FR3022297A1 - RECONFIGURABLE MULTI-STAGE TURBINE FOR DENSE FLUID - Google Patents
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Abstract
La turbine (20) axiale multi-étagée, pour la détente de fluide organique dense à bas point d'ébullition, comporte : - un rotor (R1 à R4) pour lequel des paliers et des étanchéités sont positionnés à chaque extrémité, - des étages (215 à 230) amovibles comportant, chacun, un distributeur fixe et une roue mobile fixée à l'arbre de rotation, - chaque roue étant composée d'un disque surmonté d'ailettes et d'une couronne, l'ensemble de la roue étant intégralement usiné dans la masse à partir d'un seul bloc, - chaque étage présentant en sortie, un écoulement subsonique dont la direction présente un angle inférieur à 15° par rapport à l'axe du rotor ; - le nombre d'étages étant supérieur ou égal à deux.The multi-stage axial turbine (20) for the expansion of low-boiling dense organic fluid comprises: - a rotor (R1 to R4) for which bearings and seals are positioned at each end, - stages (215 to 230) each comprising a fixed distributor and a movable wheel fixed to the rotation shaft, - each wheel being composed of a disc surmounted by fins and a ring, the entire wheel being integrally machined in bulk from a single block, - each stage having an output, a subsonic flow whose direction has an angle less than 15 ° with respect to the axis of the rotor; the number of stages being greater than or equal to two.
Description
DOMAINE TECHNIQUE DE L'INVENTION La présente invention concerne une turbine multi-étagée reconfigurable.TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION The present invention relates to a reconfigurable multi-stage turbine.
ETAT DE LA TECHNIQUE La technologie des Cycles Organique de Rankine (dites « ORC » pour l'acronyme des termes anglais Organic Rankine Cycle) permet de convertir de la chaleur de moyenne/basse température en électricité, grâce à l'utilisation d'un fluide de travail à faible température d'ébullition. Dans une machine à cycle organique de Rankine, ce fluide de travail liquide est pompé puis vaporisé. La vapeur de fluide organique est ensuite détendue et puis condensée. On désigne par fluide dense à bas point d'ébullition, un fluide organique de densité supérieure à celle de l'eau et dont la température d'ébullition à la pression de 15 une atmosphère est inférieure à 50°C. Les échangeurs évaporateur, condenseur, ainsi que la pompe de circulation sont des équipements conventionnels et qui peuvent être facilement trouvés sur le marché. En revanche, les équipements pour la détente de vapeur de fluide de travail sont beaucoup plus complexes. Les turbomachines (turbines) sont considérées 20 comme la meilleure technologie pour les applications de détentes de gaz d'une puissance supérieure à 400 kW, pour des raisons de rendement et de fiabilité, en comparaison avec les expandeurs volumétriques, tels que les expandeurs à vis, à piston ou encore de type scroll. Une turbine est conçue pour un point de fonctionnement donné en termes de 25 température, de pression de sortie, de débit de fluide, de température et de pression maximale admissible en entrée. Une modification des conditions de fonctionnement (par exemple parce que la pression en sortie réelle est supérieure aux conditions nominales prévues) entraîne un fonctionnement hors spécifications, ce qui a pour conséquence de réduire le rendement et/ou limiter la puissance électrique fournie. 30 Développer de nouvelles turbines nécessite un vaste panel de compétences d'ingénierie dans la mécanique des fluides, la thermodynamique, la mécanique mais aussi la simulation numérique, le contrôle qualité, ainsi que des ressources non techniques (achats, gestion qualité...). La conception et la mise au point d'une nouvelle turbine nécessitent également des ressources financières et du temps de développement. Par ailleurs, une turbine mal conçue du point de vue aérodynamique ou mécanique implique des performances faibles en termes de rendement et/ou de disponibilité pour l'ensemble de l'installation. Dans la mesure où la technologie des machines ORC s'appliquent 5 essentiellement aux sources moyennes/faibles températures, avec par conséquent des rendements moyens/faibles, il est difficilement acceptable économiquement et industriellement de concevoir à chaque fois une nouvelle turbine pour des projets de taille moyenne (jusqu'à 3MW notamment). Pour en tenir compte, les acteurs de la technologie ORC ont naturellement développé une approche du marché orientée 10 «produit» pour leurs machines et leurs turbines, limité à un nombre donné de machines pour couvrir l'ensemble des besoins possibles, plutôt qu'une approche système sur mesure. Cependant, les applications ORC sont très diverses en termes de températures de source chaude, de source froide, de puissance thermique 15 disponible à valoriser et de fluide de travail envisageable (pour des raisons environnementales ou de sécurité). Parmi les choix de conception dans le domaine des turbines, la vitesse de rotation du rotor et le nombre d'étages sont des paramètres influents sur le coût. Il n'est cependant pas possible d'optimiser facilement les deux et un choix de 20 conception visant à réduire un des paramètres tend cependant à augmenter l'autre (réduire le nombre d'étages tend à augmenter la vitesse de rotation et donc la vitesse linéaire). Les turbines axiales multi-étagées sont couramment utilisées pour des applications vapeur ou turbines à gaz, mais dans l'état de l'art des turbines ORC il 25 s'agit généralement de turbines de type radiale ou axiale avec un ou deux étages dans la plupart des cas, et souvent avec de hautes vitesses de rotation. Ces turbines sont généralement de conception mécanique en porte-à-faux, avec les deux paliers d'un côté de l'arbre et les roues de l'autre côté par opposition à la conception dite entre-palier, pour laquelle les éléments de la turbine sont située 30 entre les paliers. La conception en porte-à-faux permet de réduire le nombre