FR2767862A1 - Turbine cryogenique a aubage variable - Google Patents

Abstract

Turbine cryogénique (1) comprenant un corps (2, 3) formant palier pour un rotor équipé d'une roue (15) à ailettes alimentée en gaz à détendre par des injecteurs (16) formés par des aubes (20), ladite roue étant coaxiale avec un diffuseur (18), caractérisée en ce que ledit diffuseur est apte à commander, par rotation autour de l'axe (XX') dudit rotor, l'orientation desdites aubes par rapport audit axe.Des pions (20, 21) sont avantageusement prévus comme points de pivotement des aubes (20).

Description

L'invention a trait à une turbine cryogénique.

Une turbine cryogénique peut être utilisée pour la réfrigération d'un gaz par détente à travers une roue à ailettes solidaire d'un rotor supporté, par exemple, par des paliers à gaz. Des injecteurs sont prévus dans une telle turbine pour diriger le gaz à détendre vers les ailettes. Ces injecteurs sont formés par des aubes disposées autour de la roue à ailettes. Compte tenu des applications récentes des turbines cryogéniques, notamment dans les machines de refroidissement de l'air en vue de sa liquéfaction, le diamètre de ces turbines tend à croître, ce qui rend leur réglage possible par le fait d'une miniaturisation moins poussée.

Par ailleurs, la production d'air liquide doit être adaptée à la consommation effective qui est liée à la demande de l'industrie. Cette demande varie en fonction du temps, par exemple pour des raisons d'adaptation de la production à la demande du marché. Le point de fonctionnement d'une turbine est donc susceptible de varier.

Le point de fonctionnement d'une turbine cryogénique est défini par plusieurs paramètres, tels que la vitesse de rotation de la roue à ailettes, les performances d'un dispositif de dissipation d'énergie, la pression d'alimentation du fluide à détendre, etc... Un paramètre important est l'angle d'incidence du gaz à détendre par rapport aux ailettes de la roue à ailettes. I1 a été envisagé, dans des domaines techniques autres que ceux des turbines cryogéniques ou pour des turbines cryogéniques non isolées thermiquement par le vide, de réaliser des turbines avec des injecteurs ou aubages à orientation variable pour s'adapter aux différents régimes de fonctionnement possibles d'une turbine.

Dans le domaine des turbines cryogéniques, l'isolation par le vide s'impose pour les turbines fonctionnant à des températures très basses, notamment inférieurs à -200 C. Pour ces turbines, un problème particulier se pose dans la mesure où l'enveloppe contenant les injecteurs doit être confinée dans une enceinte isotherme et sous vide, car ces injecteurs baignent dans une atmosphère à très basse température. De plus, il est pratique de réaliser des turbines cryogéniques dont le corps comprend une cartouche formant palier pour le rotor, cette cartouche pouvant être extraite du corps pour des opérations de maintenance ou d'échange standard. Les aubes formant les injecteurs sont généralement installées au centre de cette cartouche, de sorte qu'elles sont difficilement accessibles et qu'un système de tringles ou de commande pneumatique serait de nature à interférer avec le montage ou le démontage de la cartouche.

C'est à ces problèmes qu'entend plus particulièrement répondre l'invention en proposant une turbine cryogénique dont les aubes formant les injecteurs peuvent être manoeuvrées de façon commode, sans interférence avec le dispositif d'entraînement ou d'isolation thermique de la turbine.

Dans cet esprit, l'invention concerne une turbine cryogé- nique comprenant un corps formant palier pour un rotor équipé d'une roue à ailettes alimentée en gaz à détendre par des injecteurs formés par des aubes, ladite roue étant co-axiale avec un diffuseur, caractérisée en ce que le diffuseur est apte à commander, par rotation autour de l'axe du rotor, l'orien- tation des aubes par rapport à cet axe.

Grâce à l'invention, l'orientation des aubes peut être commandée, jusqu'à l'intérieur de l'enceinte isotherme formée par le corps et la cartouche éventuelle de la turbine, sans perturbation de l'isolation thermique nécessaire au bon fonctionnement de celle-ci. L'invention permet également l'extraction d'une cartouche sans destruction du vide d'isolation. L'originalité de l'invention réside donc dans le fait que le dispositif de commande est compatible avec un système d'entraînement à cartouche-rotor extractible et une isolation thermique par le vide.

