FR3062158A1 - Turbine centrifuge hybride mixte, tchm, avec fonctions de compression et d'echangeur thermique - Google Patents
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Abstract
Description
Claims (34)
- REVENDICATIONS1) Turbine Centrifuge Hybride Mixte, caractérisée en ce qu'elle est composée d'un disque ou d'un empilage de disques « Turbine » coaxiaux à « aubes larges » creuses de type sans effet de bords, liés, à l'avant à un disque « frontal » (17) et à l'arrière à un disque « d'échappement » (18), qui comportent deux flancs identiques (1 et 3), dont un des flancs (1) en face avant est prolongé par des anneaux (25 et 26) de même largeur (14) en zone centrale (6) et en zone périphérique (8), qui sont liés par soudure, brasure ou autre moyens, au moment de l'assemblage, à la face du flanc arrière du disque adjacent (3) ou à celle du disque « frontal » (17), constituant ainsi une chambre annulaire structurelle qui emprisonne un empilage coaxial de plusieurs disques d'échange thermique à effet de bords (21) portés par des axes de fixation (26), ne participant pas à la tenue structurelle de l'ensemble, et aux travers desquels circule un fluide secondaire (22), de la zone centrale (6) vers la périphérie (8),qui frotte (23) sur les parois des disques, qui se comprime par centrifugation et change d'état thermique au contact des disques et des parois de la chambre structurelle.
- 2) Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que les disques « Turbine » coaxiaux que l'on empile et que l'on fixe entre eux, par soudage, brasage ou autre technique, sont à « aubes larges » et tous semblables, que leurs flancs (1 et 3) sont liés entre eux par une première série d'aubes aérodynamiques creuses (10), dont la largeur est égale à l'espacement (4) des flancs, qui sont disposées en couronne dans la zone basse (6) proche du bord de l'anneau central évidé (5) constituant un rotor primaire qui couplé avec un distributeur fixe (12) représente un premier étage de '-15- ‘ détente à réaction dit « étage primaire », et par une seconde série d'aubes creuses (9) dont la largeur est aussi égale à l'espacement (4),. placée en couronne dans la partie haute (8) constituant un rotor secondaire et qui couplé avec la couronne de stators fixes (11) placé en périphérie représente un second étage de détente à impulsion dit « étage secondaire ».
- 3) Dispositif selon la revendication 2, caractérisé en ce que les disques « Turbine » à « aubes larges » présentent un anneau central évidé (5), et qu'ils sont mis en rotation sous l'effet d'un fluide moteur comprimé (2) qui est injecté en giration par un distributeur fixe (12) placé en entrée ou au centre (5) de l'anneau des disques dans l'axe de la « Turbine », de telle sorte que le fluide moteur (2) pénètre entre les flancs (1 et 3), dont l'espacement (4) est au moins 5 fois plus grand que la valeur de la couche limite du fluide moteur, et circule sans « effet de bords » du centre (5) vers la périphérie de la turbine (8) sous l'effet d'un différentiel de pression, en entraînant les deux séries d'aubes creuses par l'effet d'une double détente, et par le fait que le fluide moteur (2) est éjecté en périphérie des flancs (8) sur une couronne de stators fixes (11) qui peuvent être à calage variable.