d'étanchéité à un, mais elle est difficilement compatible avec un grand nombre d'étages. De même, pour un diamètre donné, le choix d'un écoulement supersonique, à minima dans le premier distributeur, est généralement fait pour réduire le nombre d'étages. Ceci a pour effet d'augmenter la vitesse de rotation (et donc la vitesse linéique en périphérie d'arbre) et de réduire de manière plus ou moins importante le rendement sur l'étage concerné. Le principal paramètre guidant cet ensemble de décisions est que la mise en 5 oeuvre d'un étage est coûteuse. Pour ces raisons, les turbines ORC axiales sont généralement limitées à trois étages ou moins, et généralement à un étage pour les turbines radiales. On désigne ici par roues les disques de faible épaisseur non pleins munis d'ailettes fixés sur l'arbre de rotation. L'ensemble tournant, [roues+ arbres] forme le 10 rotor. On désigne par stator les parties fixes de la turbine, et en particulier les disques de faible épaisseur, non pleins, munis d'ailettes fixés sur le corps de la turbine. L'ensemble des pièces non tournantes est appelée le stator. 15 OBJET DE L'INVENTION La présente invention vise à remédier à tout ou partie de ces inconvénients. D'une manière générale, la présente invention vise une turbine ORC optimisée pour de petites séries, à faible coût et reconfigurable selon les besoins du client. 20 A cet effet, selon un premier aspect, la présente invention vise une turbine axiale multi-étagée, pour la détente de fluide organique dense à bas point d'ébullition, qui comporte : - un rotor pour lequel des paliers et des étanchéités sont positionnés à chaque extrémité, 25 - des étages amovibles comportant, chacun, un distributeur fixe et une roue mobile fixée à l'arbre de rotation, - chaque roue étant composé d'un disque surmonté d'ailettes et d'une couronne, l'ensemble de la roue étant intégralement usiné dans la masse à partir d'un seul bloc, 30 - chaque étage présentant, en sortie, un écoulement subsonique dont la direction présente un angle inférieur à 15° par rapport à l'axe du rotor ; - le nombre d'étages étant supérieur ou égal à deux. Grâce à ces dispositions, on adapte la turbine rapidement en ajoutant ou en retirant un étage entre les paliers. De plus, en imposant une direction du flux sortant de chaque étage pratiquement axiale, on permet d'enlever ou d'ajouter des étages en amont ou en aval sans perturber l'ensemble de la machine. L'usinage en une pièce permet de réduire les coûts et de faciliter le processus de montage. Cela augmente également la fiabilité et éloigne les modes propres d'aubages (vibrations) et l'ajout ou le retrait d'un étage sont ainsi grandement facilités. Dans des modes de réalisation, la turbine objet de la présente invention comporte : - un nombre d'étages supérieur ou égal à trois et/ou - un nombre d'étages supérieur ou égal à cinq.STATE OF THE ART Organic Rankine Cycle (ORC) technology enables the conversion of medium / low temperature heat into electricity by using a fluid. working at low boiling temperature. In an organic Rankine cycle machine, this liquid working fluid is pumped and vaporized. The organic fluid vapor is then relaxed and then condensed. Low-boiling dense fluid is an organic fluid with a density higher than that of water and whose boiling point at the pressure of one atmosphere is less than 50 ° C. The evaporator, condenser and circulation pump exchangers are conventional equipment and can easily be found on the market. In contrast, equipment for the relaxation of working fluid vapor is much more complex. Turbines (turbines) are considered the best technology for gas expansion applications with a power greater than 400 kW, for reasons of efficiency and reliability, in comparison with volumetric expanders, such as screw expanders. , piston or scroll type. A turbine is designed for a given operating point in terms of temperature, outlet pressure, fluid flow, temperature and maximum allowable inlet pressure. A change in the operating conditions (for example because the actual output pressure is higher than the intended nominal conditions) leads to out-of-specification operation, which has the effect of reducing the efficiency and / or limiting the electrical power supplied. 30 Developing new turbines requires a wide range of engineering skills in fluid mechanics, thermodynamics, mechanics but also numerical simulation, quality control, as well as non-technical resources (purchasing, quality management ...) . The design and development of a new turbine also requires financial resources and development time. In addition, a poorly designed aerodynamic or mechanical turbine implies low performance in terms of efficiency and / or availability for the entire installation. Since the ORC machine technology mainly applies to medium / low temperature sources, with consequent average / low yields, it is hardly economically and industrially acceptable to design each time a new turbine for large projects. average (up to 3MW in particular). To take this into account, the ORC technology players have naturally developed a "product-oriented" market approach for their machines and turbines, limited to a given number of machines to cover all possible needs, rather than tailored system approach. However, the ORC applications are very diverse in terms of hot source temperatures, cold source, available thermal power to be valued and possible working fluid (for environmental or safety reasons). Among the design choices in the field of turbines, the rotational speed of the rotor and the number of stages are parameters influencing the cost. However, it is not possible to optimize the two easily and a design choice to reduce one of the parameters tends to increase the other (reducing the number of stages tends to increase the speed of rotation and therefore the speed linear). Multi-stage axial turbines are commonly used for steam or gas turbine applications, but in the state of the art of ORC turbines these are generally radial or axial type