FR3128244A1 - Turbine avec passage en supersonique dans le rotor - Google Patents

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Abstract

La présente invention concerne une turbine comprenant une partie stationnaire et un rotor, ladite partie stationnaire étant en amont du rotor dans le sens de l’écoulement d’un fluide traversant dans la turbine/ Le rotor comprend une pluralité d’aubes (10), la section minimale de passage de fluide entre les aubes du rotor constituant un col sonique. En outre, la section de chaque aube est délimitée par un extrados (3) et un intrados (4), l’extrados (3) et l’intrados (4) partant d’un même bord d’attaque (1) pour se rejoindre à un même bord de fuite (2’). L’intrados (4) ou l’extrados (3) comprend une première partie courbe (6) du bord d’attaque (1) à un point d’intersection (A) et une deuxième partie courbe (5) du point d’intersection (A) au bord de fuite (2’). De plus, la tangente de la première partie courbe (6) forme un angle non nul avec la tangente de la deuxième partie courbe (5). Figure 2 à publier

Description

Turbine avec passage en supersonique dans le rotor
L’invention se rapporte aux turbines supersoniques, plus particulièrement dans des applications pour lesquelles la température d’entrée du fluide dans la turbine est relativement basse, telle que des circuits à cycle de Rankine, des piles à combustible ou encore des moteurs à combustions internes, notamment à faible richesse.
Ainsi, l’invention se rapporte au domaine des turbomachines et de la récupération d’énergie.
Les turbines sont utilisées dans de nombreuses applications afin de transformer l’énergie du fluide en énergie mécanique rotative, qui peut elle-même être transformée en électricité par exemple.
Généralement, les turbines fonctionnent avec des vitesses de déplacement du fluide très nettement subsonique (en dessous de la vitesse du son, c’est-à-dire en dessous d’un nombre de Mach égal à 1). Toutefois, à ces vitesses de déplacement, il est nécessaire de faire tourner la turbine très vite. Cela a l’inconvénient de nécessiter des paliers et/ou roulements fonctionnant à l’huile ou avec des graisses pour éviter d’importants efforts de friction et des échauffements associés.
Par le passé, certaines turbines supersoniques ont été développées. La plupart de ces turbines ont un stator dans lequel l’écoulement devient supersonique : c’est le cas par exemple des demandes de brevet US2010/329856 et EP3812560. Pour ces turbines, le passage en supersonique a lieu dans le stator et par conséquent, le fluide entrant dans le rotor arrive à une vitesse supersonique (supérieure à la vitesse du son, c’est-à-dire supérieure à un nombre de Mach égal à 1). Il en résulte que ces turbines ont des pertes de charge importantes, ce qui induit une perte d’efficacité de la turbine.
On connaît aussi la demande de brevet US 3314647A qui concerne une turbine qui peut ou non avoir un stator et dont le passage en supersonique peut être réalisé dans le stator ou dans un étage du rotor. Toutefois, cette demande de brevet ne maîtrise pas les ondes de choc qui peuvent se produire, qui peuvent générer des vibrations néfastes sur le dimensionnement du rotor, et qui peuvent générer une vitesse de sortie subsonique.
Ainsi, le problème technique consiste à améliorer le contrôle des ondes de choc qui peuvent se produire dans le rotor afin d’améliorer les performances de la turbine.
Pour y répondre, l’invention concerne une turbine comprenant une partie stationnaire et un rotor, la partie stationnaire étant en amont du rotor dans le sens de l’écoulement d’un fluide apte à traverser la turbine (autrement la turbine est configurée pour qu’un fluide la traversant traverse d’abord la partie stationnaire puis le rotor). Le rotor est apte à tourner autour d’un axe de rotation et comprend une pluralité d’aubes s’étendant dans une direction sensiblement radiale par rapport à l’axe de rotation du rotor. La section minimale de passage de fluide entre les aubes du rotor constitue un col sonique pour des conditions de fonctionnement déterminées de la turbine. En outre, la section de chaque aube est délimitée par un extrados et un intrados, l’extrados et l’intrados partant d’un même bord d’attaque pour se rejoindre à un même bord de fuite. L’intrados et/ou l’extrados comprend une première partie courbe du bord d’attaque à un point d’intersection et une deuxième partie courbe du point d’intersection au bord de fuite. De plus, la tangente (à l’intrados et/ou à l’extrados) de la première partie courbe forme un angle non nul (compris entre 1° et 179°) avec la tangente (à l’intrados et/ou à l’extrados) de la deuxième partie courbe.