Selon un premier aspect avantageux de l'invention, chaque aube est montée pivotante autour de deux pions, un pion étant fixe par rapport au corps et l'autre pion étant entraîné en rotation autour de l'axe de rotation du rotor par ledit diffuseur. Grâce à cet aspect de l'invention, le réglage angulaire des aubes formant les injecteurs est obtenu par le déplacement de certains pions de pivotement de chaque aube suivant une trajectoire circulaire.

Dans ce cas, on peut également prévoir que chaque aube ou le diffuseur est pourvu d'une lumière oblongue de réception de l'un des pions. Cette lumière oblongue permet des variations de distance entre les pions de pivotement des aubes.

Selon un autre aspect avantageux de l'invention, la turbine comprend des moyens de commande à distance de l'orien- tation du diffuseur autour de l'axe du rotor. Ces moyens de commande à distance permettent une manoeuvre du diffuseur avec une précision acceptable, tout en respectant la nécessaire isolation thermique vis-à-vis de celui-ci.

Selon les modes de réalisation, on peut prévoir que le diffuseur est pourvu d'une denture radiale externe apte à coopérer avec une vis sans fin ou une crémaillère. Dans ce cas, la crémaillère est avantageusement commandée en translation par un vérin pneumatique. On peut également prévoir que le diffuseur est relié, par une bielle articulée, à une tige commandée mobile en translation ou que le diffuseur est pourvu d'une extension radiale apte à être logée entre une tige de commande mobile en translation et un moyen de rappel élastique. Selon une autre variante, le diffuseur est solidaire d'une tige de commande souple.

Selon un autre aspect avantageux de l'invention, applicable quel que soit le mode de réalisation considéré, la résultante des forces de pression exercées sur le diffuseur est telle qu'elle a tendance à plaquer le diffuseur contre les aubes. Cet aspect de l'invention permet de garantir que la liaison mécanique entre le diffuseur et les aubes est maintenue en permanence.

L'invention sera mieux comprise et d'autres avantages de celle-ci apparaîtront plus clairement à la lumière de la description qui va suivre de cinq modes de réalisation d'une turbine cryogénique conforme à son principe, donnée uniquement à titre d'exemple et faite en référence aux dessins annexés dans lesquels
- la figure 1 est un schéma de principe en coupe axiale d'une turbine cryogénique conforme à un premier mode de réalisation de l'invention ;
- la figure 2 est une vue à plus grande échelle du détail II à la figure 1
- la figure 3 est une coupe partielle selon la ligne
III-III à la figure 2
- la figure 4 est une coupe axiale partielle d'une turbine cryogénique conforme à un second mode de réalisation de l'invention
- la figure 5 est une vue à plus grande échelle du détail V à la figure 4
- la figure 6 est une vue à plus grande échelle du détail VI à la figure 4
- la figure 7 est une coupe partielle selon la ligne
VII-VII à la figure 5
- la figure 8 est une section schématique partielle selon la ligne VIII-VIII à la figure 4
- la figure 9 est une vue analogue à la figure 8 pour une turbine conforme à un troisième mode de réalisation de l'invention ;
- la figure 10 est une vue analogue à la figure 8 pour une turbine conforme à un quatrième mode de réalisation de l'invention et
- la figure 11 est une vue analogue à la figure 8 pour une turbine conforme à un cinquième mode de réalisation de l'invention.

La turbine cryogénique 1 représentée à la figure 1 comprend un corps fixe 2 à l'intérieur duquel est montée une cartouche 3, alimentée en gaz par un canal 4 débouchant par plusieurs orifices 4a formant paliers autour d'un rotor 5 monté flottant dans la cartouche 3. Un second canal 6 est utilisé pour l'évacuation du gaz des paliers. Le rotor 5 porte à l'une de ses extrémités une roue de compression 7 associée à un échangeur de chaleur 8 refroidi par un circuit 9 muni d'une entrée 10 et d'une sortie 11. Les éléments 7 à 11 constituent un dispositif de dissipation d'énergie destiné à freiner la rotation du rotor 5.

A son autre extrémité, le rotor 5 porte une roue à ailettes 15 disposée en regard d'injecteurs 16 d'un gaz à détendre tel que, par exemple, de l'hélium ou de l'air. Les injecteurs 16 sont alimentés en gaz haute pression grâce à un circuit 17. A la sortie de la roue 15, le gaz détendu circule dans un diffuseur 18 coaxial à l'axe de rotation XX' du rotor et de la roue 15. Le diffuseur 18 est constitué d'une partie 18a logée dans la cartouche 3 et d'une partie 18b logée dans le corps 1 à l'extérieur de la cartouche 3.