turbines with one or two stages in the field. most cases, and often with high rotational speeds. These turbines are generally of cantilevered mechanical design, with both bearings on one side of the shaft and the wheels on the other side as opposed to the so-called inter-bearing design, for which the elements of the turbine are located between the bearings. The cantilevered design makes it possible to reduce the number of sealing to one, but it is hardly compatible with a large number of stages. Similarly, for a given diameter, the choice of a supersonic flow, at least in the first distributor, is generally made to reduce the number of stages. This has the effect of increasing the rotational speed (and thus the linear speed at the periphery of the shaft) and of reducing to a greater or lesser extent the efficiency on the floor concerned. The main parameter guiding this set of decisions is that the implementation of a stage is expensive. For these reasons, axial ORC turbines are generally limited to three or fewer stages, and generally one stage for radial turbines. The term "wheels" here denotes thin, non-solid disks provided with fins fixed on the rotation shaft. The rotating assembly, [wheels + shafts] forms the rotor. Stator is the fixed parts of the turbine, and in particular the thin discs, not full, provided with fins attached to the body of the turbine. The set of non-rotating parts is called the stator. OBJECT OF THE INVENTION The present invention aims to remedy all or part of these disadvantages. In general, the present invention aims an ORC turbine optimized for small series, low cost and reconfigurable according to customer needs. To this end, according to a first aspect, the present invention is directed to a multi-stage axial turbine, for the expansion of low-boiling dense organic fluid, which comprises: a rotor for which bearings and seals are positioned; at each end, removable stages each comprising a fixed distributor and a mobile wheel fixed to the rotation shaft, each wheel being composed of a disc surmounted by fins and a crown, the assembly the wheel being integrally machined in the mass from a single block, each stage having, at the outlet, a subsonic flow whose direction has an angle less than 15 ° with respect to the axis of the rotor; the number of stages being greater than or equal to two. Thanks to these arrangements, the turbine is adapted quickly by adding or removing a stage between the bearings. In addition, by imposing a direction of flow out of each substantially axial stage, it is possible to remove or add stages upstream or downstream without disturbing the entire machine. One-piece machining saves costs and makes the assembly process easier. This also increases the reliability and distances clean modes of blading (vibration) and the addition or removal of a floor are greatly facilitated. In embodiments, the turbine object of the present invention comprises: a number of stages greater than or equal to three and / or a number of stages greater than or equal to five.
Grâce à ces dispositions, plusieurs reconfigurations de la turbine sont possibles, par ajout ou retrait d'étages. Dans des modes de réalisation, les paliers sont à roulement et les étanchéités sont à garniture mécanique. Le coût de fabrication et de maintenance de la turbine est ainsi réduit.Thanks to these provisions, several reconfigurations of the turbine are possible, by adding or removing stages. In embodiments, the bearings are rolling and the seals are mechanical seal. The cost of manufacturing and maintenance of the turbine is reduced.
Dans des modes de réalisation, chaque distributeur est composé d'un disque surmonté d'ailettes et d'une couronne, l'ensemble du distributeur étant intégralement usiné dans la masse à partir d'un seul bloc, chaque distributeur demeurant une pièce unique lors des phases de montage ou en fonctionnement. L'usinage en une pièce permet de réduire les coûts et de faciliter le 20 processus de montage. Cela augmente également la fiabilité et éloigne les modes propres d'aubages (vibrations). De plus, L'ajout ou le retrait d'un étage sont ainsi grandement facilités. Dans des modes de réalisation, chaque étage présente en sortie, un écoulement subsonique dont la direction présente un angle inférieur à 100 par 25 rapport à l'axe du rotor. En imposant une direction du flux sortant de chaque étage pratiquement axiale, on permet d'enlever ou d'ajouter des étages en amont ou en aval sans perturber l'ensemble de la machine. Dans des modes de réalisation, la vitesse de rotation du rotor est de 1500, 30 1800, 3000 ou 3600 tours par minute +/-20 tours par minute. Une vitesse de rotation de 1500, 1800, 3000, 3600 tours par minute +/-20 tours par minute permet un couplage direct avec une génératrice, car il s'agit des vitesses de rotations des alternateurs à 50 HZ ou 60 Hz pour des machines à 2 ou 4 pôles.In embodiments, each distributor is composed of a disc surmounted by fins and a ring, the entire distributor being integrally machined integrally from one block, each distributor remaining a single piece when phases of assembly or in operation. One-piece machining reduces costs and facilitates the assembly process. This also increases the reliability and distances the clean modes of blading (vibrations). In addition, the addition or removal of a floor are greatly facilitated. In embodiments, each stage has an output, a subsonic flow whose direction has an angle less than 100 relative to the axis of the rotor. By imposing a direction of flow out of each substantially axial stage, it is possible to remove or add stages upstream or downstream without disturbing the entire machine. In embodiments, the rotational speed of the rotor is 1500, 1800, 3000 or 3600 rpm +/- 20 rpm. A rotation speed of 1500, 1800, 3000, 3600 revolutions per minute +/- 20 revolutions per minute allows a direct coupling with a generator, because it is about rotations speeds of the alternators with 50 HZ or 60 Hz for machines 2 or 4 poles.