L’invention concerne une turbine comprenant une partie stationnaire et un rotor, ladite partie stationnaire étant en amont du rotor dans le sens de l’écoulement d’un fluide dans la turbine, le rotor étant apte à tourner autour d’un axe de rotation et comprenant une pluralité d’aubes s’étendant dans une direction sensiblement radiale par rapport à l’axe de rotation du rotor, la section minimale de passage de fluide entre les aubes du rotor constituant un col sonique pour des conditions de fonctionnement déterminées de la turbine, les aubes étant configurées pour que la pression totale en entrée des aubes soit toujours supérieure à la pression statique à la sortie des aubes de manière à générer un écoulement et les aubes étant configurées pour que le rapport entre la pression totale en entrée et la pression statique en sortie soit supérieure ou égale au rapport entre la pression totale p0 au col et la pression statique p* au col, la section de chaque aube étant délimitée par un extrados et un intrados, l’extrados et l’intrados de la section de chaque aube partant d’un bord d’attaque vers un bord de fuite, l’un de l’intrados et de l’extrados comprenant une première partie courbe du bord d’attaque à un point d’intersection et une deuxième partie courbe dudit point d’intersection au bord de fuite. De plus, la tangente (à l’intrados ou à l’extrados) de la première partie courbe forme un angle non nul avec la tangente (à l’intrados ou à lextrados) de la deuxième partie courbe.
De préférence, la deuxième partie courbe est un premier segment de droite.
Selon une variante de l’invention, le premier segment de droite est incliné par rapport au plan orthogonal à la vitesse de déplacement du fluide au niveau du bord de fuite d’un angle d’inclinaison compris entre 2 et 80°, de préférence entre 2 et 30° et de manière encore préférée entre 5 et 15°.
Avantageusement, l’autre de l’intrados et de l’extrados comprend une première portion courbe du bord d’attaque à un point de croisement et une deuxième portion courbe dudit point de croisement au bord de fuite, caractérisé en ce que la tangente de la première portion courbe forme un angle non nul avec la tangente de la deuxième portion courbe.
Préférentiellement, la deuxième portion courbe est un second segment de droite.
De manière préférée, le second segment de droite est incliné par rapport au plan orthogonal à la vitesse de déplacement du fluide au niveau du bord de fuite d’un angle d’inclinaison compris entre 2 et 80°, de préférence entre 2 et 30° et de manière encore préférée entre 5 et 15°.
Selon une configuration de l’invention, la partie stationnaire comprend un stator et/ou une volute, de préférence la partie stationnaire étant configurée pour fonctionner exclusivement en écoulement subsonique.
De manière avantageuse, les conditions de fonctionnement déterminées comprennent le débit massique du fluide en entrée de la turbine, la pression totale en entrée de la turbine, la température totale en entrée de la turbine, la pression statique en sortie de la turbine et de préférence la température totale en entrée de la turbine et/ou la température totale à la sortie de la turbine.
Selon un mode de réalisation de l’invention, le rotor comprend un cerclage constitué d’un anneau reliant les extrémités radiales des aubes.
Selon une mise en œuvre de l’invention, les aubes sont orientées selon un angle de déflection par rapport à la direction dudit fluide au niveau du bord d’attaque de manière à générer un changement de la direction de l’écoulement du fluide par les aubes, l’angle de déflection étant compris de préférence entre 5° et 70° et de manière encore préférée entre 5° et 50°.
