FR2863310A1 - Moteur a microturbine et procede d'entrainement d'un element rotatif pour moteur - Google Patents

Abstract

L'invention se rapporte à un moteur à microturbine comprenant une turbine (35) comportant un premier logement (65) et un premier rotor ; un générateur comportant un second logement et un rotor de générateur, le rotor de générateur étant supporté pour tourner lentement à l'aide d'un roulement à basse vitesse ; une boîte de vitesses (60) comprenant un troisième logement connecté au premier logement (65) et au second logement ; un engrenage à pignon (160) et un engrenage à basse vitesse connecté au rotor du générateur et au moins partiellement supporté par le roulement à basse vitesse ; un arbre (130) connecté au premier rotor et à l'engrenage à pignon (160) ; et un premier roulement à haute vitesse (110) et un second roulement à haute vitesse (215) disposés pour supporter le premier rotor et l'arbre (130) pour qu'ils tournent à haute vitesse.

Description

MOTEUR A MICROTURBINE ET PROCEDE D'ENTRAINEMENT D'UN

ELEMENT ROTATIF POUR MOTEUR

La présente invention concerne un système et un procédé d'entraînement d'un élément rotatif à basse vitesse utilisant un moteur principal à haute vitesse. Plus particulièrement, la présente invention concerne un système et un procédé d'entraînement d'un élément rotatif à basse vitesse utilisant un moteur à microturbine à haute vitesse.

Les moteurs à microturbine sont des sources d'énergie relativement petites et efficaces. Les microturbines peuvent être utilisées pour générer de l'électricité et/ou pour alimenter des équipements auxiliaires tels que les pompes ou les compresseurs.

Lorsqu'on les utilise pour générer de l'électricité, les microturbines peuvent être utilisées indépendamment de la grille d'isolation, ou synchronisées à la grille d'isolation. En général, les moteurs à microturbine sont limités aux applications nécessitant 2 mégawatts (MW) d'énergie ou moins. Cependant, certaines applications supérieures à 2 MW peuvent utiliser un moteur à microturbine.

De nombreux moteurs à microturbine comprennent un ensemble turbinecompresseur qui tourne à grande vitesse. Pour générer de l'électricité, l'ensemble turbine-compresseur, ou une turbine séparée, est couplé(e) au générateur, qui tourne également à grande vitesse. La sortie du générateur est ensuite conditionnée pour produire un courant électrique utilisable (par exemple 50 Hz ou 60 Hz). Dans d'autres modes de réalisation, une boîte de vitesses est placée entre la turbine et le générateur pour permettre au générateur de fonctionner à une vitesse inférieure. Cependant, en raison de la grande vitesse de la turbine, la boîte de vitesses nécessite souvent plusieurs roulements à haute vitesse pour supporter les divers engrenages. En outre, les problèmes dynamiques et mécaniques associés à la boîte de vitesses et à la turbine (par exemple, les vibrations, le déséquilibre, la poussée axiale, la dilatation thermique et d'autres phénomènes analogues) peuvent affecter le fonctionnement de l'autre composant. Par exemple, un léger déséquilibre de la boîte de vitesses peut produire une vibration qui est transmise à la turbine. La vitesse élevée de la turbine peut agir pour accroître la magnitude ou l'effet causé par la vibration. Cela peut conduire à des conditions de fonctionnement indésirables, à l'instabilité du système et à des débrayages ou à des arrêts involontaires du moteur.

La présente invention a pour objet de proposer un moteur à microturbine conçu en particulier pour pallier ces inconvénients.

Plus précisément, la présente invention se 25 rapporte à moteur à microturbine comprenant: - une turbine comprenant un premier logement et un premier rotor, - un générateur comprenant un second logement et un rotor de générateur, le rotor de générateur étant supporté pour tourner lentement à l'aide d'un roulement à basse vitesse, - une boîte de vitesses comprenant un troisième logement connecté au premier logement et au second logement, un engrenage à pignon, et un engrenage à basse vitesse connecté au rotor du générateur et au moins partiellement supporté par le roulement à basse vitesse, un arbre connecté au premier rotor et à l'engrenage à pignon, et - un premier roulement à haute vitesse et un second roulement à haute vitesse disposés pour supporter le premier rotor et l'arbre pour qu'ils tournent à haute vitesse.