Comme il apparaît plus clairement à la figure 2, la partie 18a du diffuseur 18 est reliée à des aubes 20 formant les injecteurs 16 grâce à un pion 21 logé à force dans la partie 18a et pénétrant dans une lumière 20a de l'aube 20 visible à la figure 3. Un second pion 22, fixe dans une cloison 3a de la cartouche 3, pénètre dans un orifice 20b de chaque aube 20.

Ainsi, chaque aube 20 est montée pivotante autour de chaque pion 21 et 22.

Lorsque la partie 18a du diffuseur 18 est entraînée en rotation autour de l'axe XX' dans la direction de la flèche F à la figure 3, les aubes 20 passent de la position en traits pleins à la position en traits mixtes. L'angle d'incidence a de la vitesse V du gaz à détendre par rapport à la tangente à la roue 15 passe alors de la valeur Oco à la valeur a1 de sorte que, à pression d'alimentation constante, la composante tangentielle
U de la vitesse V par rapport à la roue 15 augmente alors que sa composante centripète W diminue. Le point de fonctionnement de la turbine 1 est ainsi modifié. La largeur minimale entre deux aubes adjacentes 20 passe alors de la valeur 1 à la valeur 1', de sorte que le débit de gaz est également modifié. Dans l'exemple, la valeur 1 étant inférieure à la valeur 1, le débit de gaz est diminué.

La lumière 20a pour la réception du pion 21 dans chaque aube 20 est oblongue, ce qui permet la variation de distance entre les pions 21 et 22 entre la position en traits pleins à la figure 3 où elle apparaît avec la référence d et la position en traits mixtes où elle apparaît avec la référence d'.

Les parties 18a et 18b du diffuseur 18 sont reliées par au moins un pion 18c permettant l'entraînement en rotation de la partie 18a par la partie 18b.

La partie 18a est destinée à être extraite du corps 2 avec la cartouche 3, la roue 15 et les aubes 20, par exemple pour un échange standard. La partie 18b est située en aval de la partie 18a par rapport à l'écoulement du gaz détendu, c'est-à-dire dans une zone de basse pression. L'entraînement en rotation de la partie 18b pour la commande de la partie 18a, donc des aubes 20, est réalisé grâce à une couronne dentée 23 s'étendant radialement vers l'extérieur de la partie 18b du diffuseur 18.

La couronne 23 est destinée à coopérer avec une vis sans fin 24 disposée de façon substantiellement perpendiculaire à l'axe
XX'. Ainsi, la rotation de la vis 24 implique une rotation des parties 18b et 18a du diffuseur 18 autour de l'axe XX' et, par voie de conséquence, la modification de l'orientation des aubes 20 grâce au mouvement de rotation des pions 21 autour de l'axe
XX'. La couronne 23 et la vis 24 constituent un moyen de commande à distance de la rotation du diffuseur 18 autour de l'axe XX'
Comme il apparaît à la figure 1, la partie 18b du diffuseur 18 est installée dans un logement 26 du corps 2 situé à l'extérieur de la cartouche 3 et défini par un épaulement annulaire 27 du corps 2 et une couronne 28 formant cloison. La couronne 28 est immobilisée par rapport au corps 2 grâce à au moins une tige filetée 29 traversant une lumière 23a de la couronne 23. La lumière 23a est oblongue de façon à permettre le débattement angulaire de la partie 18b du diffuseur 18 autour de l'axe XX' sans interférence avec la tige 29.

La partie 18a du diffuseur 18 est, quant à elle, logée dans une chambre haute pression 30.

Il serait également possible de prévoir que le diffuseur 18 soit monobloc et extrait du corps 2 de la turbine 1 avec la cartouche 3.

Dans le second mode de réalisation représenté aux figures 4 à 8, les éléments analogues à ceux du mode de réalisation des figures 1 à 3 portent des références identiques augmentées de 100. Dans ce mode de réalisation, le corps 102 d'une turbine cryogénique 101 renferme une cartouche 103 à l'intérieur de laquelle est monté flottant un rotor 105 muni d'une roue à ailettes 115 alimentée en gaz par des injecteurs 116 définis entre des aubes 120.