Avantageusement, la section du rotor à la sortie du rotor est réduite par rapport à la section du rotor juste après les aubes.
L’invention concerne aussi une pile à combustible comprenant une turbine telle que décrite précédemment, la turbine étant de préférence positionnée sur une ligne en sortie de de la pile à combustible, la ligne de sortie étant configurée pour produire de la vapeur d’eau.
L’invention concerne également un circuit à cycle de Rankine comprenant une turbine telle que décrite précédemment, de préférence, le circuit comprenant un compresseur, un évaporateur, la turbine puis un condenseur.
En outre, l’invention concerne aussi un moteur à combustion interne notamment un moteur à combustion interne fonctionnant avec un richesse inférieure à 0,8, de préférence inférieure à 0,4, comprenant une turbine telle que décrite précédemment au niveau de la sortie des gaz d’échappement du moteur à combustion interne, de préférence la turbine étant celle d’un turbocompresseur.
Liste des figures
D'autres caractéristiques et avantages du dispositif selon l'invention, apparaîtront à la lecture de la description ci-après d'exemples non limitatifs de réalisations, en se référant aux figures annexées et décrites ci-après.
[Fig 1]
La représente une section d’une aube de rotor selon l’art antérieur.
[Fig 2]
La illustre un premier mode de réalisation d’une section d’une aube de rotor selon l’invention.
[Fig 3]
La illustre un deuxième mode de réalisation d’une section d’une aube de rotor selon l’invention.
[Fig 4]
La illustre un troisième mode de réalisation d’une section d’une aube de rotor selon l’invention.
[Fig 5]
La illustre une turbine avec un stator et un rotor selon l’invention.
[Fig 6]
La illustre l’impact sur l’écoulement du fluide autour un premier exemple de rotor selon l’invention.
[Fig 7]
La illustre l’impact sur l’écoulement du fluide autour un deuxième exemple de rotor selon l’invention.
[Fig 8]
La illustre un rotor selon l’invention.
[Fig 9]
La illustre un rotor avec cerclage extérieur selon l’invention.
[Fig 10]
La illustre une comparaison de l’écoulement autour des aubes selon le deuxième mode de réalisation de l’invention, d’aubes selon le cinquième mode de réalisation selon l’invention et d’aubes selon le premier mode de réalisation selon l’invention.
[Fig 11]
La illustre un quatrième mode de réalisation d’une section d’une aube de rotor selon l’invention.
[Fig 12]
La illustre un cinquième mode de réalisation d’une section d’une aube de rotor selon l’invention.
[Fig 13]
La illustre un circuit à cycle de Rankine avec une turbine selon l’invention.
[Fig 14]
La illustre un moteur à combustion interne avec une turbine selon l’invention.
[Fig 15]
La illustre une pile à combustible avec une turbine selon l’invention.
[Fig 16]
La illustre les vecteurs vitesses à l’entrée et à la sortie du rotor selon l’invention.

Claims (14)

  1. Turbine comprenant une partie stationnaire (14) et un rotor (13), ladite partie stationnaire (14) étant en amont du rotor (13) dans le sens de l’écoulement d’un fluide dans la turbine, le rotor (13) étant apte à tourner autour d’un axe de rotation et comprenant une pluralité d’aubes (12) s’étendant dans une direction sensiblement radiale par rapport à l’axe de rotation du rotor (13), la section minimale de passage de fluide (Smin) entre les aubes du rotor constituant un col sonique pour des conditions de fonctionnement déterminées de la turbine, les aubes (12) étant configurées pour que la pression totale en entrée des aubes soit toujours supérieure à la pression statique à la sortie des aubes de manière à générer un écoulement, et les aubes étant configurées pour que le rapport entre la pression totale en entrée et la pression statique en sortie soit supérieure ou égale au rapport entre la pression totale au col et la pression statique au col, la section de chaque aube (12) étant délimitée par un extrados (3) et un intrados (4), l’extrados (3) et l’intrados (4) de la section de chaque aube (12) partant d’un bord d’attaque (1) vers un bord de fuite (2’,2’’,2’’’), l’un de l’intrados (4) et de l’extrados comprenant une première partie courbe (6) du bord d’attaque (1) à un point d’intersection (A) et une deuxième partie (5) courbe dudit point d’intersection (A) au bord de fuite (2’,2’’,2’’’), caractérisée en ce que la tangente de la première partie courbe (6) forme un angle non nul avec la tangente de la deuxième partie courbe (5).