Selon des modes de réalisation préférés de la présente invention: - la turbine comprend un compresseur ayant un second logement connecté au premier logement et un rotor de compresseur connecté au premier rotor; le générateur est un générateur synchrone; - le premier rotor tourne à une vitesse d'au moins environ 15 000 tours/min et le rotor de générateur tourne à une vitesse inférieure à environ 4000 tours/min; - l'engrenage à basse vitesse est un engrenage annulaire; - l'engrenage à haute vitesse entraîne une pluralité d'engrenages planétaires, et chacun des engrenages planétaires entraîne un engrenage d'entraînement, et les engrenages d'entraînement entraînent l'engrenage annulaire; - chacun des engrenages planétaires est supporté pour tourner autour d'un axe planétaire; les engrenages planétaires supportent l'engrenage à pignon pour qu'il tourne de sorte que l'arbre soit complètement supporté par les engrenages planétaires et la paire de roulements à haute vitesse; - l'arbre est un arbre creux; - l'arbre creux comprend une partie de diaphragme qui permet un mouvement relatif entre le premier rotor et l'engrenage à pignon; - le mouvement relatif est limité au décalage 10 angulaire et au déplacement axial; - le moteur comprend en outre une pluralité d'éléments de couplage couplant l'arbre au premier rotor, les éléments de couplage ayant une dimension leur permettant d'être cisaillés lorsqu'un niveau de couple de torsion généré par le fonctionnement du moteur dépasse une valeur prédéterminée; - le premier rotor comprend un élément de prise ayant une portion d'un premier diamètre et une portion d'un second diamètre; - la portion d'un premier diamètre présente une dimension lui permettant de recevoir l'arbre pendant le fonctionnement du moteur, et la portion d'un second diamètre présente une dimension lui permettant de guider l'arbre lorsque les éléments de couplage sont cisaillés; - les éléments de couplage comprennent une combinaison d'au moins un boulon et au moins une goupille de cisaillement; - le premier rotor comprend un arbre de turbine, 30 un arbre de compresseur et une bride de rotor, et un boulon d'assemblage passe à travers au moins une partie de la bride de rotor, à travers au moins une partie de l'arbre de turbine et de tout l'arbre de compresseur et vient en prise avec l'arbre de turbine et la bride de rotor pour coupler l'arbre de turbine, l'arbre de compresseur et la bride de rotor pour qu'ils tournent à haute vitesse; La présente invention se rapporte également à un moteur à microturbine comprenant: - une turbine comprenant un logement de turbine et 10 un rotor de turbine, - un compresseur comprenant un logement de compresseur couplé au logement de turbine et un rotor de compresseur couplé au rotor de turbine, une bride de rotor couplée au rotor de compresseur de sorte que le rotor de turbine, le rotor de compresseur et la bride de rotor définissent au moins partiellement un train de rotors, - un premier roulement haute vitesse et un second roulement à haute vitesse couplés au train de rotors et supportant au moins partiellement le train de rotors pour qu'il tourne, le premier roulement à haute vitesse et le second roulement à haute vitesse étant placés pour définir un espace entre les roulements et un espace qui s'étend au-delà des roulements, au moins une partie du train de rotors étant placée dans l'espace au-delà des roulements pour définir une partie en porte à faux ayant une extrémité libre, - un générateur synchrone comprenant un logement de générateur et un rotor de générateur, le rotor de générateur étant supporté pour sa rotation par au moins un roulement à basse vitesse, - une boîte de vitesses comprenant un logement de boîte de vitesses connecté au logement de compresseur et au logement de générateur, la boîte de vitesses comprenant un engrenage annulaire connecté au rotor de générateur, une pluralité d'engrenages planétaires, et un engrenage à pignon placé de manière à venir en prise avec chacun des engrenages planétaires, et - un arbre creux couplé au train de rotors et à l'engrenage à pignon, de sorte que l'arbre creux soit totalement supporté par le second roulement à haute vitesse et les engrenages planétaires.

Selon des modes de réalisation privilégiés de cette variante: - le rotor de turbine tourne à une vitesse d'au moins environ 15 000 tours/min et le rotor de générateur tourne à une vitesse inférieure à environ 4000 tours/min; - l'engrenage à pignon entraîne chacun des engrenages planétaires, chacun des engrenages planétaires entraîne un engrenage d'entraînement, et les engrenages d'entraînement entraînent l'engrenage annulaire; - chacun des engrenages planétaires est supporté pour sa rotation autour d'un axe planétaire; - l'arbre creux comprend une partie de diaphragme qui permet un mouvement relatif entre le rotor de turbine et l'engrenage à pignon; - le mouvement relatif est limité au décalage angulaire et au déplacement axial; - le moteur comprend en outre une pluralité d'éléments de couplage placés pour coupler l'arbre creux au rotor de compresseur, les éléments de couplage ayant une dimension leur permettant d'être cisaillés lorsqu'un niveau de couple de torsion généré par le fonctionnement du moteur dépasse une valeur prédéterminée; - les éléments de couplage comprennent une combinaison d'au moins un boulon et d'au moins une goupille de cisaillement; - la bride de rotor comprend un élément de prise 10 ayant une portion d'un premier diamètre et une portion d'un second diamètre; - la portion d'un premier diamètre présente une dimension lui permettant de recevoir l'arbre creux pendant le fonctionnement du moteur, et la portion d'un second diamètre présente une dimension lui permettant de guider l'arbre creux lorsque les éléments de couplage sont en cisaillement; un boulon d'assemblage passe à travers une partie au moins de la bride de rotor, à travers au moins une partie du rotor de turbine et de la totalité du rotor de compresseur et vient en prise avec le rotor de turbine et la bride de rotor pour coupler le rotor de turbine, le rotor de compresseur et la bride de rotor pour qu'ils tournent à haute vitesse; - au moins une partie du rotor de compresseur et la totalité du rotor de turbine sont supportées dans l'espace au-delà des roulements pour définir au moins partiellement la partie en porte à faux; et - le rotor de turbine comprend une extrémité 30 libre.

La présente invention se rapporte en outre à un procédé de couplage d'un élément rotatif d'un moteur fonctionnant à une première vitesse pour un composant entraîné fonctionnant à une seconde vitesse, la seconde vitesse étant plus basse que la première vitesse, le procédé comprenant: - le couplage d'un arbre à l'élément rotatif, - le support de l'élément rotatif et de l'arbre avec un premier roulement à haute vitesse et un second roulement à haute vitesse, de sorte qu'au moins une partie de l'élément rotatif soit placée dans un espace entre les roulements et qu'au moins un partie de l'élément rotatif soit placée dans un espace au-delà des roulements, - la mise en prise d'une seconde extrémité de l'arbre avec une pluralité d'engrenages planétaires, - le support de l'élément entraîné avec au moins un roulement à basse vitesse, et - le couplage d'un engrenage à basse vitesse au 20 composant entraîné, l'engrenage à basse vitesse étant couplé à chacun des engrenages planétaires.

Selon des modes de réalisation préférés: - l'élément rotatif comprend un rotor de turbine, un rotor de compresseur et une bride de rotor; - le procédé comprend le passage d'un boulon d'assemblage au moins partiellement à travers une bride de rotor et un rotor de turbine et complètement à travers un rotor de compresseur; - le procédé comprend le serrage du boulon 30 d'assemblage pour bloquer le rotor de compresseur, le rotor de turbine et la bride de rotor les uns par rapport aux autres; l'étape de couplage comprend en outre la fixation d'un diaphragme flexible à la bride de rotor; - le procédé comprend en outre le fait de laisser un décalage angulaire entre l'arbre et la bride de rotor en pliant le diaphragme; - l'étape de fixation comprend en outre l'engagement d'une pluralité d'éléments de couplage 10 avec la bride de rotor et le diaphragme; - les éléments de couplage comprennent au moins un boulon et au moins une goupille de cisaillement; - le procédé comprend également le cisaillement des éléments de couplage en réponse au niveau de couple de torsion généré par le rotor de turbine au-delà d'un niveau de couple de torsion prédéterminé ; - le procédé comprend en outre la fourniture d'un élément de prise faisant partie de la bride de rotor qu'on peut faire fonctionner pour supporter l'arbre à la suite du cisaillement des éléments de couplage; - le composant entraîné est un générateur synchrone; et - la première vitesse est supérieure à environ 15 000 tours/min et la seconde vitesse est inférieure à 25 environ 4000 tours/min.

