WO1993007361A1 - Procede d'entrainement en rotation d'une turbine par un dispositif ejecteur - Google Patents

Procede d'entrainement en rotation d'une turbine par un dispositif ejecteur Download PDF

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WO1993007361A1
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turbine
fluid
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primary
supply channel
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PCT/FR1992/000957
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Michèle MARTINEZ
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Martinez Michele
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01D—NON-POSITIVE DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, e.g. STEAM TURBINES
    • F01D1/00—Non-positive-displacement machines or engines, e.g. steam turbines
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    • F01D15/00—Adaptations of machines or engines for special use; Combinations of engines with devices driven thereby
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    • Y10S—TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y10S415/00—Rotary kinetic fluid motors or pumps
    • Y10S415/904—Tool drive turbine, e.g. dental drill

Definitions

  • the present invention relates to a method of driving a turbine in rotation and to a corresponding turbine device.
  • Turbines have been known for a long time and are essentially constituted by a hub carrying blades, driven in rotation by a fluid (gas, liquid) passing through it.
  • driving a turbine with a fluid makes it possible to transfer the energy of the fluid to the axis of rotation of the turbine.
  • the rotation of this axis is used to drive an alternator to produce electric current, or to drive various tools (drilling, sawing, etc.).
  • the object of the present invention is to overcome all of these drawbacks and in particular to create a turbine whose nominal operating point is not associated with a transonic flow speed, in order to avoid all the problems linked to the disturbances induced by such flow.
  • an operating point is characterized by a value torque (rotation speed, power) or (rotation speed, torque).
  • torque rotation speed, power
  • rotation speed, torque rotation speed, torque
  • a nominal operating point is an operating point corresponding to a maximum power.
  • the operating point corresponding to maximum torque will be called the operating point at nominal torque.
  • One of the aims of the invention is to obtain powers comparable to those obtained on conventional turbines, but with flow velocities compatible with flows that are undisturbed or little disturbed.
  • the present invention relates to a method for driving a turbine in rotation, said turbine being connected to an upstream fluid supply channel and to a downstream ejection channel, said method being characterized in that it consists of :
  • the method according to the invention is a method of driving a turbine in rotation at a variable speed of rotation and further consists in: - continuously measuring a quantity representative of the actual speed of rotation of the turbine ,
  • the Venturi effect transforms the energy of the primary fluid injected by a nozzle with low mass flow and high speed and pressure, into the energy of a fluid (resulting from the mixing of said primary fluid with the secondary fluid sucked in by Venturi effect) characterized by a high mass flow and a low flow speed.
  • - fie is the angle of attack of the turbine blades
  • - ⁇ s is the angle of the trailing edge of the turbine blades
  • - We is the modulus of the relative speed (turning mark with the turbine) of fluid entering the turbine
  • - Ws is the modulus of the relative speed of fluid leaving the turbine.
  • a torque (C) and therefore a force (F) are sought.
  • This force F is obtained by producing a high mass flow Dmm equal to the sum of the mass flows dmp + Dms, while having fluid flow speeds We and Ws sufficiently low to be compatible with a flow that is little disturbed.
  • the method according to the invention makes it possible, by acting continuously on the pressure and / or the speed of the primary fluid and / or on any other dimensional or functional parameter of the turbine device, to be able to adapt the nominal operating point of the device at setpoint operating point.
  • the actual speed is measured continuously and then compared to a set speed.
  • This setpoint speed is determined for a given application. For example, if the turbine drives a milling tool, this speed can be 36,000 rpm.
  • one or more dimensional parameters are continuously modified or so that the measured speed is equal to the set speed.
  • the inlet sections of the secondary fluid, injection of the primary fluid and outlet of the fluid ejection channel are continuously modified so as to equal, as much as possible, the set operating point and the nominal operating point.
  • the injection of the primary fluid in addition to the pressure variation of the primary fluid, can be done according to a helical trajectory inducing self-limitation and self-adaptation of the operating regime of the turbine. Such an injection mode is said to be helical.
  • the injection of the primary fluid takes place in zones close to the walls of said supply channel.
  • Such an injection mode is said to be parietal.
  • the present invention also relates to a turbine device implementing the method described above, said device comprising, inside a body having generally a symmetry of revolution, an upstream fluid supply channel, a turbine and a downstream fluid ejection channel, said device being characterized in that it further comprises:
  • control and regulation means comprising:
  • - processing means adapted to compare the measured rotational speed, with a set rotational speed
  • - actuators adapted to regulate functional and / or dimensional parameters of the flow to make the measured value of the rotational speed coincide with the set value of this speed
  • the device according to the invention is provided with actuators adapted to vary the intake section of the primary and secondary fluids, as well as the section of the ejection channel. It is thus possible to modify the nominal operating point of the turbine at will and to adapt it continuously to the set operating point.
  • FIG. 1 is a schematic view illustrating the operating method of the device according to the invention
  • FIG. 2 is a view in longitudinal section of a turbine device according to the present invention
  • FIGS. 3 and 4 are views respectively in longitudinal section and from above of a first alternative embodiment of a device according to the invention
  • FIG. 5 is a view in longitudinal section of a second alternative embodiment of the device according to the invention.
  • FIG. 6 is a view in longitudinal section of a third alternative embodiment of the device according to the invention.
  • FIG. 7 is an enlargement of the detail referenced E in FIG. 6 and,
  • FIG. 8 is a schematic perspective view showing a blade mounted on a hub, and intended to form a turbine which can be used for the device according to the invention.
  • the aim of the present invention is to drive a turbine in rotation, with a relatively low speed of rotation ⁇ , of the order of 0 to 60,000 rpm, but with a high torque C.
  • the product C. ⁇ which gives the power P of the turbine remains high, without however the speed of rotation ⁇ being.
  • the method for driving the turbine in rotation according to the invention is described below.