- 4) Dispositif selon la revendication 3, caractérisé en ce que dans l'anneau structurel placé en face avant, solidaire du flanc (1) et fermé par la face arrière du disque « frontal » (17)ou celle du flanc arrière du disque adjacent, on dispose un empilage coaxial de plusieurs disques d'échanges thermiques à effet de bords (21), évidés en leurs centres (6), comportant chacun deux couronnes de perçages (31), une proche de la zone centrale (5) et l'autre proche de la zone périphérique (8), dans lesquels on glisse des axes de fixation (31) avec un jeu radial par rapport aux perçages, lesquels axes de fixation, sont emprisonnés avec une liberté de jeu axial entre la face avant du flanc (1) du disque Tur3062158-16bine et la face arrière du flanc (3) du disque adjacent ou celle du disque « frontal » (17) ou du disque « d'échappement » (18), lesquelles constituent les faces de fermeture de l'anneau structurel dans lequel circule le flux secondaire (22), injecté par le canal (19) des aubes creuses du rotor primaire de la zone centrale (6) vers la périphérie (8), sous l'effet d'un différentiel de pression complété par l'action de la centrifugation qui se crée pendant son parcours entre les parois des disques, conséquence de la circulation du fluide secondaire en condition d'effet de bords « boundary effefct », qui provoque une élévation de la pression du fluide secondaire (22) qui s'évacue par le canal des aubes creuses (13) du rotor secondaire en zone périphérique (8) .
- 5) Dispositif selon la revendication 4, caractérisé en ce que, le disque « frontal » (17) présente en partie basse (6), une couronne de « lumières » (32) qui débouchent dans le premier anneau structurel et qui constitue l'entrée du flux du fluide secondaire (22) qui alimentent en zone basse (6), les anneaux structurels à travers le conduit (13) constitué par les aubes primaires (10) creuses, et aussi, en ce que le disque « d'échappement » (18) placé à l'arrière du dispositif TCHM, comporte des anneaux (25 et 26), qui prolongent sa face avant, et qui sont liés à la face arrière de la dernière Turbine (3), pour constituer le dernier anneau structurel qui présente en partie périphérique (8) de sa face arrière, une couronne de « lumières » (33), en sortie du canal créé en zone périphérique par les conduits des aubes creuses (13) des rotors secondaires, qui débouchent dans un collecteur d'échappement du flux secondaire, il résulte de cette disposition que le flux du fluide secondaire (22) circule de la partie basse (6) vers la zone périphérique (8), en traversant les empilages de disques d'échanges thermiques (21) placés dans les anneaux structurels, en effet de bords (boundary ef3062158-17fect) et qu'il est éjecté vers l'arrière du dispositif dans le sens contraire au flux moteur (2) qui pénètre en giration dans l'anneau des disques Turbines (5).
- 6) Dispositif selon la revendication 4 et la revendication 5, caractérisé en ce que au moins un des flancs de l'anneau structurel et sa paroi inférieure centrale (26) sont au contact direct du flux moteur (2) qui transfère la chaleur à travers les parois au fluide secondaire (22) circulant dans l'anneau entre les disques d'échanges thermiques (21), selon les règles et lois des transferts thermiques, en partie par rayonnement des parois de l'anneau structurel et en partie par convection forcée entre les disques (21), provoquant le changement d'état thermique du flux secondaire (22), qui circulant dans les aubes creuses « larges » (13 et 19), soumises elles aussi, au contact direct du flux moteur (2), subit un échange thermique complémentaire par convection forcée.
- 7) Empilage coaxial de disques d'échanges thermiques selon la revendication 4, caractérisé en ce que les disques (21) sont tous semblables, qu'ils sont réalisés dans des matières adaptées aux températures et aux efforts à subir, qu'ils sont d'une épaisseur inférieure au 2/3 de la valeur de la hauteur de la couche limite du fluide secondaire qui circule entre les disques, et qu'ils sont tenus espacés entre eux par des bagues entretoises (25) enfilées dans les axes de fixation cylindriques (26) , dont l'épaisseur est telle, que l'espacement résultant permette que le fluide secondaire, qui circule (22) entre les disques, soit placé dans des conditions d'effet de bords ou « boundary effect » et qu'il frotte (23) constamment sur les parois.