D'autres caractéristiques et d'autres aspects de la présente invention vont devenir plus apparents à l'étude de la description détaillée qui suit, faite en référence aux dessins annexés dans lesquels: - la figure 1, une vue en perspective d'une partie d'un moteur à microturbine, - la figure 2, une vue en coupe de la partie turbine-compresseur- générateur du moteur de la figure 1, - la figure 3, une vue agrandie de la partie turbine-compresseur et d'une boîte de vitesses, - la figure 4, une vue agrandie de la partie de boîte de vitesses du moteur de la figure 1, - la figure 5, une vue en coupe agrandie d'un arbre de torsion creux du moteur à microturbine de la 10 figure 1, et - la figure 6 est une vue en perspective de l'arbre de torsion creux de la figure 4.

Avant d'expliquer un quelconque mode de réalisation de l'invention, il convient de comprendre que l'invention n'est pas limitée à son application aux détails de construction et aux arrangements des composants indiqués dans la description suivante ou illustrés dans les dessins. L'invention est susceptible de servir pour d'autres modes de réalisation et d'être utilisée ou d'être mise en oeuvre de diverses manières. Un système de moteur à microturbine 10 comprenant une section de turbine 15, une section de générateur 20 et un système de commande 25 est illustré sur la figure 1. La section de turbine 15 comprend une turbine radiale 35, un compresseur 45, un récupérateur 50 et une chambre de combustion 55. Le récupérateur 50 peut être de type plaque-ailette avec la chambre de combustion 55 dans la tubulure d'admission comme cela est décrit dans le brevet US n 5 450 724, dont la totalité du contenu est incorporée dans la présente description par référence.

Le moteur 10 comprend une turbine à combustion standard fonctionnant selon le cycle de Brayton avec le récupérateur 50 ajoutée pour améliorer le rendement du moteur. Le moteur représenté est un moteur à simple corps (un ensemble d'éléments rotatifs). Cependant, les moteurs à corps multiples sont également envisagés par l'invention. Le compresseur 45 est un compresseur de type centrifuge ayant un rotor de compresseur 56 qui tourne en réponse au fonctionnement de la turbine 35.

Le compresseur 45 représenté est un compresseur à étage unique. Cependant, les compresseurs à plusieurs étages peuvent être employés lorsqu'on souhaite un rapport de pression supérieur. En variante, des compresseurs ayant des conceptions différentes (par exemple les compresseurs à flux axial, les compresseurs alternatifs et similaires) peuvent être employés pour fournir de l'air comprimé au moteur.

La turbine 35 est une turbine radiale à étage unique ayant un rotor de turbine 57 directement couplé au rotor de compresseur 56. Dans d'autres constructions, des turbines à étages multiples ou d'autres types de turbines peuvent être employées. Les rotors couplés 56, 57 de la turbine 35 et du compresseur 45 viennent en prise avec la section de générateur 20 par la boîte de vitesses 60.

Le récupérateur 50 comprend un échangeur thermique employé pour transférer la chaleur d'un fluide chaud à l'air comprimé relativement froid qui quitte le compresseur 45. Un récupérateur 50 approprié est décrit dans le brevet US n 5 983 992 incorporé dans sa totalité dans la présente description par référence. Le récupérateur 50 comprend une pluralité de cellules d'échange thermique empilées les unes au-dessus des autres pour définir des passages d'écoulement entre celles-ci. L'air comprimé froid s'écoule dans les cellules individuelles, tandis qu'un flux de gaz d'échappement chaud passe entre les cellules d'échange thermique.

Pendant le fonctionnement du système de moteur à microturbine 10, le rotor de compresseur 56 tourne en réponse à la rotation du rotor de turbine 57. Le compresseur 45 aspire de l'air atmosphérique à l'intérieur et augmente sa pression. L'air à haute pression sort du compresseur d'air 45 et s'écoule vers le récupérateur 50.

L'écoulement d'air comprimé, à présent préchauffé dans le récupérateur 50, s'écoule vers la chambre de combustion 55 comme un flux d'air préchauffé. L'air préchauffé se mélange avec du combustible fourni dans la chambre de combustion 55 et est brûlé pour produire un flux de produits de combustible. L'utilisation d'un récupérateur 50 pour préchauffer l'air permet d'utiliser moins de combustible pour atteindre une température souhaitée dans le flux de produits de combustion, améliorant ainsi l'efficacité du moteur.

Le flux de produits de combustion entre dans la turbine 35 et transfère l'énergie thermique et cinétique à la turbine 35. Le transfert d'énergie a entraîne la rotation du rotor de turbine 57 et une chute de la température des produits de combustion. Le transfert d'énergie permet à la turbine 35 d'entraîner à la fois le compresseur 45 et le générateur 20. Les produits de combustion sortent de la turbine 35 sous la forme d'un premier flux de gaz d'échappement.

Dans les constructions qui emploient une seconde turbine, la première turbine 35 entraîne seulement le compresseur, tandis que la seconde turbine entraîne le générateur 20 ou tout autre dispositif à entraîner. La seconde turbine reçoit le premier flux d'échappement, tourne en réponse au flux de gaz d'échappement à travers celle-ci, et décharge un second flux d'échappement.

Le premier flux d'échappement, ou le second flux d'échappement dans les moteurs à deux turbines, entre dans les zones d'écoulement entre les cellules d'échange thermique du récupérateur 50 et transfère l'excès d'énergie thermique au flux d'air comprimé. Le gaz d'échappement sort ensuite du récupérateur 50 et est déchargé dans l'atmosphère, traité ou encore qu'on souhaite (par exemple, la utilisant un second échangeur qui concerne les figures 2 et 3, elles la partie du moteur de la figure 1 qui comprend le générateur 20, la turbine 35, le compresseur 45 et la boîte de vitesses 60. Les composants sont disposés et couplés les uns avec les autres de manière à ce que la turbine 35, le compresseur 45 et le générateur 20 tournent sur un axe commun A-A. Dans d'autres constructions, le générateur 20 peut être décalé de manière à ce qu'il tourne sur un axe différent de celui de la turbine 35 et du compresseur 45.

utilisé, selon ce cogénération en thermique).