  • the turbine being placed between an upstream fluid supply channel and a downstream ejection channel, the method according to the invention consists in:
  • the mixture thus obtained has a speed Vm and a pressure Pm higher than those of the secondary fluid, and lower than those of the primary fluid.
  • the mass flow Dmm of this fluid mixture is equal to the sum of the mass flows dmp + Dms of the primary and secondary fluids, - direct the mixture of fluids towards the turbine,
  • this method makes it possible to drive a turbine in rotation according to a variable setpoint parameter and also consists in:
  • This measured rotation speed is a function, among other things, of the dimensional and functional parameters of the flow, - continuously modify one or more parameters of the flow to adapt the nominal operating point of the turbine to the set operating point.
  • a modification is made to the dimensional parameters of the turbine device (variation of the inlet section of the secondary fluid, of the section of injection of the primary fluid and of the section of ejection of the ejection channel).
  • the nominal operating point of the turbine is modified and the actual rotation speed is continuously regulated so that it corresponds to the set rotation speed.
  • the device 10 essentially comprises (FIG. 2): - an upstream fluid supply channel 11,
  • Control and regulation means 50 ( Figure 1). These means 50 consist of:
  • - regulation means 52 comprising:. processing means 21, and
  • the injection means 14 (FIG. 1) of primary fluid Fp in the supply channel 11 is placed at the upstream part 11a of the supply channel 11.
  • This means 14 includes a nozzle 15.
  • a secondary fluid Fs is sucked into the upstream supply channel by the depression created by the injection of the primary fluid. Once in the upstream supply channel, these two fluids mix in the downstream part 11b of the supply channel 11. The length of this supply channel partly conditions the characteristics of the mixture of the fluids.
  • a converging channel 16 is placed upstream of the turbine 12 and is intended to accelerate the mixing of fluids.
  • a deflector means 17, said upstream distributor, constituted by a fixed turbine wheel is placed upstream of the turbine 12, in order to direct the mixture of fluids optimally on the blades 18 of the turbine 12.
  • the turbine 12 is thus driven in rotation.
  • the mixture of fluids is then ejected through the ejection channel 13 outside the turbine device.
  • the purpose of such a channel is to adapt in particular the pressure of the fluid leaving the turbine to that of the fluid present around the ejection section.
  • the rotation of the turbine is used for any application, for example for driving tools, etc. as will be detailed with reference to FIG. 3.
  • the turbine device is also associated with control and regulation means 50.
  • These means 50 comprise:
  • These measurement means consist of two piezoelectric sensors (only one is shown in Figure 1) measuring the static pressures upstream and downstream of the turbine in undisturbed flow zones. The purpose of these two sensors is to multiply the measurement points, in order to compare their value and activate if necessary a stop valve 22 installed on the primary fluid supply pipe. These means must be reliable and give repetitive and significant measures,
  • Processing means 21 adapted to define the instantaneous speed of rotation of the turbine (measured speed), and compare this measured speed of rotation to a set speed of rotation. If the measured and target speeds differ, the processing means sends a command order,
  • Actuators 51 constituted here by a pressure regulator receiving the command to control the treatment means and adapted to modify the injection pressure of the primary fluid and make the measured and set rotation speeds equal, and
  • a safety shut-off valve 22 placed upstream of the primary fluid injection device in order to stop the operation of the device if necessary. This stop valve is also controlled by the processing means 21.
  • the device according to the invention is continuously regulated by the control and regulation assembly 50.
  • the converging channel 16 can be integrated into the upstream distributor 17.
  • the injection means 14 can take different forms.
  • Figures 3 and 4 show a first variant of the device according to the invention.
  • the injection means 114 consist of two pipes 130 opening into the side wall of the upstream supply channel 111.
  • these pipes are inclined at an angle ⁇ (FIG. 3) determined relative to the axis A of the device, and an angle ⁇ (FIG. 4) between the axis of the pipe 130 and a diametrical plane F passing through the axis of the turbine and the center of the injection section at the wall of the channel 111.
  • the primary fluid Fp entrains the secondary fluid Fs in a helical path (helical injection) along the walls (parietal injection) of the upstream supply channel 111.
  • This type of injection is called parieto-helical injection.
  • This injection mode has the advantage of being self-adapting.
  • the mass flow Dms of the secondary fluid increases.
  • the speed of the secondary fluid in the injection plane of the primary fluid in the supply channel has a module which increases and a direction which tends to approach the axis of the turbine.
  • the flow of the mixture has a general incidence which decreases in the inlet plane of the turbine. Therefore, the available power tends to decrease if the increase in secondary mass flow is not taken into account and vice versa if the speed of rotation of the turbine decreases.
  • the speed of rotation corresponding to such a power peak is 12,000 rpm for a turbine with a diameter of 30 mm and a supply of primary fluid of the parieto helical type with three equally distributed inlet channels. along the circumference of the inlet channel (the angles ⁇ and ⁇ of inclination of the inlet pipes being 45 °).
  • the number of pipes 130 for injecting primary fluid may vary.
  • the ejection channel 113 has an axial direction. It will also be noted that with such an injection mode (helical parieto), it is not necessary to place a deflector device upstream of the turbine 112. According to an alternative embodiment (not shown) (the angle ⁇ fixing the initial slope of the injection propeller, the angle ⁇ defining the nominal diameter of the injection of this propeller), we continuously vary: - the angle ⁇ , which aims to vary the speed nominal nominal operating point and / or
  • the axis of rotation of the turbine can be directly constituted by a mandrel rod 160 of a tool 180.
  • the transmission of the engine force from a turbine to a tool poses technical implementation problems such as: - forces proportional to the inertia of the transmission members and to the square of the speed of rotation and
  • the turbine 112 is force-fitted onto the rear part 160 (mandrel rod) of the cylindrical tool 180, which can be a cutter.
  • the tool may have, for this purpose, at its mandrel rod, a set of small rectilinear edges oriented along the axis of rotation of said tool.
  • the tool can be associated with an intermediate fixing part (not shown).
  • the suspension bearing of the tool-turbine assembly is constituted by the bearings 183 and 184.