- 8) Empilage coaxial de disques d'échanges thermiques selon la revendication 7, caractérisé en que les bagues entretoises (25) qui règlent l'espacement entre les disques (21) sont dans une matière telle que au repos, refroidies, il existe un jeu axial entre les disques et les entretoises, et-18qu'en fonctionnement sous contrainte thermique et dynamique, du fait de la matière choisie, la somme des dilatations axiales des entretoises est supérieure à la dilation axiale de l'anneau structurel, entraînant ainsi un serrage fort qui bloque axialement et radialement tous les disques.8) Dispositif selon toutes les revendications précédentes, caractérisé en ce que la Turbine Centrifuge Hybride Mixte (TCHM), comme la TCH classique, est portée par un arbre central (16) coaxial, qui est monté sur des roulements (15), ou des paliers fluides, ou des paliers air comprimé, ou tout autre dispositif permettant la rotation et la tenue aux efforts radiaux ou axiaux et aux vibrations, généralement à haute vitesse et souvent dans des conditions d'environnement thermiques sévères, de telle sorte à ce que l'ensemble peut être monté en porte à faux ou à cheval sur l'arbre et qu'elle s'intégre dans les ensembles mobiles des Turbomachines équipés de compresseur centrifuges, de la même manière que les Turbines Centrifuges Hybrides.
- 9) Dispositif selon la revendication 8 caractérisé, en ce que toutes les présentations particulières qui caractérisent l'intégration et l'utilisation des TCH, s'appliquent aux TCHM, que ce soit pour les applications d'échangeurs thermiques centrifuges ou pour les applications de turbomachines à cycle récupérés, et en particulier, la présentation intégré d'un semble mobile EM liant un compresseur centrifuge CHP (27), son couvercle (28) qui intègre le diffuseur (29)de sortie des flux compresseur, et une tôle guide de retour des flux (20), avec une TCHM équipée de un ou plusieurs disques Turbines : CHP-TCHM.Annexe 1Annexe brevet 26 Nomenclature des indices1 Flanc avant disque Turbine2 flux Moteur d'entrainement, gaz comprimé en général flux sortant de la chambre de combustion3 Flanc arrière disque Turbine4 espace entre les Flanc turbines ou largeur des aubes5 zone centre turbine6 zone basse des disques7 zone médiane8 zone périphérique9 aubes secondaires (en périphérie)
- 10 aubes primaires (en zone basse)
- 11 stator fixe périphériquePeut, être, à calage variable
- 12 distributeur central, radial ou axial giration du flux en entrée ou au centre des disques Turbines
- 13 canal des aubes creuses secondaires 9 (en périphérie)
- 14 largeur des anneaux structurels
- 15 roulements
- 16 arbre porteur
- 17 disque Frontal
- 18 disque d'échappement
- 19 canal des aubes creuses primaires 10 (en zone bzsse)
- 20 tôle guide de retour des flux CH P
- 21 disques Thermiques empilages
- 22 flux Secondaire
- 23 surface friction élément de flux secondaire
- 24 valeur de l'espacement des disques thermiques en effet de bords
- 25 anneau supérieur de l'anneau structurel (zone périphérique)
- 26 anneau inférieur de l'anneau structurel (zone basse)
- 27 Compresseur centrifuge CHP
- 28 couvercle compresseur
- 29 diffuseur sortie compresseur
- 30 perçages de fixation disques thermiques
- 31 axes de fixation disques thermiques
- 32 entretoise inter disques thermiques
- 33 lumières entré du flux secondaire du disque Frontal
- 34 lumières sortie flux secondaire du disque échappement2 /2 Bernard Etcheparre / INPI10 avenue des œillets ANGLET 64600 06 85 75 86 03 bernard.etcheparregpgmail.comREVENDICATIONS1) Turbine Centrifuge Hybride Mixte, caractérisée en ce qu'elle est composée d'un disque ou d'un empilage de disques « Turbine » coaxiaux à « aubes larges » creuses de type sans effet de bords, liés, à l'avant à un disque « frontal » (17) et à- l'arrière à un disque « d'échappement » (18), qui comportent deux flancs identiques(1 et 3), dont un des flancs (1) en face avant est prolongé par des anneaux (25 et 26) de même largeur (14) en zone centrale (6) et en zone périphérique (8), qui sont liés par soudure, brasure ou autre moyens, au moment de l'assemblage, à la face du flanc arrière du disque adjacent (3) ou à celle du disque « frontal » (17), constituant ainsi une chambre annulaire structurelle qui emprisonne un empilage coaxial de plusieurs disques d'échange thermique à effet de bords (21) portés par des axes de fixation (26), ne participant pas à la tenue structurelle de l'ensemble, et aux travers desquels circule un fluide secondaire (22), de la zone centrale (6) vers la périphérie (8),qui frotte (23) sur les parois des disques, qui se comprime par centrifugation et change d'état thermique au contact des disques et des parois de la chambre structurelle.2) Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que les disques « Turbine » coaxiaux que l'on empile et que l'on fixe entre eux, par soudage, brasage ou autre technique, sont à « aubes larges » et tous semblables, que leurs flancs (1 et 3) sont liés entre eux par une première série d'aubes aérodynamiques creuses (10), dont la largeur est égale à l'espacement (4) des flancs, qui sont disposées en couronne dans la zone basse (6) proche du bord de l'anneau central évidé (5) constituant un rotor primaire qui couplé avec un distributeur fixe (12) représente un premier étage de détente à réaction dit « étage primaire », et par une seconde série d'aubes creuses (9) dont la largeur est aussi égale à l'espacement (4), placée en couronne dans la partie haute (8) constituant un rotor secondaire et qui couplé avec la couronne de stators fixes (11) placé en périphérie représente un second étage de détente à impulsion dit « étage secondaire ».3) Dispositif selon la revendication 2, caractérisé en ce que les disques « Turbine » à « aubes larges » présentent un anneau central évidé (5), et qu'ils sont mis en rotation sous l'effet d'un fluide moteur comprimé (2) qui est injecté en giration par un distributeur fixe (12) placé en entrée ou au centre (5) de l'anneau des disques dans l'axe de la « Turbine », de telle sorte que le fluide moteur (2) pénètre entre les flancs (1 et 3), dont l'espacement (4) est au moins 5 fois plus grand que la valeur de la couche limite du fluide moteur, et circule sans « effet de bords » du centre (5) vers la périphérie de la turbine (8) sous l'effet d'un différentiel de pression, en entraînant les deux séries d'aubes creuses par l'effet d'une double détente, et par le fait que le fluide moteur (2) est éjecté en périphérie des flancs (8) sur une couronne de stators fixes (11) qui peuvent être à calage variable .4) Dispositif selon la revendication 3, caractérisé en ce que dans l'anneau structurel placé en face avant, solidaire du flanc (1) et fermé par la face arrière du disque « frontal » (17)ou celle du flanc arrière du disque adjacent, on dispose un empilage coaxial de plusieurs disques d'échanges thermiques à effet de bords (21), évidés en leurs centres (6), comportant chacun deux couronnes de perçages (31), dans lesquels on glisse des axes de fixation (31) avec un jeu radial par rapport aux perçages, lesquels axes de fixation, sont emprisonnés avec une liberté de jeu axial entre la face avant du flanc (1) du disque Turbine et la face arrière du flanc (3) du disque adjacent ou celle du disque « frontal » (17) ou du disque « d'échappement » (18), lesquelles constituent les faces de fermeture de l'anneau structurel dans lequel circule le flux secondaire (22), injecté par le canal (19) des aubes creuses du rotor primaire de la zone centrale (6) vers la périphérie (8), sous l'effet d'un différentiel de pression complété par l'action de la centrifugation qui se crée pendant son parcours entre les parois des disques, conséquence de la circulation du fluide secondaire en condition d'effet de bords « boundary effect », qui provoque une élévation de la pression du fluide secondaire (22) qui s'évacue par le canal des aubes creuses (13) du rotor secondaire en zone périphérique (8).5) Dispositif selon la revendication 4, caractérisé en ce que, le