Dans des modes de réalisation, la vitesse linéaire au niveau des paliers et des étanchéités est inférieure à 30 m/s. La faible vitesse de rotation du rotor permet une faible vitesse linéaire des paliers. Ce qui permet l'utilisation de composés standard pour les paliers (roulement) 5 et étanchéité (garniture mécanique). Dans des modes de réalisation, le rayon extérieur du rotor est constant. Le rotor de la turbine étant de conception à diamètre extérieur constant (également appelé «constant shroud»), permet d'utiliser un corps de détente cyclindrique, réutilisable pour d'autres applications, c'est-à-dire d'autres conditions 10 de détente du fluide. Dans des modes de réalisation, la fréquence du premier mode de vibration du rotor est supérieure à la vitesse maximale de rotation augmentée de 20%. Dans des modes de réalisation, le degré de réaction est supérieur à 0,3 et le rotor est muni d'un élément de compensation de la poussée axiale de type piston 15 d'équilibrage et/ou butée. Dans des modes de réalisation, le stator est composé de trois corps principaux, un corps d'entrée, un corps de détente à l'intérieur duquel sont fixés les distributeurs, et un corps de sortie. Selon un deuxième aspect, la présente invention vise un procédé 20 d'adaptation d'une turbine objet de la présente invention à des conditions de détente différentes pour un même fluide, qui comporte une étape de modification du nombre d'étages, par retrait ou ajout d'au moins un étage. Selon un troisième aspect, la présente invention vise un procédé de fabrication d'une turbine objet de la présente invention, qui comporte, pour au moins 25 une roue ou un distributeur, une étape d'usinage dans la masse de la roue ou du distributeur intégralement à partir d'une seule pièce, en intégrant l'usinage du disque, des ailettes et de la couronne. Dans des modes de réalisation, l'étape d'usinage des roues et distributeurs est réalisée par une approche d'un engin d'usinage dans le sens axial. 30 Les avantages, buts et caractéristiques des procédés des deuxième et troisième aspects de la présente invention étant similaires à ceux de la turbine objet du premier aspect de la présente invention, ils ne sont pas rappelés ici. BREVE DESCRIPTION DES FIGURES 302 2 2 97 6 D'autres avantages, buts et caractéristiques particulières de l'invention ressortiront de la description non limitative qui suit d'au moins un mode de réalisation particulier du dispositif objet de la présente invention, en regard des dessins annexés, dans lesquels : - la figure 1 représente, schématiquement et en coupe, des ailettes d'un mode de réalisation particulier de la turbine objet de la présente invention, - la figure 2 représente, schématiquement et en coupe, un mode de réalisation particulier de la turbine objet de la présente invention et - la figure 3 représente, schématiquement, une roue usinée 10 intégralement dans la masse d'un mode de réalisation particulier de la turbine objet de la présente invention. DESCRIPTION D'EXEMPLES DE REALISATION DE L'INVENTION La présente description est donnée à titre non limitatif. 15 On note que les figures ne sont pas à l'échelle. La turbine objet de la présente invention est une turbine reconfigurable, pour la détente de fluide dense dans une machine à Cycle Organique de Rankine, sur le principe des turbines axiales multi-étagées. Cette turbine axiale multi-étagée pour fluide dense présente une conception 20 mécanique du rotor en entre-palier, admettant un grand nombre d'étages, ce qui lui donne la possibilité d'être reconfigurée pour d'autres applications. La turbine objet de la présente invention présente un écoulement correspondant à un triangle des vitesses axial entre deux étages successifs. On impose volontairement une direction du flux en sortie de chaque étage, ce qui permet 25 d'enlever des étages en amont ou en aval d'un étage sans perturber l'ensemble de la turbine, et ainsi de la reconfigurer. Au sujet du maintien de la direction axiale de l'écoulement en entrée/sortie d'étage, une turbine est généralement conçue pour un écoulement entrant dans un étage avec un angle donné (par exemple 15°), et sortant avec un autre angle, 30 potentiellement avec une déviation. Préférentiellement, dans la turbine objet de la présente invention, chaque étage de la turbine est optimisé pour que l'écoulement sorte axial, c'est à dire avec un angle de 00. Cette disposition est plus contraignante pour le choix des profils et le design de la turbine, mais permet d'avoir une conception reconfigurable, au sens où un étage étant enlevé, l'écoulement entrant dans l'étage suivant l'étage enlevé est toujours dans le sens axial. La turbine présente un écoulement subsonique, permettant une faible vitesse de rotation du rotor. Cet écoulement subsonique permet une faible vitesse linéaire des extrémités de l'arbre du rotor où sont positionnés les paliers et les étanchéités. L'augmentation du nombre d'étages permet également de réduire la vitesse de rotation et par extension, la vitesse linéaire en périphérie d'arbre et au niveau des paliers et des étanchéités. L'écoulement subsonique et l'augmentation du nombre d'étages influent sur la technologie des composants de paliers et d'étanchéité. Grâce au nombre d'étages considérés et à l'écoulement subsonique, la turbine objet de la présente invention permet d'utiliser des roulements au lieu de palier à gaz ou de palier magnétique, et des étanchéités de type garniture mécanique au lieu de garniture gaz. Cela réduit le coût de fabrication de la turbine.In embodiments, the linear speed at the bearings and seals is less than 30 m / s. The low rotational speed of the rotor