  • the bearing 183 abuts on the hub of the turbine.
  • a spacer 185 mounted just sliding on said tool, maintains the spacing with the bearing 184 so as to ensure the necessary functional clearance along the axis of rotation at the level of the bearing body 186.
  • a ring 187 made of a material whose coefficient of thermal expansion is lower than that of the material constituting said tool is mounted tight on said tool and comes to immobilize in translation (along the axis of rotation of the tool) the bearings 183 and 184 and 1 * spacer 185.
  • the assembly thus produced consists of a small number of simple parts, inexpensive and of low inertia around the axis of rotation.
  • the mode of injection of the primary fluid is still different.
  • the injection means 214 here consists of four conduits 230 (three are shown) opening out inside the supply channel 211, so that the primary fluid Fp is injected parallel to the axis A of the device and the along the walls. Such an injection mode is said to be parietal. As in the example in Figure 2, the primary fluid drives the secondary fluid to the turbine.
  • the number of pipes 230 for introducing the primary fluid may vary and that, preferably, the plurality of pipes is distributed along the circumference of the supply channel 211.
  • each pipe 230 can pivot around its horizontal axis, to generate a flow that is no longer axial but helical.
  • a helical-parietal flow is obtained with the advantages cited with reference to FIGS. 3 and 4, and associated with an upstream distributor 217.
  • Figures 6 and 7 show a third alternative embodiment of the turbine device according to the invention. As before, the references of FIG. 2 are repeated increased by three units of a hundred for the equivalent means represented in FIGS. 2 and 6.
  • the device 310 according to FIG. 6 has the particularity of having:
  • the secondary fluid is introduced into the supply channel by an inlet device
  • the input device is screwed and unscrewed on the body of the supply channel 311 by means of a thread 352.
  • This screwing (or unscrewing) is controlled by a means of modification of the input section, to namely the actuator 353.
  • This actuator 353 is itself controlled by the processing means 321. As shown in arrow B, the action of this actuator 353 makes it possible to vary the inlet section of the secondary fluid.
  • an actuator 354 for varying the ejection section of the device allows the screwing or unscrewing of an output device 356 via a thread 357. As shown by arrow C, the action of this actuator 354 makes it possible to vary the ejection section.
  • the actuator 354 is controlled by the processing means 321.
  • An actuator 355 making it possible to vary the injection section of the primary fluid in the supply channel 311 is also provided.
  • the primary fluid Fp is introduced into the supply channel 311 passing through a minimum section 358 called the neck section of the flow, this section varying through the actuator 355.
  • This neck is created (FIG. 7), on the one hand, by an annular bulge 359 of the wall of the supply channel 311 and, on the other hand, by a displaceable element 360 placed in the upstream part 311a of the channel. brought 311 and opposite the annular bulge 359.
  • the introduction of the primary fluid Fp into the supply channel 311 takes place parallel to the longitudinal axis A of the device. This injection is carried out around the entire circumference of the inlet channel and near the walls. This injection is called parieto-annular injection.
  • the respective shapes of the body 370 of the supply channel 311 and of the displaceable element 360 which faces it constitute an annular diverging convergent nozzle.
  • Said annular diverging convergent nozzle, supplied with primary fluid by an annular section 371, therefore has a neck 358 and an outlet section 372 whose respective surfaces can vary when the actuator 355 drives the element 360 in translation.
  • the primary fluid undergoes subsonic acceleration until reaching the sonic speed at said neck 358.
  • the primary fluid undergoes supersonic acceleration.
  • the primary fluid supply pressure must be sufficient so that, taking into account the value of the surface of the injection section 372, the ejection of said primary fluid into the supply channel is supersonic and at a static pressure higher than that of said secondary fluid in section 373 of element 360. Indeed, it then creates on the outlet lips 374 of element 360 an expansion beam and a turbulent wake capable of promoting the exchange of energy between said primary and secondary fluids.
  • the parietal injection following a convergent / diverging annular nozzle makes it possible, on the one hand, to increase the energy exchange surface between said primary and secondary fluids and, on the other hand, to obtain in the plane d input 375 (FIG. 6) of said distributor 317 has an optimum speed profile characterized in that the local average speed is all the more important as it is located near the head of the blades 318 of said distributor 317.
  • Such a dimensional and functional arrangement of a convergent / divergent nozzle at the level of the injection of the primary fluid can be generalized to all the injections of primary fluid, whatever the variant considered.
  • Such a device makes it possible, by acting on the dimensions of the primary and secondary fluid intake channels and on the dimension of the ejection channel, to vary the nominal operating point of the turbine.
  • actuators 353, 354, 355 are controlled by the processing means 321.
  • Another variant of the ejection device consists in producing a channel ejection channel leading the fluid from the outlet plane of the turbine. towards the level of the secondary fluid intake and thus allowing part of the ejected fluid to be recycled into the device.
  • the leading edge of a blade is the portion of the curve located at the upstream end of said blade and which receives the flow.
  • the trailing edge of a blade is the portion of the curve located at the downstream end of said blade and which sees the flow escape.
  • a blade consists of a so-called pressure surface and a so-called surface surface; these two surfaces intersect along the trailing edge and leading edge lines.
  • a profile of a vane is the closed curve resulting from the intersection of the intrado and extrado surfaces with a cylindrical surface having as its axis that of the hub carrying the vane.
  • chord of a profile is the line segment joining on a blade profile the points of the trailing edge and the leading edge.
  • a leading edge angle is the angle made by a straight line tangent to the profile at the point of the leading edge with the direction of the axis of said hub.
  • a trailing edge angle is the angle made by a straight line tangent to the profile at the point of the trailing edge with the direction of the hub axis.
  • the thickness of a profile at a given point on the lower surface is the length of the line segment delimited by said point on the lower surface and the point of the upper surface defined by the intersection of the upper surface with a straight line perpendicular to the lower surface at this point of the lower surface.
  • the foot of a blade is the part of the blade adjoining the hub.
