reliée à un canal amont (2) d'amenée de fluide et à un canal aval (3) d'éjection, ledit procédé étant caractérisé en ce qu'il consiste à:
- admettre un fluide primaire Fp dans le canal amont d'amenée de fluide (2), ledit canal amont convergeant de l'amont vers l'aval et apte à générer un écoulement dudit fluide primaire à fort débit masse Dp. et ledit fluide primaire Fp présentant dans la partie aval dudit canal amont une pression Pp inférieure à la pression Pa du milieu extérieur environnant, une vitesse Vp compatible avec un écoulement peu perturbé.
- entraîner en rotation ladite turbine (1) par le passage dudit fluide primaire sur les aubes (4) de ladite turbine,
- injecter dans le canal aval (3) un fluide secondaire Fs, ledit fluide secondaire présentant à l'injection. une pression Ps supérieure à la pression Pa, une vitesse Vs supérieure à Vp et un débit masse Ds déterminé s,
- mélanger intimement dans le canal aval (3) les fluides primaire et secondaire. de façon à obtenir, dans ledit canal aval un mélange homogène présentant un fort débit masse égal à la somme des débits masse
Dp et Ds des fluides primaire et secondaire.
- éjecter ledit mélange au sortir du canal aval (3) à une pression proche de la pression Pa du milieu environnant par une section de sortie dudit canal aval conçue à cet effet.
2 Procédé selon la revendication 1 caractérisé en ce qu'il consiste à éjecter ledit mélange au sortir du canal aval (3) à une pression Pej définie et inférieure à la pression Pa du milieu extérieur environnant. ladite pression
Pej étant appliquée à la section de sortie (5) . conçue à cet effet dudit canal aval (3).
3 Procédé d'entraînement en rotation d'une turbine ( 1). ladite turbine étant reliée à un canal amont (2) d'amenée de fluide et à un canal aval (3) d'éjection, ledit procédé étant caractérisé en ce qu'il consiste à:
- admettre un fluide Fp dans le canal amont d'amenée de fluide (2), ledit canal amont convergeant de l'amont vers l'aval et apte à générer un écoulement dudit fluide Fp à fort débit masse Dp. et ledit fluide Fp présentant dans la partie aval dudit canal amont une pression Pp inférieure à la pression Pa du milieu extérieur environnant. une vitesse Vp compatible avec un écoulement peu perturbé.
- entraîner en rotation ladite turbine (1) par le passage dudit fluide Fp sur les aubes (4) de ladite turbine.
- éjecter ledit fluide Fp au sortir du canal aval (3) à une pression Pej définie et inférieure à la pression Pa du milieu extérieur environnant, ladite pression Pej étant appliquée à la section de sortie (5), conçue à cet effet, dudit canal aval (3).
4 Procédé selon l'une des revendications 1 à 3 pour l'entraînement en rotation d'une turbine à une vitesse de consigne s-ariable. caractérisé en ce qu'il consiste en outre à:
- mesurer en continu une grandeur représentatis-e de la vitesse de rotation réelle de la turbine,
- traduire ladite grandeur en un terme de vitesse,
- comparer cette vitesse avec la vitesse de rotation de consigne,
- modifier en continu un ou plusieurs paramètres de l'écoulement pour que le point de fonctionnement nominal de la turbine corresponde au point de tbnctionnement de consigne.
5 Procédé selon l'une des revendications 1 à 3. caractérisé en ce qu'il consiste à déterminer le point de fonctionnement nominal en:
- modifiant une section d'admission (6) du fluide primaire Fp dans le canal amont d'amené (2). et ou en
- modifiant une section d'injection (7) du fluide secondaire Fs dans le canal aval (3), etou en
- modifiant une section de sortie (5) du canal aval (3), et ou en
- modifiant la pression d'injection du fluide secondaire Fs. et ou en
- modifiant le débit masse du fluide secondaire Fs. et ou en
- modifiant le débit masse du fluide primaire Fp.
6 Procédé selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que le fluide secondaire Fs est injecté dans le canal aval:
- suivant une direction asiale (9), et ou
- suivant une direction hélicoïdale (10), et ou
- suivant un mode d'injection positionné près de l'axe du corps (11), dit mode d'injection central. et ou
- suivant un mode d'injection positionné près de parois du corps (11), dit mode d'injection pariétal. et ou
- suivant un mode d'injection positionné entre l'axe et la paroi du corps (11), dit mode d'injection médian, et ou
- suivant une (ou une pluralité de) buse(s) (12) de section circulaire, et ou
- suivant une (ou une pluralité de) buse(s) (13) de section annulaire.
7 Procédé selon l'une des revendications précédentes. caractérisé en ce que le fluide secondaire Fs est injecté dans le canal aval (3) à une vitesse nettement supersonique, et ou présente au voisinage de l'injection dans ledit canal aval (3) d'énergiques faisceaux de détente (14).