En ce illustrent La turbine 35 est située au niveau d'une extrémité du moteur 10 et comprend le rotor de turbine 57 et un premier logement ou logement de turbine 65. Le logement de turbine 65 reste stationnaire et fournit un support au rotor de turbine 57 ainsi qu'aux éléments d'écoulement stationnaires tels que les aubes de guidage d'entrée 70, une coiffe de protection/diffusion 75 et un corps central 80. Le logement de turbine 65 comprend une volute 85 qui reçoit le flux de produits de combustion provenant de la chambre de combustion 55. La coiffe de protection/diffusion 75 et la volute 85 dirigent le flux de produits de combustion vers les aubes de guidage d'entrée 70 qui dirigent ensuite les produits de combustion dans le rotor de turbine 57 le long du passage souhaité. Après être passés dans le rotor de turbine 57, le flux de produits de combustion entre dans un diffuseur 90 constitué par la coiffe de diffusion 75 et le corps central 80. Les parois du diffuseur, définies par la coiffe 75 et le corps central 80, divergent progressivement l'une de l'autre pour permettre au gaz d'échappement de sortir de la turbine 35 pour décélérer efficacement le flux lorsqu'il est déchargé du moteur 10. Dans d'autres constructions, un autre diffuseur peut être fixé à la turbine 35 pour décélérer le flux de manière supplémentaire.

Le compresseur 45 comprend le rotor de compresseur 56 et un second logement ou logement de compresseur 95. Le logement de compresseur 95 est directement connecté au logement de turbine 65 pour fixer la position des deux composants 65, 95 l'un par rapport à l'autre. Le logement de compresseur 95 comprend un canal d'admission 100 qui reçoit l'air atmosphérique destiné à être utilisé dans le moteur 10. L'air est attiré à l'intérieur par le fonctionnement du compresseur 45 et peut être filtré avant qu'il entre dans le canal 100, lorsqu'il entre dans le canal 100 ou avant qu'il entre dans le rotor de compresseur 56. L'air entre dans le compresseur 45 dans une direction sensiblement axiale (c'est-à-dire parallèle à l'axe de rotation A-A du compresseur 45) et sort dans une direction sensiblement radiale (c'est-à-dire centrifuge). Après être passé à travers le rotor de compresseur 56, l'air est collecté dans une chambre de volute 105 définie dans le logement de compresseur 95 et est dirigé du logement de compresseur 95 vers le récupérateur 50.

Le rotor de compresseur 56 est directement couplé au rotor de turbine 57 de manière à ce que les deux composants 56 et 57 tournent à l'unisson autour de l'axe de rotation A-A. Un premier roulement à haute vitesse 110 supporte l'extrémité du compresseur de l'ensemble turbine-rotor de compresseur 115. Ainsi, l'ensemble turbine-rotor de compresseur 115 est supporté en porte à faux avec tous ses points de support situés du côté de l'entrée d'air (c'est-à-dire adjacents au canal d'admission 100) du compresseur 45. Cet agencement supporte la rotation des rotors 56, 57 sans soumettre le premier roulement à haute vitesse 110 (ou tout autre roulement) aux températures de fonctionnement élevées associées à la turbine 35.

Bien que de nombreux types différents de roulement puissent être utilisés (par exemple un roulement à rouleaux, à billes, à aiguilles, un roulement lisse et analogues), les roulements à contact oblique sont préférables. Les roulements à contact oblique supportent la rotation des rotors 56 et 57, tout en portant simultanément la poussée axiale produite par le moteur 10. Ainsi, la nécessité d'un roulement de butée indépendant est évitée. En outre, les roulements à contact oblique fournissent une efficacité accrue par rapport à de nombreux types de roulements.

Le générateur 20, également représenté sur la figure 2, comprend un logement de générateur 120 contenant un stator et un rotor de générateur 125 (représenté sur la figure 4). La rotation du rotor 125 est supportée par deux roulements à basse vitesse (non représentés) situés dans le logement de générateur 120 et placés à chaque extrémité du rotor 125. Le rotor de générateur 125 comprend un arbre 130 qui s'étend hors du logement de générateur 120 et supporte un engrenage annulaire 135. Bien qu'un générateur synchrone fonctionnant à 3600 tours/min ou 1800 tours/min pour produire une fréquence de 60 Hz soit préféré, d'autres types de générateurs fonctionneront également avec l'invention. Par exemple, un générateur synchrone fonctionnant à 3000 tours/min ou 1500 tours/min pour produire une fréquence de 50 Hz fonctionnera également avec la présente invention. En outre, les générateurs asynchrones ou rapides (alternateurs) peuvent également être entraînés par la présente invention. Ces générateurs peuvent fonctionner à 4000 tours/min ou plus dans certains cas. En outre, des composants autres que les générateurs (par exemple des pompes, des compresseurs, des convoyeurs et similaires) peuvent également être entraînés par la présente invention.

Certains de ces composants peuvent fonctionner à plus de 15 000 tours/min.

La boîte de vitesses 60 est placée entre le compresseur 45 et le générateur 20 et comprend un logement de boîte de vitesses 140 et une pluralité d'engrenages. Le logement de boîte de vitesses 140 se fixe au logement de compresseur 95 pour aligner les composants 95 et 140 et maintient leurs positions les unes par rapport aux autres. Le logement de générateur 120 se fixe également au logement de boîte de vitesses 140 pour fixer les positions des composants stationnaires du moteur 10 les unes par rapport aux autres. Avec tous les logements 65, 95, 120 et 140 fixés, une ossature structurelle relativement rigide est établie qui supporte les composants rotatifs 56, 57 et 125 dans leurs emplacements souhaités. Les logements 65, 95, 120 et 140 relativement rigides réduisent également le mouvement indésirable entre les composants et/ou les vibrations pendant le fonctionnement du moteur.