allows a low linear speed of the bearings. This allows the use of standard compounds for bearings (bearing) 5 and sealing (mechanical seal). In embodiments, the outer radius of the rotor is constant. The rotor of the turbine being of constant outer diameter design (also called "constant shroud"), allows the use of a cyclindrical expansion body, reusable for other applications, that is to say other conditions 10 relaxation of the fluid. In embodiments, the frequency of the first vibration mode of the rotor is greater than the maximum rotational speed increased by 20%. In embodiments, the degree of reaction is greater than 0.3 and the rotor is provided with an axial thrust compensation member of the balance and / or stop piston type. In embodiments, the stator is composed of three main bodies, an input body, an expansion body inside which the distributors are fixed, and an output body. According to a second aspect, the present invention is directed to a method 20 for adapting a turbine that is the subject of the present invention to different expansion conditions for the same fluid, which comprises a step of modifying the number of stages by removal or addition of at least one floor. According to a third aspect, the present invention relates to a method of manufacturing a turbine object of the present invention, which comprises, for at least one wheel or a distributor, a machining step in the mass of the wheel or the distributor integrally from one piece, integrating the machining of the disc, fins and crown. In embodiments, the step of machining the wheels and distributors is performed by an approach of a machining machine in the axial direction. Since the advantages, aims and process characteristics of the second and third aspects of the present invention are similar to those of the turbine object of the first aspect of the present invention, they are not recalled here. BRIEF DESCRIPTION OF THE FIGURES Other advantages, aims and particular characteristics of the invention will emerge from the following nonlimiting description of at least one particular embodiment of the device that is the subject of the present invention, with reference to FIGS. attached drawings, in which: - Figure 1 shows, schematically and in section, the fins of a particular embodiment of the turbine object of the present invention, - Figure 2 shows, schematically and in section, an embodiment Particularly, the turbine of the present invention and FIG. 3 schematically represent a wheel machined integrally in the mass of a particular embodiment of the turbine which is the subject of the present invention. DESCRIPTION OF EXAMPLES OF EMBODIMENT OF THE INVENTION The present description is given in a non-limiting manner. It is noted that the figures are not to scale. The turbine object of the present invention is a reconfigurable turbine, for the relaxation of dense fluid in a machine Organic Rankine cycle, on the principle of multi-stage axial turbines. This multi-stage dense fluid axial turbine has a multi-stage, inter-bearing rotor mechanical design which allows it to be reconfigured for other applications. The turbine object of the present invention has a flow corresponding to a triangle of axial speeds between two successive stages. Voluntarily imposing a flow direction at the output of each stage, which allows 25 to remove stages upstream or downstream of a stage without disturbing the entire turbine, and thus reconfigure. With respect to maintaining the axial direction of the stage inlet / outlet flow, a turbine is generally designed for flow entering a stage at a given angle (eg 15 °), and exiting at another angle, Potentially with a deviation. Preferably, in the turbine that is the subject of the present invention, each stage of the turbine is optimized so that the flow exits axially, that is to say with an angle of 00. This provision is more restrictive for the choice of profiles and the design of the turbine, but allows to have a reconfigurable design, in the sense that a stage is removed, the flow entering the next floor stage removed is always in the axial direction. The turbine has a subsonic flow, allowing a low rotational speed of the rotor. This subsonic flow allows a low linear speed of the ends of the rotor shaft where the bearings and seals are positioned. The increase in the number of stages also makes it possible to reduce the rotational speed and, by extension, the linear speed at the periphery of the shaft and at the level of the bearings and seals. Subsonic flow and increasing number of stages affect the technology of bearing and seal components. Owing to the number of stages considered and the subsonic flow, the turbine that is the subject of the present invention makes it possible to use bearings instead of a gas bearing or a magnetic bearing, and sealings of the mechanical seal type instead of the gas seal. . This reduces the cost of manufacturing the turbine.
La turbine comporte des roues et distributeurs intégralement usinés dans la masse en une pièce, y compris la couronne d'étanchéité. Cette caractéristique permet de réduire le coût de fabrication et de faciliter le processus de montage. Cette caractéristique augmente également la fiabilité de la turbine et éloigne les modes propres d'aubages et les vibrations qu'ils induisent.The turbine comprises integrally machined wheels and distributors in one piece, including the sealing ring. This feature reduces the cost of manufacturing and facilitates the assembly process. This characteristic also increases the reliability of the turbine and removes the clean modes of blading and the vibrations they induce.