  • the head of a blade is the part of the blade furthest from the hub.
  • the blades are described with reference to FIG. 2, but could just as easily be used with the variants shown in FIGS. 3 to 6.
  • the turbine 12 (FIG. 8) is constituted by a cylindrical hub on which blades 18 which are circularly distributed are disposed radially. These blades are identical for the same turbine.
  • the leading edge angles are constant along the leading edge for all the blades of the same turbine, the same for the trailing edge angles.
  • the profile chord is constant for all the profiles of all the blades of the same turbine.
  • the thickness of a profile is constant, except in the immediate vicinity of the trailing edge and the leading edge.
  • the thickness of the profiles of a blade increases from head to foot of the blade in order to take into account the increasing mechanical stresses from head to foot of the blade.
  • the blades have a constant chord, a constant thickness along a cylindrical section having as axis that of said turbine, constant leading edge angles, constant trailing edge angles, curved surfaces of intrado and upper surface generated by a conical surface whose apex is the point of intersection of the axis of said turbine with the planes, perpendicular to the axis of said turbine, of inlet for the upstream part and outlet for the downstream part, and the apex angle of which is a function of the leading edge angle for the upstream part and the trailing edge angle for the downstream part.
  • Such blades are simple to produce (machining, molding, etc.) and inexpensive.
  • such blades have the advantage, when the speed of the turbine increases, of also increasing the speed of the flow in the inter-blade channel. From a certain value of said flow speed, expansion and recompression significantly degrade the flow in the inter-vane channel. This results in a phenomenon of self-limitation of the free speed.
  • One of the advantages of the present invention is its lightness, its silent operation, its reliability.
  • simple, inexpensive transmissions on the market can be easily adapted to such a turbine, for driving tools between 0 and 60,000 rpm.
  • the present invention is not limited to the embodiments chosen and encompasses any variant within the reach of ordinary skill in the art.
  • the nominal power level of the device then does not vary significantly; on the other hand the mass flow injected decreases appreciably, this phenomenon characterizing the introduction of a second source of energy materialized by the depression at the outlet of the ejection channel, to the detriment of the source of energy defined by the primary fluid under pressure ; however, the precision of the control of the speed of rotation of the turbine by action on the pressure Pp of injection of the primary fluid decreases.

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Abstract

Procédé permettant l'utilisation d'une turbine à des vitesses et des puissances variables. Un injecteur (14) à effet Venturi est placé en amont d'une turbine (12) et transforme une commande de pression en une commande de débit masse d'un fluide mélangé. Des capteurs (19) et un moyen de régulation (50) permettent à adapter la vitesse de la turbine (12) à une vitesse de consigne.

Description

PROCEDE D'ENTRAINEMENT EN ROTATION D'UNE TURBINE PAR UN DISPOSITIF EJECTEUR
La présente invention concerne un procédé 5 d'entraînement en rotation d'une turbine et un dispositif à turbine correspondant.
Les turbines sont connues de longue date et sont essentiellement constituées par un moyeu portant des aubes, entraîné en rotation par un fluide (gaz, liquide) le 10 traversant.
De manière connue, l'entraînement d'une turbine par un fluide permet de transférer l'énergie du fluide à l'axe de rotation de la turbine. Par exemple, la rotation de cet axe sert à entraîner un alternateur pour 15 produire du courant électrique, ou entraîner divers outils (perçage, sciage...).
A ce jour, les problèmes des dispositifs connus résident dans des vitesses d'écoulement élevées nécessaires à l'obtention de puissances les plus élevées 20 possibles. Cependant, ces vitesses d'écoulement élevées conduisent à de fortes perturbations ; par exemple lorsque le fluide est un gaz, il y a création :
- d'ondes de choc,
- de faisceaux de détente ou de compression 25 apparaissant sur les divers composants du dispositif.
Les conséquences de telles perturbations sont entre autres que :
- les composants de ces dispositifs doivent présenter des formes particulières, précises, optimum (ce
30 qui implique un domaine d'utilisation limité, voire très limité) ,
- lesdits composants doivent résister mécaniquement aux efforts induits par les phénomènes
/ vibratoires accompagnant ces perturbations,
35 - lesdites perturbations engendrent des phénomènes acoustiques souvent très violents.
Un autre aspect limitant l'emploi des dispositifs à turbine antérieurs réside dans les vitesses de rotation élevées, voire très élevées, de ces dispositifs.
La présente invention a pour but de pallier 1'ensemble de ces inconvénients et notamment de créer une turbine dont le point de fonctionnement nominal ne soit pas associé à une vitesse d'écoulement transonique, afin d'éviter tous les problèmes liés aux perturbations induites par un tel écoulement.
On rappellera qu'un point de fonctionnement est caractérisé par un couple de valeur (vitesse de rotation, puissance) ou (vitesse de rotation, couple). Dans la présente description, on appellera point de fonctionnement nominal un point de fonctionnement correspondant à une puissance maximale. On appellera point de fonctionnement à couple nominal le point de fonctionnement correspondant à un couple maximum.
Un des buts de l'invention est d'obtenir des puissances comparables à celles obtenues sur des turbines classiques, mais avec des vitesses d'écoulement compatibles avec des écoulements non ou peu perturbés.
A cet effet, la présente invention concerne un procédé d'entraînement en rotation d'une turbine, ladite turbine étant reliée à un canal amont d'amenée de fluide et à un canal aval d'éjection, ledit procédé étant caractérisé en ce qu'il consiste à :
- injecter un fluide primaire dans le canal d'amenée de fluide, ledit fluide primaire présentant une pression Pp, une vitesse Vp et un débit-masse dmp déterminés, - admettre simultanément un fluide secondaire dans le canal d'amenée de fluide, ce fluide présentant une pression ps et une vitesse vs inférieures à celles du fluide primaire, et un débit masse Dms,
- mélanger les fluides primaire et secondaire dans le canal d'amenée et diriger le mélange des fluides vers la turbine, ce mélange présentant un débit- masse égal à la somme des débits-masses des fluides primaire et secondaire (dmp + Dms), - entraîner en rotation la turbine par le passage du mélange de fluide sur des aubes de cette turbine et,
- éjecter le mélange de fluide au moyen du canal d'éjection de fluide.