  2. Turbine selon la revendication 1, pour laquelle la deuxième partie courbe (5) est un premier segment de droite.
  3. Turbine selon la revendication 2, pour laquelle, le premier segment de droite est incliné par rapport au plan orthogonal à la vitesse de déplacement du fluide au niveau du bord de fuite (2’,2’’,2’’’) d’un angle d’inclinaison compris entre 2 et 80°, de préférence entre 2 et 30° et de manière encore préférée entre 5 et 15°.
  4. Turbine selon l’une des revendications précédentes, pour lequel l’autre de l’intrados et de l’extrados comprend une première portion courbe (26) du bord d’attaque (1) à un point de croisement (25) et une deuxième portion courbe (27) dudit point de croisement (25) au bord de fuite (2’, 2’’,2’’’), caractérisé en ce que la tangente de la première portion courbe (26) forme un angle non nul avec la tangente de la deuxième portion courbe (27).
  5. Turbine selon la revendication 4, pour laquelle la deuxième portion courbe (27) est un second segment de droite.
  6. Turbine selon la revendication 5, pour laquelle le second segment de droite est incliné par rapport au plan orthogonal à la vitesse de déplacement du fluide au niveau du bord de fuite (2’,2’’,2’’’) d’un angle d’inclinaison compris entre 2 et 80°, de préférence entre 2 et 30° et de manière encore préférée entre 5 et 15°.
  7. Turbine selon l’une des revendications précédentes, pour laquelle la partie stationnaire (14) comprend un stator et/ou une volute, de préférence la partie stationnaire (14) étant configurée pour fonctionner exclusivement en écoulement subsonique.
  8. Turbine selon l’une des revendications précédentes, pour laquelle les conditions de fonctionnement déterminées comprennent le débit massique du fluide en entrée de la turbine, la pression totale en entrée de la turbine, la température totale en entrée de la turbine, la pression statique en sortie de la turbine et de préférence la température totale en entrée de la turbine et/ou la température totale à la sortie de la turbine.
  9. Turbine selon l’une des revendications précédentes, pour laquelle le rotor (13) comprend un cerclage (17) constitué d’un anneau reliant les extrémités radiales des aubes (12).
  10. Turbine selon l’une des revendications précédentes, pour laquelle les aubes (12) sont orientées selon un angle de déflection par rapport à la direction dudit fluide au niveau du bord d’attaque (1) de manière à générer un changement de la direction de l’écoulement du fluide par les aubes, l’angle de déflection étant compris de préférence entre 5° et 70° et de manière encore préférée entre 5° et 50°.
  11. Turbine selon l’une des revendications précédentes, pour laquelle la section du rotor à la sortie du rotor (13) est réduite par rapport à la section du rotor (13) juste après les aubes (12).
  12. Pile à combustible comprenant une turbine selon l’une des revendications précédentes, la turbine étant de préférence positionnée sur une ligne en sortie de de la pile à combustible, la ligne de sortie étant configurée pour produire de la vapeur d’eau.
  13. Circuit à cycle de Rankine comprenant une turbine selon l’une des revendications 1 à 11, de préférence, le circuit comprenant un compresseur, un évaporateur, la turbine puis un condenseur.
  14. Moteur à combustion interne, notamment un moteur à combustion interne fonctionnant avec un richesse inférieure à 0,8, de préférence inférieure à 0,4, comprenant une turbine selon l’une des revendications 1 à 11 au niveau de la sortie des gaz d’échappement du moteur à combustion interne, de préférence la turbine (210) étant celle d’un turbocompresseur.
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