8 dispositif à turbine mettant en oeuvre le procédé suivant l'une des revendications 1 à 7. comportant:
- à l'intérieur d'un corps (11) une turbine (1). un canal amont (2) d'amenée de fluide vers la turbine, et un canal aval (3) d'éjection de fluide,
- des moyens (15) d'injection dans ledit canal aval, d'un fluide secondaire Fs présentant une pression Ps. une vitesse Vs et un débit masse
Ds déterminés,
- des moyens d'admission dans ledit canal amont, d'un fluide primaire Fp, ledit dispositif étant caractérisé en ce que:
- le canal amont (2) d'amenée de fluide présente une section d'entrée (6) apte à générer un écoulement de fluide primaire à fort débit masse Dp, à une vitesse Vp. et à une pression Pp inférieure à la pression Pa du milieu environnant
- les mos-ens d'injection (15) sont adaptés pour délivrer un fluide secondaire Fs présentant une pression Ps et une vitesse Vs très supérieures à celles du fluide primaire. et sont disposés de façon à permettre l'obtention, à l'intérieur dudit canal aval. d'un mélange homogène de débit masse égal à la somme des débits masse Dp et Ds.
- le canal aval (3) présente une section de sortie (O) conçue pour adapter le niveau de pression en sortie sensiblement à celui du fluide présent aux alentours de la section d'éjection.
9 Dispositif selon la revendication 8 caractérisé en ce qu'il consiste à éjecter ledit mélange au sortir du canal aval (3 ) à une pression Pej inférieure à la pression Pa du milieu extérieur environnant, ladite pression Pej étant appliquée à la section de sortie (O). conçue à cet eflèt, dudit canal aval (3) par un générateur de dépression (16).
10; Dispositif à turbine mettant en oeuvre le procédé suivant l'une des revendications 2. 4. r. 6 et 7. comportant à l'intérieur d'un corps (11) une turbine (1), un canal amont (2) d'amenée de fluide vers la turbine, un canal aval (3) d'éjection de fluide. et des mos-ens d'admission dans ledit canal amont, d'un fluide Fp, ledit dispositif étant caractérisé en ce que:
- le canal amont (2) d'amenée de fluide présente une section d'entrée (6) apte à générer un écoulement de fluide à fort débit masse Dp, à une vitesse Vp, et à une pression Pp inleneure à la pression Pa du milieu environnant,
- le canal aval (3) présente une section de sortie (O) conçue pour éjecter le fluide Fp à une pression Pej inférieure à la pression Pa du milieu environnant ladite pression Pej étant appliquée à ladite section de sortie (5) par un générateur de dépression (16).
1 1 Dispositif selon l'une des revendications 8 à 10, caractérisé en ce qu'il est adapté pour entraîner la turbine (1) à une vitesse de consigne variable, ledit dispositif comportant en outre des moyens de contrôle et de régulation (17) comprenant:
- des moyens de mesure (18) d'une grandeur représentative de la vitesse de rotation de la turbine (1), et ou
- des moyens d'acquisition (19) de la vitesse de rotation mesurée. et'ou
- des moyens de traitement et de commande (20) adaptés pour comparer la vitesse de rotation mesurée avec la vitesse de rotation de consigne et ou
- des actuateurs (21) adaptés pour réguler la pression Ps du fluide secondaire. et ou la pression Pej délivrée par le générateur (16). et ou le débit masse Ds du fluide secondaire. et ou le débit masse Dp du fluide primaire, etou la section d'injection (7) du fluide secondaire Fs, et ou la section d'admission (6) du fluide primaire Fp. et ou la section d'éjection (O) du canal aval(3). afin de faire coïncider la valeur mesurée de la vitesse de rotation avec la valeur de consigne de cette vitesse. lesdits actuateurs (21) étant commandés par les mo-ens de traitement et de commande (20), et ou
- une vanne d'arrêt (22).
12 Dispositif selon l'une des revendications 8 à 11, caractérisé en ce que:
- le canal aval (3) d'éjection est orienté radialement et ou axialement,
- le canal amont (2) d'admission du fluide pnmaire est orienté radialement et ou axialement.
13 Dispositif selon l'une des revendications 8. 9 11, 12. caractérisé en ce que le moyen d'injection (15):
- comporte au moins une conduite adaptée pour introduire le fluide secondaire le long de la paroi du canal aval (3), et ou
- comporte au moins une conduite adaptée pour introduire le fluide secondaire en position radiale médiane dans le canal aval (3), et ou
- comporte au moins une conduite adaptée pour introduire le fluide secondaire en position centrale dans le canal aval (3), et ou
- est constitué d'au moins un ajutage ( 12). et ou
- est constitué par un espace annulaire à l'intérieur du canal aval (3), ledit espace annulaire présentant une section convergente (23) annulaire. une section de col (24) annulaire et une section divergente (25) annulaire par laquelle le fluide secondaire est injecté dans ledit canal aval.
14 Dispositif selon l'une des revendications de 8 à 13. caractérisé en ce que l'axe de rotation de la turbine est constitué par une tige de mandrin (26) d'un outil (27) entraîné par la turbine.
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