Le logement de la boîte de vitesses 140 comprend une plaque d'adaptateur 145 qui facilité la fixation du logement de générateur 120 et du logement de boîte de vitesses 140. La plaque d'adaptateur 145 se fixe directement au logement de boîte de vitesses 140 et au logement de générateur 120. L'utilisation de la plaque d'adaptateur 145 permet d'utiliser un logement de boîte de vitesses 140 standard avec des générateurs multiples 20 ou d'autres composants. Par exemple, des moteurs 10 de diverses tailles peuvent utiliser le même logement de boîte de vitesses 140 avec des plaques d'adaptateur et des générateurs différents. De même, des moteurs ayant des fréquences différentes (par exemple 60 Hz et 50 Hz) peuvent utiliser le même logement de boîte de vitesses 140 avec différents composants et générateurs rotatifs. En outre, avec une nouvelle plaque d'adaptateur, un logement de boîte de vitesses standard 140 peut être adapté à une pompe ou un compresseur.

La boîte de vitesses 60, représentée sur la figure 4, comprend une pluralité d'engrenages qui ont une taille et un agencement permettant de diminuer progressivement une vitesse d'entrée rapide (par exemple une vitesse de 40 000 tours/min ou plus) à une vitesse de sortie lente (par exemple une vitesse de 15 000 tours/min ou moins pour les pompes d'entraînement ou les compresseurs et de 3600 tours/min ou moins pour les générateurs d'entraînement synchrones). La boîte de vitesses 60 comprend trois engrenages planétaires 150, chacun supporté par un arbre planétaire 155 pour qu'ils tournent autour d'un axe planétaire B-B. Les axes planétaires B-B sont espacés d'environ 120 degrés autour de l'axe de rotation A-A et sont espacés d'une distance parallèle de l'axe de rotation A-A, permettant ainsi à l'engrenage à pignon 160 de venir en prise avec les trois engrenages planétaires 150 simultanément. Chaque arbre planétaire 155 supporte un engrenage d'entraînement 165 et est supporté pour sa rotation par deux roulements 170.

Chacun des engrenages d'entraînement 165 présente une dimension et une position pour venir en prise avec l'engrenage annulaire 135 et entraîner le rotor de générateur 125. Comme l'illustre la figure 4, les engrenages d'entraînement 165 font partie des arbres planétaires 155. Dans d'autres constructions, des engrenages séparés 165 se fixent aux arbres 155 d'une manière connue (par exemple cloués, frettés, soudés, boulonnés ou similaire).

Le rapport d'engrenage entre l'engrenage à pignon 160 et chacun des engrenages planétaires 150 permet d'utiliser des roulements à relativement basse vitesse 170 (par exemple, fonctionnant à environ 9000 tours/min) plutôt que des roulements à haute vitesse (par exemple fonctionnant à 10 000 tours/min ou plus). En outre, la dimension des engrenages d'entraînement 165 et de l'engrenage annulaire 135 est choisie pour assurer que le rotor de générateur 125 fonctionne à la vitesse appropriéelorsque l'ensemble turbine-arbre de compresseur tourne à sa vitesse de fonctionnement.

Un arbre de torsion creux 175, représenté sur les figures 4 à 6, s'étend à partir de la boîte de vitesses 60 et forme au moins une partie de la connexion entre l'ensemble turbine-rotor de compresseur et la boîte de vitesses 60. L'arbre de torsion creux 175 est un élément sensiblement creux ayant une extrémité de pignon 180 et une extrémité de diaphragme 185. L'engrenage à pignon 160 est placé au niveau de l'extrémité de pignon 180 de l'arbre de torsion creux 175. Dans la plupart des constructions, l'engrenage à pignon 160 fait partie de l'arbre de torsion creux 175. Cependant, d'autres constructions comprennent un engrenage à pignon 160 qui est fixé à l'arbre de torsion creux 175 (par exemple fretté, cloué, vissé, soudé ou analogue). L'engrenage à pignon 160 et l'extrémité de pignon 180 de l'arbre de torsion creux 175 sont supportés par les trois engrenages planétaires 150 pour tourner. En tant que tel, aucun roulement à haute vitesse supplémentaire n'est nécessaire pour supporter l'extrémité de pignon 180 de l'arbre de torsion creux 175.

L'extrémité de diaphragme 185 comprend une partie de diaphragme 190 qui forme une surface de fixation 195. La surface de fixation 195 facilite la fixation de l'arbre de torsion creux 175 à une bride de rotor 200.

La bride de rotor 200 comprend une surface plane 205 qui vient en prise avec le diaphragme 190 et un orifice central qui comprend une surface conique 210. Un second roulement à haute vitesse 215 supporte la bride de rotor 200 pour qu'elle tourne à grande vitesse. Les divers composants rotatifs (c'est-à-dire le rotor de turbine 57, le rotor de compresseur 56, la bride de rotor 200) définissent au moins partiellement un train de rotors qui est supporté par le premier et le second roulements à haute vitesse 110 et 215. Les roulements 110 et 215 sont placés pour définir un espace entre eux et un espace au-delà d'eux. Une partie du train de rotors est placée dans l'espace situé entre les roulements 110 et 215 et une partie est placée dans l'espace situé au-delà des roulements 110 et 215. Dans la construction illustrée, une partie du rotor de compresseur 56 et le rotor de turbine 57 tout entier sont placés dans l'espace situé au-delà des roulements 110 et 215. En tant que tel, le rotor de compresseur 56 et le rotor de turbine 57 sont supportés en porte à faux avec le rotor de turbine 57 définissant une extrémité libre 57a.

La bride de rotor définit également un élément de prise 216 comprenant un alésage d'un premier diamètre 217 et un alésage d'un second diamètre 218. L'alésage d'un premier diamètre 217 est placé à côté de la surface plane 205 et présente une dimension lui permettant de recevoir le diaphragme 190 de manière sure. Ainsi, le premier diamètre agit comme un guide pour assurer que l'arbre de torsion creux 175 est aligné avec la bride de rotor 200. L'alésage à second diamètre 218 est placé à côté de l'alésage à premier diamètre 217 et s'étend sur le reste de la longueur de l'élément de prise 216. L'alésage à second diamètre 218 est également plus grand que l'alésage à premier diamètre 217.