Avantageusement, le procédé selon l'invention est un procédé d'entraînement en rotation d'une turbine à une vitesse de rotation de consigne variable et consiste en outre à : - mesurer en continu une grandeur représentative de la vitesse de rotation réelle de la turbine,
- comparer cette vitesse de rotation réelle avec la vitesse de rotation de consigne, - modifier en continu un ou plusieurs paramètres de l'écoulement pour que le point de fonctionnement nominal de la turbine corresponde au point de fonctionnement de consigne.
Ainsi, le fait d'injecter un fluide primaire à pression et vitesse plus élevées que le fluide secondaire entraîne celui-ci vers la turbine. Cet effet est connu sous le nom d'effet Venturi ou effet de trompe. Cependant, cet effet est utilisé dans la présente invention en tant que transformateur d'énergie et démultiplicateur de vitesse. En effet, l'effet Venturi, dans le cas présent, transforme l'énergie du fluide primaire injecté par un ajutage à faible débit masse et forte vitesse et pression, en l'énergie d'un fluide (résultant du mélange dudit fluide primaire avec le fluide secondaire aspiré par effet Venturi) caractérisé par un fort débit masse et une faible vitesse d'écoulement.
Or, de manière connue, la puissance disponible sur l'axe de rotation de la turbine est : P = C . ω . où C est le couple délivré et ω la vitesse de rotation de la turbine. Le couple s'exprime par : C = F.d où F est la force radiale globale résultant de l'écoulement du fluide dans des canaux inter-aube de la turbine, et où d est la distance du point d'application de cette force à l'axe de la turbine.
De plus, si l'on se place dans le cas d'un écoulement gazeux, en première approximation, la force F s'exprime par la formule suivante : F = Dmm ( e sin (Be) - s sin (fis)) où :
- Dmm est le débit masse du fluide traversant la turbine (c'est-à-dire du mélange de fluide),
- fie est l'angle d'attaque des aubes de la turbine, — βs est l'angle de bord de fuite des aubes de la turbine,
- We est le module de la vitesse relative (repère tournant avec la turbine) d'entrée du fluide dans la turbine, - Ws est le module de la vitesse relative de sortie du fluide dans la turbine.
Pour un point de fonctionnement nominal donné, donc caractérisé par une puissance et une vitesse de rotation ( /) données, on cherche un couple (C) et donc une force (F). Cette force F est obtenue en réalisant un fort débit masse Dmm égal à la somme des débits masses dmp + Dms, tout en ayant des vitesses d'écoulement de fluide We et Ws suffisamment faibles pour être compatibles avec un écoulement peu perturbé. En outre, le procédé selon l'invention permet, en agissant en continu sur la pression et/ou la vitesse du fluide primaire et/ou sur tout autre paramètre dimensionnel ou fonctionnel du dispositif à turbine, de pouvoir adapter le point de fonctionnement nominal du dispositif au point de fonctionnement de consigne.
La vitesse de rotation réelle est mesurée en continu puis comparée à une vitesse de rotation de consigne. Cette vitesse de rotation de consigne est déterminée pour une application donnée. Par exemple, si la turbine entraîne un outil de fraisage cette vitesse peut être de 36 000 tours/mn.
Suite à cette comparaison, on modifie en continu un ou plusieurs paramètres dimensionnels ou fonctionnels pour que la vitesse de rotation mesurée soit égale à la vitesse de rotation de consigne.
Avantageusement, pour modifier les paramètres di ensionnels, les sections d'entrée du fluide secondaire, d'injection du fluide primaire et de sortie du canal d'éjection de fluide, sont modifiées en continu de manière à égaler, autant que faire se peut, le point de fonctionnement de consigne et le point de fonctionnement nominal. Avantageusement, pour modifier les paramètres fonctionnels, outre la variation de pression du fluide primaire, l'injection du fluide primaire peut se faire selon une trajectoire hélicoïdale induisant une autolimitation et une autoadaptation du régime de fonctionnement de la turbine. Un tel mode d'injection est dit hélicoïdal.
De même, avantageusement, l'injection du fluide primaire se fait dans des zones proches des parois dudit canal d'amenée. Un tel mode d'injection est dit pariétal.
La présente invention concerne aussi un dispositif à turbine mettant en oeuvre le procédé ci-dessus décrit, ledit dispositif comportant, à l'intérieur d'un corps présentant globalement une symétrie de révolution, un canal amont d'amenée de fluide, une turbine et un canal aval d'éjection de fluide, ledit dispositif étant caractérisé en ce qu'il comporte en outre :
- des moyens d'injection d'un fluide primaire dans le canal d'amenée de fluide, ledit fluide primaire présentant une pression, une vitesse et un débit masse déterminés,
- des moyens d'admission d'un fluide secondaire dans le canal d'amenée de fluide, ce fluide secondaire présentant une pression et une vitesse inférieures à celles du fluide primaire et un débit masse, des moyens de mélange des fluides primaire et secondaire adaptés pour donner aux fluides mélangés un débit masse égal à la somme des débits masse des fluides primaire et secondaire et pour diriger ce mélange vers la turbine et ainsi entraîner cette turbine en rotation.