La fabrication des roues et distributeurs par usinage en direct dans la masse, y compris la couronne d'étanchéité, permet de réduire significativement les coûts de fabrication par rapport à des montages classiques de type a) roue avec ailettes rapportées puis cerclage ou b) roue usinée dans la masse par périphérie, puis pose d'une couronne par 25 cerclage. Pour cette fabrication, une méthode préférentielle est l'usinage, par une machine cinq axes et de manière axiale, des ailettes dans le corps de la roue. Les coûts d'industrialisation de cette technique sont compensés par la fréquence d'utilisation de ces roues dans le cadre d'une turbine reconfigurable. 30 Le rotor de la turbine présente préférentiellement un diamètre extérieur constant (également appelé « constant shroud »), qui permet d'utiliser un corps de détente cylindrique, réutilisable pour d'autres applications. Une turbine axiale multi-étagée (avec un grand nombre d'étages) permet de reconfigurer la turbine en supprimant des étages en amont ou en aval de la turbine.The manufacture of the wheels and distributors by direct machining in the mass, including the sealing ring, makes it possible to significantly reduce manufacturing costs compared to conventional assemblies of the type a) wheel with fins reported then strapping or b) wheel machined in the mass per periphery, then laying a crown by strapping. For this manufacture, a preferred method is the machining, by a machine five axles and axially, the fins in the body of the wheel. The industrialization costs of this technique are offset by the frequency of use of these wheels in the context of a reconfigurable turbine. The rotor of the turbine preferably has a constant outer diameter (also called "constant shroud"), which allows the use of a cylindrical expansion body, reusable for other applications. A multi-stage axial turbine (with a large number of stages) makes it possible to reconfigure the turbine by removing stages upstream or downstream of the turbine.
Ainsi, si une turbine axiale à cinq étages construite selon les dispositions présentées ici permet de détendre une vapeur de fluide organique de vingt bars à deux bars, on peut : a) utiliser les mêmes éléments de la turbine en sélectionnant les trois 5 premiers étages pour réaliser une détente optimisée de vingt bars à six bars, ce qui permet d'augmenter la température de la source froide, par exemple dans le cadre d'une machine fonctionnant en cogénération et produisant électricité et chaleur. b) utiliser les mêmes éléments de la turbine en sélectionnant les quatre derniers étages pour réaliser une détente optimisée de seize bars à deux bars, ce 10 qui permet de valoriser efficacement de valoriser une source chaude à plus basse température. On peut ainsi rapidement reconfigurer une turbine d'une première application vers une deuxième application à moindre coût. Le système peut également être considéré pour une même turbine fonctionnant selon deux régimes différents selon la 15 saison. Par exemple pour une application donnée de machine ORC : a) en été, la machine ORC produit uniquement de l'électricité et la turbine utilise ses cinq étages de détente. L'énergie de condensation est dissipée à température ambiante, alors que b) en hiver, on cherche à valoriser la chaleur en sortie de machine et donc la 20 détente optimisée est limitée de vingt bars à six bars. Pour cette application, une intervention rapide permet de retirer une fois par an deux étages de turbine, le reste des éléments étant inchangé. On conserve ainsi un rendement optimal pour chaque période de l'année. La conception mécanique de la turbine objet de la présente invention peut 25 aussi être utilisée pour d'autres fluides dans des conditions de détente similaires. Seule la veine fluide, le profil des ailettes, est adapté et les composants mécaniques peuvent être conservés. On observe, sur la figure 1, un ensemble d'ailettes 10 comportant des ailettes de stator 105 et des ailettes de rotor 120.Thus, if a five-stage axial turbine constructed in accordance with the provisions presented here can relax an organic fluid vapor of twenty bars at two bars, one can: a) use the same elements of the turbine by selecting the first three stages for achieve an optimized relaxation from twenty bars to six bars, which increases the temperature of the cold source, for example in the context of a machine running in cogeneration and producing electricity and heat. b) use the same elements of the turbine by selecting the last four stages to achieve an optimized relaxation of sixteen bars to two bars, which makes it possible to effectively enhance the value of a hot source at lower temperatures. It is thus possible quickly to reconfigure a turbine from a first application to a second application at a lower cost. The system can also be considered for the same turbine operating at two different regimes depending on the season. For example for a given ORC machine application: a) in summer, the ORC machine produces only electricity and the turbine uses its five stages of expansion. The condensation energy is dissipated at room temperature, whereas b) in winter, it is sought to value the heat output of the machine and thus the optimized relaxation is limited from twenty bars to six bars. For this application, a quick intervention allows to remove once a year two stages of turbine, the rest of the elements being unchanged. This ensures optimal performance for each period of the year. The mechanical design of the turbine object of the present invention can also be used for other fluids under similar expansion conditions. Only the fluid vein, the profile of the fins, is adapted and the mechanical components can be preserved. FIG. 1 shows a set of fins 10 comprising stator wings 105 and rotor blades 120.