Pour connecter le diaphragme 190 à la bride de rotor 200, une pluralité d'éléments de couplage, tels que des boulons 220 et des goupilles de cisaillement 225, s'étend entre le diaphragme 190 et la bride 200 pour permettre la transmission du couple de torsion entre ceux-ci. Les boulons 220 et les goupilles de cisaillement 225 présentent une dimension leur permettant de transmettre le couple de torsion généré par le rotor de turbine 57 au rotor de générateur 125.

Pour protéger le moteur 10 d'éventuels dégâts causés par les surtensions transitoires à fort couple de torsion qui peuvent se produire périodiquement, les goupilles 225 et les boulons 220 présentent une dimension leur permettant d'être défaillants à un niveau de couple de torsion prédéterminé. Ainsi, si le couple de torsion entre l'arbre de torsion creux 175 et l'arbre de compresseur 56 dépasse ce niveau prédéterminé, les boulons 220 et les goupilles 225 seront défaillants dans leur cisaillement. Généralement, à la suite de la défaillance du cisaillement des boulons 220 et des goupilles 225 l'arbre de torsion creux 175 s'éloigne axialement de l'arbre de rotor 232. Le logement de boîte de vitesses 140 limite l'étendue de ce mouvement axial de sorte que le diaphragme 190 reste dans l'étendue axiale du récepteur 216. L'alésage à second diamètre 218 agit comme un guide pour le diaphragme 190 lorsque les deux parties séparées du train de rotor décélèrent à des vitesses différentes. Ainsi, l'alésage à second diamètre 218 maintient sensiblement l'alignement de l'arbre de torsion creux 175 lorsqu'il décélère.

Le diaphragme 190 est suffisamment flexible pour permettre des petits décalages entre l'ensemble de rotor 115 et les engrenages planétaires 150 (c'est-à-dire un décalage angulaire) ainsi que des petits déplacements axiaux de la bride de rotor 200 par rapport à l'arbre de torsion creux 175. En outre, la capacité de flexion du diaphragme 190 permet au dispositif d'accorder les vibrations transmises par l'ensemble turbine rotor de compresseur 115 ou la boîte de vitesses 160.

Un boulon d'assemblage 230 s'étend à travers la bride de rotor 200, un arbre de rotor 232 et le rotor de compresseur 56 vers le rotor de turbine 57. Une première extrémité 235 du boulon d'assemblage 230 vient en prise avec le rotor de turbine 57 (par exemple, par filetage, accrochage, serrage ou similaire) ou un composant intermédiaire tel qu'un manchon fileté. Une seconde extrémité 240 du boulon d'assemblage 230, représentée sur la figure 5, comprend une partie filetée 245 qui s'étend au-delà de la surface conique 210 placée dans la bride de rotor 200. L'arbre de rotor passe entre le rotor de compresseur et la bride de rotor. Un écrou conique 250 vient en prise avec la partie filetée 245 et la surface conique 210 dans la bride de rotor 200 pour bloquer la bride de rotor 200, l'arbre de rotor 232, le rotor de compresseur 56 et le rotor de turbine 57 pour la rotation, tout en pré-contraignant le boulon d'assemblage 230. La pré-tension du boulon d'assemblage 230 applique une force de compression sur la bride de rotor 200, l'arbre de rotor 232 et la bride de compresseur 56. Il convient de noter que l'arrangement de boulon d'assemblage décrit dans le présent document n'est qu'une manière de coupler les éléments rotatifs (c'est-à-dire le rotor de turbine 57, le rotor de compresseur 56, l'arbre de rotor 232, la bride de rotor 200) qui définissent le train de rotors. L'homme du métier comprendra qu'il existe de nombreux procédés disponibles pour coupler les éléments rotatifs les uns avec les autres. L'invention ne doit pas être limitée à l'arrangement de boulon d'assemblage qui vient d'être décrit.

En fonctionnement, l'ensemble turbine-rotor de compresseur 115 tourne à grande vitesse (par exemple, typiquement supérieure à 40 000 tours/min). L'arbre de torsion creux 175 tourne également à grande vitesse. Les composants à haute vitesse sont couplés les uns aux autres via le boulon d'assemblage 230 et sont complètement supportés pour leur rotation par deux roulements rapides 110 et 215 et les engrenages planétaires 150 de la boîte à engrenages 60.

L'arbre de torsion creux 175 rotatif entraîne l'engrenage à pignon 160, qui vient en prise et entraîne les engrenages planétaires 150. Les engrenages planétaires 150 présentent une dimension en rapport avec l'engrenage à pignon 160 pour obtenir une vitesse de rotation qui est suffisamment faible pour permettre l'utilisation de roulements à basse vitesse 170 pour supporter les engrenages planétaires 150. Dans des constructions préférées, les engrenages planétaires 150 tournent à environ 9000 tours/min, des vitesses inférieures et supérieures étant possibles. En donnant aux engrenages 150 et 160 une dimension appropriée, il est possible d'éviter d'avoir à utiliser des roulements à haute vitesse supplémentaires dans la boîte de vitesses 60. Les roulements à haute vitesse sont susceptibles de s'user et d'avoir une distance de défaillance supérieure en raison des niveaux de contraintes augmentés de manière significative sous lesquels ils fonctionnent. En outre, les roulements à haute vitesse sont beaucoup plus sensibles aux problèmes de vibrations et de déséquilibre que ne le sont les roulements à basse vitesse. Il est souhaitable d'éviter l'utilisation de roulements à haute vitesse lorsque cela est possible.

Les engrenages d'entraînement 165 tournent avec les engrenages planétaires 150 et entraînent l'engrenage annulaire 135 qui est fixé au rotor de générateur 125. L'engrenage annulaire 135 présente une dimension lui permettant de tourner à la faible vitesse souhaitée (par exemple, typiquement 3600 tours/min ou 1800 tours/min pour les générateurs à 60 Hz et 3000 tours/min ou 1500 tours/min pour les générateurs à 50 Hz) lorsque l'ensemble turbine-rotor de compresseur 115 tourne à grande vitesse. La rotation de l'engrenage annulaire 135 et du rotor de générateur 125 est supportée par des roulements à basse vitesse. Ainsi, comme le comprendra l'homme du métier, le présent dispositif permet le support et la rotation de plusieurs composants rapides et lents en utilisant seulement deux roulements à haute vitesse 110 et 125. Le couplage rapproché du moteur, du générateur et de la boîte de vitesses permet aux roulements 110 et 215 de supporter divers autres composants rapides.