Avantageusement, le dispositif est adapté pour entraîner en rotation une turbine à une vitesse de consigne variable et comporte à cet effet des moyens de contrôle et de régulation (50) comprenant :
— des moyens de mesure d'une grandeur représentative de la vitesse de rotation de la turbine, - des moyens d'acquisition de la vitesse de rotation mesurée,
— des moyens de traitement adaptés pour comparer la vitesse de rotation mesurée, avec une vitesse de rotation de consigne, - des actuateurs adaptés pour réguler des paramètres fonctionnels et/ou dimensionnels de l'écoulement pour faire coïncider la valeur mesurée de la vitesse de rotation avec la valeur de consigne de cette vitesse, et
— une vanne d'arrêt. Grâce à de telles dispositions, on obtient un point de fonctionnement nominal de la turbine, pour un couple élevé, et une vitesse de rotation faible comparativement à celle obtenue sans 1'utilisation de telles dispositions sur une turbine comparable. Avantageusement, le dispositif selon l'invention est muni d'actuateurs adaptés pour faire varier la section d'admission des fluides primaire et secondaire, ainsi que de la section du canal d'éjection. On peut ainsi modifier à volonté le point de fonctionnement nominal de la turbine et l'adapter en continu au point de fonctionnement de consigne.
D'autres objets, caractéristiques ou avantages de 1'invention ressortiront de la description qui suit, à titre d'exemple, et en référence aux figures annexées dans lesquelles :
— la figure 1 est une vue schématique illustrant le procédé de fonctionnement du dispositif selon l'invention, - la figure 2 est une vue en coupe longitudinale d'un dispositif à turbine selon la présente invention,
- les figures 3 et 4 sont des vues respectivement en coupe longitudinale et de dessus d'une première variante de réalisation d'un dispositif selon l'invention,
- la figure 5 est une vue en coupe longitudinale d'une deuxième variante de réalisation du dispositif selon l'invention,
- la figure 6 est une vue en coupe longitudinale d'une troisième variante de réalisation du dispositif selon l'invention,
- la figure 7 est un agrandissement du détail référencé E à la figure 6 et,
- la figure 8 est une vue schématique en perspective représentant une aube montée sur un moyeu, et destinée à former une turbine pouvant être utilisée pour le dispositif selon l'invention. Comme déjà indiqué, le but de la présente invention est d'entraîner en rotation une turbine et ce, avec une vitesse de rotation ω relativement faible, de l'ordre de 0 à 60 000 tours/mn, mais avec un couple C élevé. Ainsi, le produit C . ω qui donne la puissance P de la turbine reste élevé, sans pour autant que la vitesse de rotation ω le soit.
A cet effet, le procédé d'entraînement en rotation de la turbine selon l'invention est décrit ci- après. La turbine étant placée entre un canal amont d'amenée de fluide et un canal aval d'éjection, le procédé selon l'invention consiste à :
- injecter un fluide primaire dans le canal amont d'amenée de fluide. Cette injection se fait à une pression Pp, une vitesse Vp et un débit masse dmp déterminés,
- admettre un fluide secondaire dans le canal amont d'amenée. La pression ps et la vitesse vs de ce fluide secondaire sont inférieures à celles du fluide primaire. Le débit masse de ce fluide secondaire est dms,
- mélanger dans le canal d'amenée les fluides primaire et secondaire. Le mélange ainsi obtenu présente une vitesse Vm et une pression Pm plus élevées que celles du fluide secondaire, et inférieures a celles du fluide primaire. Le débit-masse Dmm de ce mélange de fluide est égal à la somme des débits masse dmp + Dms des fluides primaire et secondaire, - diriger le mélange de fluides vers la turbine,
- entraîner en rotation la turbine, par le passage du mélange de fluide, et
- éjecter le mélange de fluide ayant traversé la turbine vers l'extérieur.
Avantageusement, ce procédé permet d'entraîner en rotation une turbine selon un paramètre de consigne variable et consiste en outre à :
- mesurer en continu un paramètre fonction de la vitesse de rotation de la turbine,
- comparer cette vitesse de rotation mesurée à une vitesse de consigne. Cette vitesse de rotation mesurée est fonction entre autres des paramètres dimensionsionnels et fonctionnels de l'écoulement, — modifier en continu un ou plusieurs paramètres de 1'écoulement pour adapter le point de fonctionnement nominal de la turbine au point de fonctionnement de consigne.
Avantageusement, on réalise une modification des paramètres dimensionnels du dispositif à turbine (variation de la section d'entrée du fluide secondaire, de la section d'injection du fluide primaire et de la section d'éjection du canal d'éjection). De ce fait, on modifie le point de fonctionnement nominal de la turbine et on régule en continu la vitesse de rotation réelle de sorte qu'elle corresponde à la vitesse de rotation de consigne.
Le dispositif à turbine selon l'invention est décrit ci-après.
Selon le mode de réalisation représenté aux figures 1 et 2, le dispositif 10 selon l'invention comporte essentiellement (figure 2) : - un canal amont d'amenée de fluide 11,
- une turbine 12,
- un canal aval d'éjection de fluide 13,
- des moyens d'injection 14, et
- des moyens de contrôle et de régulation 50 (figure 1). Ces moyens 50 sont constitués par :
- une vanne d'arrêt 22,
- des moyens de mesure 19,
- des moyens d'acquisition 20, et
- des moyens de régulation 52 comportant : . des moyens de traitement 21, et
. des actuateurs 51. Le moyen d'injection 14 (figure 1) de fluide primaire Fp dans le canal d'amenée 11 est placé à la partie amont 11a du canal d'amenée 11. Ce moyen 14 comporte un ajutage 15.
Un fluide secondaire Fs est aspiré dans le canal amont d'amenée par la dépression créée par l'injection du fluide primaire. Une fois dans le canal amont d'amenée, ces deux fluides se mélangent dans la partie aval 11b du canal d'amenée 11. La longueur de ce canal d'amenée conditionne en partie les caractéristiques du mélange des fluides.
Si nécessaire, un canal convergent 16 est placé en amont de la turbine 12 et a pour but d'accélérer le mélange de fluides.
Un moyen déflecteur 17, dit distributeur amont, constitué par une roue de turbine fixe est placé à l'amont de la turbine 12, afin de diriger le mélange de fluides de façon optimum sur des aubes 18 de la turbine 12. La turbine 12 est ainsi entraînée en rotation.