Ce mode de réalisation diffère du précédent en ce que le diffuseur 118 est monobloc, c'est-à-dire s'étend à partir d'une zone amont proche de la roue 115 jusqu'à l'extérieur de la cartouche 103. Le rotor 118 et les aubes 120 sont destinés à rester en place dans le corps 102 lorsque la cartouche 103 est extraite avec la roue 115. Le diffuseur 118 est muni, autour de son extrémité aval, d'une denture externe 123 destinée à coopérer avec une crémaillère 124. La crémaillère 124 peut être déplacée selon une direction YY' perpendiculaire à l'axe XX de rotation de la roue 115 grâce à un vérin pneumatique 134. La crémaillère 124 est logée dans un tube 135 à l'extrémité duquel est monté le vérin 134. Le tube 135 traverse une enveloppe étanche et isotherme 136 permettant d'isoler le vérin 134 du vide et de la température régnant dans le corps 102. Ce mode de réalisation est plus simple à mettre en place que le précédent, même s'il nécessite un usinage précis de la denture 123 et de la crémaillère 124.

Ce mode de réalisation diffère également du précédent en ce que le pion 121, entraîné par le diffuseur 118, est logé dans la partie aval de chaque aube 120 alors que le pion 122, fixe par rapport à une cloison 103a de la cartouche 103, est logé dans une partie amont de chaque aube 120. Une lumière oblongue 118a de réception du pion 121 est ménagée dans le diffuseur 118. Elle permet une variation de distance axiale entre les pions 121 et 122.

Bien entendu, il serait également possible de prévoir, dans le premier mode de réalisation, que la lumière oblongue est ménagée dans la partie amont 18a du diffuseur 18.

Le fonctionnement de ce second mode de réalisation est analogue à celui décrit en référence au premier mode de réalisation. La rotation du diffuseur 118 permet d'entraîner, grâce au pion 121, l'extrémité aval des aubes 120 alors que les pions 122 constituent un point de pivotement de ces aubes.

Pour garantir que le pion 121 pénètre en permanence dans la lumière 118a et que les aubes 120 soient toujours efficacement entraînées en rotation par le diffuseur 118, la chambre de haute pression 130 dans laquelle circule le gaz à détendre comprend, à proximité de l'extrémité aval du diffuseur 118, une couronne 131 contre une face radiale de laquelle le diffuseur 118 est destiné à glisser. Un ressort 132 de poussée est disposé entre la couronne 131 et une cloison 102a du corps 102.

Ce ressort exerce en permanence sur le diffuseur 118 un effort
F1 dirigé vers les aubes 120, y compris lorsque la turbine 101 est à l'arrêt, c'est-à-dire lorsque la chambre 130 n'est pas alimentée. Le ressort 132 peut être formé, par exemple, d'une rondelle conique. Par ailleurs, un joint 133 est disposé au fond d'une gorge 130a définie dans la chambre 130 entre la couronne 131 et la paroi 102a. La pression régnant dans la gorge 130a exerce un effort F2 d'écartement des éléments 131 et 102a qui a tendance à plaquer le diffuseur 118 sur les aubes 120. La résultante R des efforts F1 et F2 sur le diffuseur 118 est dirigée vers les aubes 120.

Sur la figure 7, la lumière oblongue 118a a été représentée en traits mixtes, car elle se situe en avant du plan de coupe VII-VII à la figure 5.

Dans le troisième mode de réalisation de l'invention représenté à la figure 9, les éléments analogues à ceux du mode de réalisation des figures 1 à 3 portent des références identiques augmentées de 200. Dans ce mode de réalisation, un diffuseur 218 est entraîné en rotation par une bielle 240 commandée par une tige 241 mobile en translation selon un axe
YY' perpendiculaire à 1'axe XX'. Ce mode de réalisation présente l'avantage supplémentaire qu'il n'est pas nécessaire de prévoir un jeu fonctionnel entre les différents éléments constituant le système de commande en rotation du diffuseur 218 et que les entraxes ne doivent pas être définis de façon excessivement précise.