Bien que l'invention ait été décrite en détail par référence à certains modes de réalisation préférés, des modifications existent dans le champ d'application et dans l'esprit de l'invention décrite.

Claims (36)

REVENDICATIONS

1. Moteur à microturbine (10) caractérisé en ce qu'il comprend: - une turbine (35) comprenant un premier logement (65) et un premier rotor, - un générateur (20) comprenant un second logement et un rotor de générateur (125), le rotor de générateur (125) étant supporté pour tourner lentement à l'aide d'un roulement à basse vitesse, - une boîte de vitesses (60) comprenant un troisième logement connecté au premier logement (65) et au second logement, un engrenage à pignon (160) et un engrenage à basse vitesse connecté au rotor du générateur (125) et au moins partiellement supporté par le roulement à basse vitesse, - un arbre (130) connecté au premier rotor et à l'engrenage à pignon (160) , et - un premier roulement à haute vitesse (110) et un second roulement à haute vitesse (215) disposés pour supporter le premier rotor et l'arbre (130) pour qu'ils tournent à haute vitesse.

2. Moteur à microturbine (10) selon la revendication 1, caractérisé en ce que la turbine (35) comprend un compresseur ayant un second logement connecté au premier logement (65) et un rotor de compresseur (56) connecté au premier rotor.

3. Moteur à microturbine (10) selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que le générateur (20) est un générateur synchrone.

4. Moteur selon l'une quelconque des

revendications précédentes, caractérisé en ce que

l'engrenage a basse vitesse est un engrenage annulaire (135).

5. Moteur à microturbine (10) selon la revendication 4, caractérisé en ce que l'engrenage à haute vitesse entraîne une pluralité d'engrenages planétaires, et chacun des engrenages planétaires entraîne un engrenage d'entraînement (165), et les engrenages d'entraînement entraînent l'engrenage annulaire (135).

6. Moteur à microturbine (10) selon la revendication 5, caractérisé en ce que les engrenages planétaires supportent l'engrenage à pignon (160) pour qu'il tourne, de sorte que l'arbre (130) soit complètement supporté par les engrenages planétaires et la paire de roulements à haute vitesse.

7. Moteur à microturbine (10) selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que l'arbre (130) est un arbre creux (175).

8. Moteur à microturbine (10) selon la revendication 7, caractérisé en ce que l'arbre creux (175) comprend une partie de diaphragme (185) qui permet un mouvement relatif entre le premier rotor et l'engrenage à pignon (160).

9. Moteur à microturbine (10) selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il comprend en outre une pluralité d'éléments de couplage couplant l'arbre (130) au premier rotor, les éléments de couplage ayant une dimension leur permettant d'être cisaillés lorsqu'un niveau de couple de torsion généré par le fonctionnement du moteur dépasse une valeur prédéterminée.

10. Moteur à microturbine (10) selon la revendication 9, caractérisé en ce que le premier rotor comprend un élément de prise ayant une portion d'un premier diamètre et une portion d'un second diamètre.

11. Moteur à microturbine (10) selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le premier rotor comprend un arbre de turbine, un arbre de compresseur et une bride de rotor (200), et en ce qu'un boulon d'assemblage passe à travers au moins une partie de la bride du rotor (200), à travers au moins une partie de l'arbre de turbine et de tout l'arbre du compresseur et vient en prise avec l'arbre de turbine et la bride du rotor (200) pour coupler l'arbre de turbine, l'arbre du compresseur et la bride du rotor (200) pour qu'ils tournent à haute vitesse.

12. Moteur à microturbine (10) caractérisé en ce 20 qu'il comprend: - une turbine (35) comprenant un logement de turbine (65) et un rotor de turbine (57), - un compresseur comprenant un logement de compresseur (95) couplé au logement de turbine (65) et un rotor de compresseur (56) couplé au rotor de turbine (57), - une bride de rotor (200) couplée au rotor de compresseur (56), de sorte que le rotor de turbine (57), le rotor de compresseur (56) et la bride de rotor (200) définissent au moins partiellement un train de rotors, - un premier roulement à haute vitesse (110) et un second roulement à haute vitesse (215) couplés au train de rotors et supportant au moins partiellement le train de rotors pour qu'il tourne, le premier roulement à haute vitesse (110) et le second roulement à haute vitesse (215) étant placés pour définir un espace entre les roulements et un espace qui s'étend au-delà des roulements, au moins une partie du train de rotors étant placée dans l'espace au-delà des roulements pour définir une partie en porte à faux ayant une extrémité libre, - un générateur synchrone comprenant un logement de générateur et un rotor de générateur (125), le rotor de générateur (125) étant supporté pour sa rotation par au moins un roulement à basse vitesse, - une boîte de vitesses (60) comprenant un logement de boîte de vitesses (60) connecté au logement de compresseur (95) et au logement de générateur, la boîte de vitesses (60) comprenant un engrenage annulaire (135) connecté au rotor de générateur (125), une pluralité d'engrenages planétaires, et un engrenage à pignon (160) placé de manière à venir en prise avec chacun des engrenages planétaires, et - un arbre creux (175) couplé au train de rotors et à l'engrenage à pignon (160), de sorte que l'arbre creux (175) soit totalement supporté par le second roulement à haute vitesse (215) et les engrenages planétaires.

13. Moteur à microturbine (10) selon la 30 revendication 1 ou 12, caractérisé en ce que le rotor de turbine (57) tourne à une vitesse d'au moins environ 000 tours/min et le rotor de générateur (125) tourne à une vitesse inférieure à environ 4000 tours/min.

14. Moteur à microturbine (10) selon la revendication 12 ou 13, caractérisé en ce que l'engrenage à pignon (160) entraîne chacun des engrenages planétaires, chacun des engrenages planétaires entraîne un engrenage d'entraînement (165), et les engrenages d'entraînement entraînent l'engrenage annulaire (135).