Le mélange de fluides est alors éjecté par le canal d'éjection 13 en dehors du dispositif à turbine. Le but d'un tel canal est d'adapter notamment la pression du fluide en sortie de la turbine à celle du fluide présent aux alentours de la section d'éjection.
La rotation de la turbine est mise à profit pour toute application, par exemple pour l'entraînement d'outils, etc.. comme cela sera détaillé en référence à la figure 3.
Le dispositif à turbine est en outre associé à des moyens de contrôle et de régulation 50. Ces moyens 50 comportent :
- des moyens de mesure 19 d'une grandeur représentative de la vitesse de rotation de la turbine 12.
Ces moyens de mesure sont constitués par deux capteurs piézoélectriques (un seul est représenté à la figure 1 ) mesurant les pressions statiques à l'amont et à l'aval de la turbine dans des zones d'écoulement non perturbées. La présence de ces deux capteurs a pour but de multiplier les points de mesure, afin de comparer leur valeur et d'activer si nécessaire une vanne d'arrêt 22 installée sur la canalisation d'alimentation en fluide primaire. Ces moyens doivent être fiables et donner des mesures répétitives et significatives,
— des moyens d'acquisition 20, recevant et adaptant les grandeurs électriques mesurées par les moyens 19,
— des moyens de traitement 21 adaptés pour définir la vitesse de rotation instantanée de la turbine (vitesse mesurée), et comparer cette vitesse de rotation mesurée à une vitesse de rotation de consigne. Si les vitesses mesurées et de consigne diffèrent, le moyen de traitement envoie un ordre de commande,
— des actuateurs 51 constitués ici par un régulateur de pression recevant l'ordre de commande des moyens de traitement et adaptés pour modifier la pression d'injection du fluide primaire et rendre égales les vitesses de rotation mesurées et de consigne, et
— une vanne d'arrêt de sécurité 22 placée à l'amont du dispositif d'injection de fluide primaire afin de stopper le fonctionnement du dispositif en cas de nécessité. Cette vanne d'arrêt est également commandée par le moyen de traitement 21.
Ainsi, le dispositif selon l'invention est régulé en continu par 1'ensemble de contrôle et de régulation 50.
En variante de ce dispositif, le canal convergent 16 peut être intégré au distributeur amont 17.
Comme le montrent les figures 3 et 4, le moyen d'injection 14 peut prendre différentes formes.
Dans 1'exemple représenté aux figures 3 et 4, les moyens correspondant à ceux décrits à la figure 2 sont référencés comme à la figure 2, mais augmentés d'une unité de centaine. Les figures 3 et 4 présentent une première variante du dispositif selon l'invention.
Les moyens d'injection 114 sont constitués par deux conduites 130 débouchant dans la paroi latérale du canal amont d'amenée 111. Avantageusement, ces conduites sont inclinées selon un angle α (figure 3) déterminé par rapport à l'axe A du dispositif, et un angle β (figure 4) entre l'axe de la conduite 130 et un plan diamétral F passant par l'axe de la turbine et le centre de la section d'injection au niveau de la paroi du canal 111. Ainsi, le fluide primaire Fp entraîne le fluide secondaire Fs dans une trajectoire hélicoïdale (injection hélicoïdale) le long des parois (injection pariétale) du canal amont d'amenée 111. Ce type d'injection est appelé injection pariéto-hélicoïdale. Ce mode d'injection présente l'avantage d'être auto-adaptatif. En effet, lorsque la vitesse de rotation de la turbine augmente, le débit-masse Dms du fluide secondaire augmente également. La vitesse du fluide secondaire dans le plan d'injection du fluide primaire dans le canal d'amenée, a un module qui augmente et une direction qui tend à se rapprocher de l'axe de la turbine. De ce fait, l'écoulement du mélange présente une incidence générale qui diminue dans le plan d'entrée de la turbine. De ce fait, la puissance disponible tend à diminuer si l'augmentation du débit-masse secondaire n'est pas pris en compte et inversement si la vitesse de rotation de la turbine diminue. Il en résulte alors un dispositif à turbine, dont le régime de rotation libre (c'est-à-dire sans couple résistant généré par le milieu extérieur sur l'axe de la turbine) est auto-limité, et qui présente un fort pic de puissance pour une faible vitesse de rotation, caractérisant le phénomène d'autoadaptation de 1'écoulement.
A titre d'exemple, la vitesse de rotation correspondant à un tel pic de puissance est de 12 000 tours/mn pour une turbine de diamètre 30 mm et une alimentation en fluide primaire de type pariéto hélicoïdal à trois voies d'entrée équi-réparties le long de la circonférence du canal d'amenée (les angles α et β d'inclinaison des conduites d'entrée étant de 45°).
Il est à noter que le nombre de conduites 130 d'injection de fluide primaire peut varier. Pour une meilleure homogénéité du mélange fluide primaire/fluide secondaire, il est avantageux de disposer d'une pluralité de conduites d'injection réparties à la circonférence du canal d'amenée.
On notera que, dans le mode de réalisation présenté aux figures 3 et 4, le canal d'éjection 113 présente une direction axiale. On notera encore qu'avec un tel mode d'injection (pariéto hélicoïdal), il n'est pas nécessaire de placer un dispositif déflecteur en amont de la turbine 112. Selon une variante de réalisation (non représentée) (l'angle α fixant la pente initiale de l'hélice d'injection, l'angle β définissant le diamètre nominal de l'injection de cette hélice), on fait varier en continu : - l'angle α, ce qui a pour but de faire varier la vitesse nominale du point de fonctionnement nominal et/ou
- l'angle β, ce qui a pour but de modifier les caractéristiques de fonctionnement, prioritairement en débit masse secondaire, donc la puissance maximale au point de fonctionnement nominal.
On notera que l'axe de rotation de la turbine peut être directement constitué par une tige de mandrin 160 d'un outil 180.