Dans la quatrième mode de réalisation de l'invention représenté à la figure 10, les éléments analogues à ceux du mode de réalisation des figures 1 à 3 portent des références identiques augmentées de 300. Dans ce mode de réalisation, un diffuseur 318 est commandé en rotation autour de l'axe XX' grâce à une tige 341 mobile en translation suivant une direction YY' globalement perpendiculaire à l'axe XX' et venant en appui sur une extension radiale 318d du diffuseur 318 destinée à être logée entre l'extrémité 341a de la tige 341 et un moyen de rappel élastique constitué par un ressort 342. Ce dispositif de conception simple évite de définir les pièces avec une géométrie très précise dans la mesure où les appuis simples réalisés par l'extrémité 341a de la tige 341 et un tampon 343 solidaire du ressort 342 sur l'extension 318d rattrapent automatiquement les jeux.

Dans le cinquième mode de réalisation de l'invention représenté à la figure 11, les éléments analogues à ceux du mode de réalisation de figure 1 portent des références identiques augmentées de 400. Dans ce mode de réalisation, un diffuseur 418 est entraîné en rotation autour de l'axe XX' grâce à une tige souple 441, mobile en translation selon une direction YYs globalement perpendiculaire à l'axe XX', dont il est solidaire. L'extrémité 441a de la tige 441 peut être fixée par tout moyen sur le diffuseur 418, par exemple vissée ou rivetée. Ce dispositif particulièrement simple est d'un prix de revient relativement bas, alors qu'il permet de rattraper tous les jeux fonctionnels. La tige 441 est réalisée en acier inoxydable qui est suffisamment flexible pour accepter une flexion sur quelques dixièmes de millimètres.

Quel que soit le mode de réalisation considéré, les pions 21, 22, 121 ou 122 pourraient être réalisés à l'aide de vis.

Claims (10)

REVENDICATIONS

1. Turbine cryogénique (1, 101) comprenant un corps (2, 102, 103) formant palier pour un rotor (5, 105) équipé d'une roue (15, 115) à ailettes alimentée en gaz à détendre par des injecteurs (16, 116) formés par des aubes (20, 120), ladite roue étant coaxiale avec un diffuseur (18, 118, 218, 318, 418), caractérisée en ce que ledit diffuseur est apte à commander, par rotation autour de l'axe (XX') dudit rotor, l'orientation desdites aubes par rapport audit axe.

2. Turbine cryogénique selon la revendication 1, caractérisée en ce que chaque aube (20, 120) est montée pivotante autour de deux pions (21, 22, 121, 122), un pion (22, 122) étant fixe par rapport audit corps (2, 102) et l'autre pion (21, 121) étant entraîné en rotation autour dudit axe (XX') par ledit diffuseur (18, 118).

3. Turbine cryogénique selon la revendication 2, caractérisée en ce que ladite aube (20) ou ledit diffuseur (118) est pourvu d'une lumière oblongue (20a, 118a) de réception de l'un desdits pions (21, 121).

4. Turbine cryogénique selon l'une des revendications précédentes, caractérisée en ce qu'elle comprend des moyens (23, 24 ; 123, 124 ; 240, 241 ; 341, 342 ; 441) de commande à distance de l'orientation dudit diffuseur (18, 118, 218, 318, 418) autour dudit axe (XX') de rotation dudit rotor (5, 105).

5. Turbine cryogénique selon la revendication 4, caractérisée en ce que ledit diffuseur (18, 118) est pourvu d'une denture radiale externe (23, 123) apte à coopérer avec une vis sans fin (24) ou une crémaillère (124).

6. Turbine cryogénique selon la revendication 5, caractérisée en ce que ladite crémaillère (124) est commandée en translation par un vérin pneumatique (134).

7. Turbine cryogénique selon la revendication 4, caractérisée en ce que ledit diffuseur (218) est relié par une bielle articulée (240) à une tige (241) commandée mobile en translation.

8. Turbine cryogénique selon la revendication 4, caracté risée en ce que ledit diffuseur (318) est pourvu d'une extension radiale (318d) apte à être logée entre une tige (341) de commande mobile en translation et un moyen de rappel élastique (342).

9. Turbine cryogénique selon la revendication 4, caractérisée en ce que ledit diffuseur (418) est solidaire d'une tige (441) de commande souple.

10. Turbine cryogénique selon l'une des revendications précédentes, caractérisée en ce que la résultante (R) des forces de pression (F1, F2) exercées sur ledit diffuseur (118) est telle qu'elle a tendance à plaquer ledit diffuseur contre lesdites aubes (120).