disque « frontal » (17) présente en partie basse (6), une couronne de « lumières » (33) qui débouchent dans le premier anneau structurel et qui constitue l'entrée du flux du fluide secondaire (22) qui alimentent en zone basse (6), les anneaux structurels à travers le conduit (13) constitué par les aubes primaires (10) creuses, et aussi, en ce que le disque « d'échappement » (18) placé à l'arrière du dispositif TCHM, comporte des anneaux (25 et 26), qui prolongent sa face avant, et qui sont liés à la face arrière de la dernière Turbine (3), pour constituer le dernier anneau structurel qui présente en partie périphérique (8) de sa face arrière, une couronne de « lumières » (34), en sortie du canal créé en zone périphérique par les conduits des aubes creuses (13) des rotors secondaires, qui débouchent dans un collecteur d'échappement du flux secondaire, il résulte de cette disposition que le flux du fluide secondaire (22) circule de la partie basse (6) vers la zone périphérique (8), en traversant les empilages de disques d'échanges thermiques (21) placés dans les anneaux structurels, en effet de bords (boundary effect) et qu'il est éjecté vers l'arrière du dispositif dans le sens contraire au flux moteur (2) qui pénètre en giration dans l'anneau des disques Turbines (5) .6) Dispositif selon la revendication 4 et la revendication 5, caractérisé en ce que au moins un des flancs de l'anneau structurel et sa paroi inférieure centrale (26) sont au contact direct du flux moteur (2) qui transfère la chaleur à travers les parois au fluide secondaire (22) circulant dans l'anneau entre les disques d'échanges thermiques (21), selon les règles et lois des transferts thermiques, en partie par rayonnement des parois de l'anneau structurel et en partie par convection forcée entre les disques (21), provoquant le changement d'état thermique du flux secondaire (22), qui circulant dans les aubes creuses « larges » (13 et 19), soumises elles aussi, au contact direct du flux moteur (2), subit un échange thermique complémentaire par convection forcée.7) Empilage coaxial de disques d'échanges thermiques selon la revendication 4, caractérisé en ce que les disques (21) sont tous semblables, qu'ils sont réalisés dans des matières adaptées aux températures et aux efforts à subir, qu'ils sont d'une épaisseur inférieure au 2/3 de la valeur de la hauteur de la couche limite du fluide secondaire qui circule entre les disques, et qu'ils sont tenus espacés entre eux par des bagues entretoises (25) enfilées dans les axes de fixation cylindriques (26) , dont l'épaisseur est telle, que l'espacement résultant permette que le fluide secondaire, qui circule (22) entre les disques, soit placé dans des conditions d'effet de bords ou « boundary effect » et qu'il frotte (23) constamment sur les parois.8) Empilage coaxial de disques d'échanges thermiques selon la revendication 7, caractérisé en que les bagues entretoises (25) qui règlent l'espacement entre les disques (21) sont dans une matière telle que au repos, refroidies, il existe un jeu axial entre les disques et les entretoises, et qu'en fonctionnement sous contrainte thermique et dynamique, du fait de la matière choisie, la somme des dilatations axiales des entretoises est supérieure à la dilation axiale de l'anneau-18structurel, entraînant ainsi un serrage fort qui bloque axialement et radialement tous les disques.9) Dispositif selon toutes les revendications précédentes, caractérisé en ce que la Turbine Centrifuge Hybride5 Mixte (TCHM), est portée par un arbre central (16) coaxial, qui est monté sur des roulements (15), ou des paliers fluides, ou des paliers air comprimé, ou tout autre dispositif permettant la rotation et la tenue aux efforts radiaux ou axiaux et aux vibrations, généralement à haute vitesse et souvent dans 10 des conditions d'environnement thermiques sévères, de telle sorte à ce que l'ensemble peut être monté en porte à faux ou à cheval sur l'arbre.1/32/33/3
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