15. Moteur à microturbine (10) selon la revendication 5 ou 12, caractérisé en ce que chacun des engrenages planétaires est supporté pour sa rotation autour d'un axe planétaire (B-B).

16. Moteur à microturbine (10) selon l'une quelconque des revendications 12 à 15, caractérisé en ce que l'arbre creux (175) comprend une partie de diaphragme (190) qui permet un mouvement relatif entre le rotor de turbine (57) et l'engrenage à pignon (160).

17. Moteur à microturbine (10) selon la revendication 8 ou 16, caractérisé en ce que le mouvement relatif est limité au décalage angulaire et au déplacement axial.

18. Moteur à microturbine (10) selon l'une quelconque des revendications 12 à 17, caractérisé en ce qu'il comprend en outre une pluralité d'éléments de couplage placés pour coupler l'arbre creux (175) au rotor de compresseur (56), les éléments de couplage ayant une dimension leur permettant d'être cisaillés lorsqu'un niveau de couple de torsion généré par le fonctionnement du moteur dépasse une valeur prédéterminée.

19. Moteur à microturbine (10) selon la revendication 9 ou 18, caractérisé en ce que les éléments de couplage comprennent une combinaison d'au moins un boulon (220) et d'au moins une goupille de cisaillement (225).

20. Moteur à microturbine (10) selon la revendication 18, caractérisé en ce que la bride de rotor (200) comprend un élément de prise ayant une portion d'un premier diamètre et une portion d'un second diamètre.

21. Moteur à microturbine (10) selon la revendication 10 ou 20, caractérisé en ce que la portion d'un premier diamètre présente une dimension lui permettant de recevoir l'arbre creux (175) pendant le fonctionnement du moteur, et en ce que la portion d'un second diamètre présente une dimension lui permettant de guider l'arbre creux (175) lorsque les éléments de couplage sont en cisaillement.

22. Moteur à microturbine (10) selon l'une quelconque des revendications 12 à 21, caractérisé en ce qu'un boulon d'assemblage passe à travers une partie au moins de la bride de rotor (200), à travers au moins une partie du rotor de turbine (57) et de la totalité du rotor de compresseur (56) et vient en prise avec le rotor de turbine (57) et la bride de rotor (200) pour coupler le rotor de turbine (57), le rotor de compresseur (56) et la bride de rotor (200) pour qu'ils tournent à haute vitesse.

23. Moteur à microturbine (10) selon l'une 30 quelconque des revendications 12 à 22, caractérisé en ce que au moins une partie du rotor de compresseur (56) et la totalité du rotor de turbine (57) sont supportées dans l'espace au-delà des roulements pour définir au moins partiellement la partie en porte à faux.

24. Moteur à microturbine (10) selon l'une quelconque des revendications 12 à 23, caractérisé en ce que le rotor de turbine (57) comprend une extrémité libre.

25. Procédé de couplage d'un élément rotatif d'un moteur fonctionnant à une première vitesse à un composant entraîné fonctionnant à une seconde vitesse, la seconde vitesse étant plus basse que la première vitesse caractérisé en ce que le procédé comprend: - le couplage d'un arbre (130) à l'élément rotatif, - le support de l'élément rotatif et de l'arbre (130) avec un premier roulement à haute vitesse (110) et un second roulement à haute vitesse (215), de sorte qu'au moins une partie de l'élément rotatif soit placée dans un espace entre les roulements et qu'au moins une partie de l'élément rotatif soit placée dans un espace au-delà des roulements, la mise en prise d'une seconde extrémité de l'arbre (130) avec une pluralité d'engrenages planétaires, - le support de l'élément entraîné avec au moins un roulement à basse vitesse, et - le couplage d'un engrenage à basse vitesse au composant entraîné, l'engrenage à basse vitesse étant couplé à chacun des engrenages planétaires.

26. Procédé selon la revendication 25, caractérisé en ce que l'élément rotatif comprend un rotor de turbine (57), un rotor de compresseur (56) et une bride de rotor (200).

27. Procédé selon la revendication 25 ou 26, caractérisé en ce qu'il comprend en outre le passage d'un boulon d'assemblage (230) au moins partiellement à travers une bride de rotor (200) et un rotor de turbine (57) et complètement à travers un rotor de compresseur (56).

28. Procédé selon la revendication 27, caractérisé en ce qu'il comprend en outre le serrage du boulon d'assemblage pour bloquer le rotor de compresseur (56), le rotor de turbine (57) et la bride de rotor (200) les uns par rapport aux autres.

29. Procédé selon l'une quelconque des revendications 25 à 28, caractérisé en ce que l'étape de couplage comprend en outre la fixation d'un diaphragme flexible à la bride de rotor (200).

30. Procédé selon l'une quelconque des revendications 25 à 29 caractérisé en ce qu'il comprend en outre le fait de laisser un décalage angulaire entre l'arbre (130) et la bride de rotor (200) en pliant un diaphragme (190).

31. Procédé selon la revendication 29, caractérisé en ce que l'étape de fixation comprend en outre l'engagement d'une pluralité d'éléments de couplage avec la bride de rotor (200) et le diaphragme (190).

32. Procédé selon la revendication 31, caractérisé en ce que les éléments de couplage comprennent au moins un boulon (220) et au moins une goupille de cisaillement (225).

33. Procédé selon la revendication 31, caractérisé en ce qu'il comprend en outre le cisaillement des éléments de couplage en réponse au niveau de couple de torsion généré par le rotor de turbine (57) au-delà d'un niveau de couple de torsion prédéterminé.

34. Procédé selon la revendication 33, caractérisé en ce qu'il comprend en outre la fourniture d'un élément de prise faisant partie de la bride de rotor (200) qu'on peut faire fonctionner pour supporter l'arbre (130) à la suite du cisaillement des éléments de couplage.

35. Procédé selon l'une quelconque des revendications 25 à 34, caractérisé en ce que le composant entraîné est un générateur synchrone.

36. Procédé selon:L'une quelconque des

revendications 25 à 35, caractérisé en ce que la

première vitesse est supérieure à environ 000 tours/min et la seconde vitesse est inférieure à environ 4000 tours/min.