30 En figure 1: - le vecteur C1 représente la vitesse du fluide en entrée du distributeur. Le vecteur C1 présente un angle al avec l'axe de rotation de la turbine ; - le vecteur C2 représente la vitesse du fluide en sortie du distributeur. Le vecteur C2 présente un angle a2 avec l'axe de rotation de la turbine ; - le vecteur C3 représente la vitesse du fluide en entrée du rotor. Le vecteur C3 présente un angle a3 avec l'axe de rotation de la turbine ; - le vecteur C4 représente la vitesse du fluide en sortie du rotor. Le vecteur C4 présente un angle a4 avec l'axe de rotation de la turbine ; - le vecteur W3 représente la vitesse relative du fluide en entrée du rotor. Le vecteur W3 présente un angle a'3 avec l'axe de rotation de la turbine ; - le vecteur W4 représente la vitesse relative du fluide en sortie du rotor. Le vecteur W4 présente un angle a'4 avec l'axe de rotation de la turbine ; - le vecteur U représente le vecteur vitesse, soit la produit de la vitesse 10 angulaire, en radians par seconde, par la distance à l'axe de rotation de la turbine. Dans le cas général, les angles ai et 04 sont différents. Préférentiellement, dans la turbine objet de la présente invention, ai = a4 = 00 . La figure 2 représente, une turbine axiale multi-étage reconfigurable objet de la présente invention.In FIG. 1: the vector C1 represents the speed of the fluid at the inlet of the distributor. The vector C1 has an angle α with the axis of rotation of the turbine; the vector C2 represents the speed of the fluid at the outlet of the distributor. The vector C2 has an angle a2 with the axis of rotation of the turbine; the vector C3 represents the speed of the fluid entering the rotor. The vector C3 has an angle a3 with the axis of rotation of the turbine; the vector C4 represents the speed of the fluid at the outlet of the rotor. The vector C4 has an angle α4 with the axis of rotation of the turbine; the vector W3 represents the relative velocity of the fluid entering the rotor. The vector W3 has an angle α'3 with the axis of rotation of the turbine; the vector W4 represents the relative speed of the fluid leaving the rotor. The vector W4 has an angle α'4 with the axis of rotation of the turbine; the vector U represents the velocity vector, ie the product of the angular velocity, in radians per second, by the distance to the axis of rotation of the turbine. In the general case, the angles ai and 04 are different. Preferably, in the turbine object of the present invention, ai = a4 = 00. FIG. 2 represents a reconfigurable multi-stage axial turbine which is the subject of the present invention.
15 On observe, en figure 2, une entrée 210 de valeur de fluide organique, un corps extérieur 205 et 240, une bride d'entrée 250, un espace 260 entre le rayon principal de la roue et une couronne d'étanchéité, espace où sont situé les ailettes un système de fixation des roues sur l'arbre 245, une sortie 235 de la vapeur et quatre étages successivement 215, 220, 225 et 230, composés, chacun d'un stator, 20 respectivement D1 à 04) et d'un rotor (respectivement R1 à R4). Le rotor présente un rayon extérieur constant (constant « shroud »). Dans des applications, pour obtenir une turbine optimisée sur une pression d'entrée, on peut supprimer l'étage 215, constitué de D1 et R1, voire également l'étage 220, constitué de D2 et R2.FIG. 2 shows an organic fluid value inlet 210, an external body 205 and 240, an inlet flange 250, a space 260 between the main spoke of the wheel and a sealing ring, where the fins are located a fixing system of the wheels on the shaft 245, an outlet 235 of the steam and four successively stages 215, 220, 225 and 230, each composed of a stator, respectively D1 to 04) and a rotor (respectively R1 to R4). The rotor has a constant outer radius (constant "shroud"). In applications, to obtain an optimized turbine on an inlet pressure, one can delete the stage 215, consisting of D1 and R1, or even the stage 220, consisting of D2 and R2.
25 Dans d'autres applications, pour obtenir une turbine optimisée sur une pression de sortie plus haute, on peut supprimer l'étage 230, constitué de D4 et R4. A partir d'une unique turbine à quatre étages, on peut obtenir, par simple retrait des étages, une turbine adaptée à chaque application particulière. Préférentiellement : 30 - les paliers sont à roulement et les étanchéités sont à garniture mécanique ; - dans chaque rotor, la roue à ailettes, le distributeur et une couronne d'étanchéité sont intégralement usinés dans la masse en une pièce ; - l'écoulement du fluide en sortie d'étage est subsonique et présente un angle inférieur à 15° par rapport à l'axe de rotation de l'arbre du rotor et, encore plus préférentiellement, inférieur à 10 °C ; - la vitesse de rotation du rotor est de 1500 /1800 / 3000 / 3600 tours par 5 minute +/-20 tours par minute ; - la vitesse linéaire de la périphérie des roues est inférieure à 30m/s ; - la fréquence du premier mode de vibration des rotors est supérieure d'au moins 20 % à la vitesse de rotation, par exemple supérieure à 4320 tours par minute, pour une vitesse de rotation de 3600 tours par minute avec une marge de sécurité de 10 20%, - chaque distributeur étant composé d'un disque surmonté d'ailettes et une couronne, l'ensemble du distributeur étant intégralement usiné dans la masse à partir d'un seul bloc, - le degré de réaction est supérieur à 0,3 et le rotor est muni d'un élément de 15 compensation de la poussée axiale de type piston d'équilibrage et/ou butée et/ou - le stator est composé de trois corps principaux, un corps d'entrée, un corps de détente à l'intérieur duquel sont fixés les distributeurs, et un corps de sortie. La figure 3 représente une roue de turbine intégralement usinée dans la masse. On observe, en figure 3, une roue 30 formée d'un disque plein 310, surmonté 20 d'un ensemble d'ailettes 320, surmontées d'une couronne 330. La roue 30 est fixée à l'arbre de rotation au niveau de la zone 340. De part, la présence de la couronne, l'usinage de la roue 30 ne peut être fait par la périphérie. Le procédé de fabrication des roues et distributeurs objet de la présente invention apporte des avantages en termes de fiabilité, de performance et de 25 réduction de coûts et de délais. Comme on le comprend à la lecture de la description qui précède, la turbine axiale multi-étagée, pour la détente de fluide organique dense à bas point d'ébullition, comporte : - un rotor pour lequel des paliers et des étanchéités sont positionnés à 30 chaque extrémité, - des étages amovibles comportant, chacun, un distributeur fixe et une roue mobile fixée à l'arbre de rotation, - chaque roue étant composée d'un disque surmonté d'ailettes et d'une couronne, l'ensemble de la roue étant intégralement usiné dans la masse à partir d'un seul bloc, - chaque étage présentant, en sortie, un écoulement subsonique dont la 5 direction présente un angle inférieur à 150 par rapport à l'axe du rotor ; - le nombre d'étages étant supérieur ou égal à deux. Préférentiellement, le nombre d'étage est supérieur ou égal à deux. Pour adapter une turbine à des conditions de détente différentes pour un même fluide, on modifie le nombre d'étages, par retrait ou ajout d'au moins un étage.In other applications, to obtain an optimized turbine at a higher outlet pressure, stage 230 consisting of D4 and R4 can be omitted. From a single four-stage turbine, it is possible to obtain, by simple removal of the stages, a turbine adapted to each particular application. Preferably: the bearings are rolling and the seals are mechanical seal; - In each rotor, the impeller, the distributor and a sealing ring are integrally machined in the mass in one piece; the flow of the fluid at the stage outlet is subsonic and has an angle less than 15 ° with respect to the axis of rotation of the rotor shaft and, even more preferably, less than 10 ° C .; the speed of rotation of the rotor is 1500/1800/3000/3600 revolutions per minute +/- 20 revolutions per minute; the linear velocity of the periphery of the wheels is less than 30 m / s; the frequency of the first mode of vibration of the rotors is at least 20% greater than the rotation speed, for example greater than 4320 revolutions per minute, for a rotation speed of 3600 revolutions per minute with a safety margin of 10 20%, - each dispenser being composed of a disc surmounted by fins and a ring, the entire dispenser being integrally machined in the mass from a single block, - the degree of reaction is greater than 0.3 and the rotor is provided with an axial thrust and / or thrust piston type thrust compensating element and / or - the stator is composed of three main bodies, an inlet body, an expansion body with inside which are fixed the distributors, and a body of exit. Figure 3 shows a turbine wheel integrally machined in the mass. FIG. 3 shows a wheel 30 formed of a solid disk 310, surmounted by a set of fins 320, surmounted by a ring gear 330. The wheel 30 is fixed to the rotation shaft at the level of zone 340. On the other hand, the presence of the crown, the machining of the wheel 30 can not be done by the periphery. The method of manufacturing wheels and distributors object of the present invention provides advantages in terms of reliability, performance and cost and time reduction. As can be understood from reading the foregoing description, the multi-stage axial turbine, for the expansion of low-boiling dense organic fluid, comprises: a rotor for which bearings and seals are positioned at 30; each end, - removable stages each comprising a fixed distributor and a movable wheel fixed to the rotation shaft, - each wheel being composed of a disc surmounted by fins and a ring, the whole of the the wheel being integrally machined from a single block in the mass, each stage having, at the outlet, a subsonic flow whose direction has an angle less than 150 with respect to the axis of the rotor; the number of stages being greater than or equal to two. Preferably, the number of stages is greater than or equal to two. To adapt a turbine to different expansion conditions for the same fluid, the number of stages is modified by removing or adding at least one stage.
10 Pour adapter la turbine à un autre fluide, dans des conditions de détente similaire mais en conservant le même design mécanique, seul l'usinage des roues est retravaillé. Pour fabriquer une turbine objet de la présente invention, on réalise au moins une étape d'usinage dans la masse de la roue ou du distributeur intégralement à 15 partir d'une seule pièce, en intégrant l'usinage du disque, des ailettes et, préférentiellement aussi de la couronne. Préférentiellement, l'étape d'usinage des roues et distributeurs est réalisée par une approche d'un engin d'usinage dans le sens axial. 20To adapt the turbine to another fluid, under similar conditions of relaxation but keeping the same mechanical design, only the machining of the wheels is reworked. In order to manufacture a turbine that is the subject of the present invention, at least one machining step is carried out in the mass of the wheel or the distributor integrally from one piece, integrating the machining of the disk, the fins and, preferentially also of the crown. Preferably, the step of machining the wheels and distributors is performed by an approach of a machining machine in the axial direction. 20
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