La transmission de l'effort moteur d'une turbine à un outil pose des problèmes de réalisation technique tels que : - des efforts proportionnels à 1' inertie des organes de transmission et au carré de la vitesse de rotation et
- la nécessité de mettre en oeuvre une transmission dont la géométrie puisse varier par la mobilité relative d'un certain nombre de pièces constitutives afin notamment de pouvoir fixer l'outil sur la transmission.
Cependant, dans le cas de l'ensemble outil- turbine représenté à la figure 3 et, compte tenu des vitesses de rotation modérées du dispositif, il est possible d'utiliser des paliers de guidage en rotation et translation simples, rustiques et peu coûteux, couramment utilisés dans l'industrie à ce jour.
Dans l'exemple d'une telle réalisation, la turbine 112 est emmanchée à force sur la partie arrière 160 (tige de mandrin) de l'outil cylindrique 180, pouvant être une fraise.
L'outil peut présenter, à cet effet, au niveau de sa tige de mandrin, un ensemble de petites arêtes rectilignes orientées suivant l'axe de rotation dudit outil.
En variante, l'outil peut être associé à une pièce intermédiaire de fixation (non représentée).
Dans l'exemple représenté, le palier de suspension de l'ensemble outil-turbine est constitué par les roulements 183 et 184. Le roulement 183 vient en butée sur le moyeu de la turbine. Une entretoise 185, montée juste glissante sur ledit outil, maintient l'écartement avec le roulement 184 de manière à assurer le jeu fonctionnel nécessaire suivant 1'axe de rotation au niveau du corps de palier 186.
Une bague 187, réalisée dans une matière dont le coefficient de dilatation thermique est inférieur à celui de la matière constituant ledit outil est montée serrée sur ledit outil et vient immobiliser en translation (suivant l'axe de rotation de l'outil) les roulements 183 et 184 et 1*entretoise 185. L'ensemble ainsi réalisé est constitué d'un petit nombre de pièces simples, peu coûteuses et de faible inertie autour de l'axe de rotation.
Selon la forme de réalisation représentée à la figure 5 (deuxième variante), le mode d'injection du fluide primaire est encore différent.
Comme précédemment, les références de la figure 2 ont été reprises dans cette figure, augmentées de deux unités de centaines.
Le moyen d'injection 214 est constitué ici de quatre conduites 230 (trois sont représentées) débouchant à l'intérieur du canal d'amenée 211, de telle sorte que le fluide primaire Fp soit injecté parallèlement à l'axe A du dispositif et le long des parois. Un tel mode d'injection est dit pariétal. Comme dans 1'exemple de la figure 2, le fluide primaire entraîne le fluide secondaire vers la turbine.
On notera que le nombre de conduites d'introduction 230 du fluide primaire peut varier et que, de préférence, la pluralité de conduites est répartie le long de la circonférence du canal d'amenée 211.
En variante, chaque conduite 230 peut pivoter autour de son axe horizontal, pour générer un écoulement non plus axial mais hélicoïdal. Dans ce cas, on obtient un écoulement hélicoïdo—pariétal avec les avantages cités en référence aux figures 3 et 4, et associé à un distributeur amont 217.
Les figures 6 et 7 montrent une troisième variante de réalisation du dispositif à turbine selon l'invention. Comme précédemment, les références de la figure 2 sont reprises augmentées de trois unités de centaine pour les moyens équivalents représentés sur les figures 2 et 6.
Le dispositif 310 selon la figure 6 présente la particularité d'avoir :
- une injection d'air primaire de type annulaire et au niveau des parois (injection pariéto- annulaire),
- des actuateurs adaptés pour faire varier la section d'entrée du fluide secondaire, la section d'injection du fluide primaire et la section d'éjection du canal d'éjection. En effet, le fluide secondaire est introduit dans le canal d'amenée par un dispositif d'entrée
350 présentant une ouverture 351 à section variable. Le dispositif d'entrée se visse et se dévisse sur le corps du canal d'amenée 311 par l'intermédiaire d'un filetage 352. Ce vissage (ou dévissage) est commandé par un moyen de modification de la section d'entrée, à savoir 1'actuateur 353. Cet actuateur 353 est commandé lui-même par le moyen de traitement 321. Comme le montre la flèche B, l'action de cet actuateur 353 permet de faire varier la section d'entrée du fluide secondaire.
De manière correspondante, un actuateur 354 de variation de la section d'éjection du dispositif permet le vissage ou le dévissage d'un dispositif de sortie 356 par l'intermédiaire d'un filetage 357. Comme le montre la flèche C, l'action de cet actuateur 354 permet de faire varier la section d'éjection.
De même manière que précédemment, 1'actuateur 354 est commandé par le moyen de traitement 321. Un actuateur 355 permettant de faire varier la section d'injection du fluide primaire dans le canal d'amenée 311 est également prévu.
Le fluide primaire Fp est introduit dans le canal d'amenée 311 en passant par une section minimale 358 appelée section col de l'écoulement, cette section variant par le biais de l'actuateur 355.
Ce col est créé (figure 7), d'une part, par un renflement annulaire 359 de la paroi du canal d'amenée 311 et, d'autre part, par un élément déplaçable 360 placé dans la partie amont 311a du canal d'amenée 311 et en vis- à-vis du renflement annulaire 359.
Par coulissement selon la flèche D de l'élément 360, la section du col 358 d'alimentation en fluide primaire est variable. Le coulissement s'effectue par le vissage et le dévissage de l'élément déplaçable 360 dans le canal d'amenée 311 au moyen du filetage 361.
On notera que 1'introduction du fluide primaire Fp dans le canal d'amenée 311 se fait de manière parallèle à l'axe longitudinal A du dispositif. Cette injection est effectuée sur tout le pourtour du canal d'amenée et à proximité des parois. Cette injection est appelée injection pariéto-annulaire. Comme représentée à la figure 7, les formes respectives du corps 370 du canal d'amenée 311 et de l'élément déplaçable 360 qui lui fait face constituent une tuyère convergente divergente annulaire. Ladite tuyère convergente divergente annulaire, alimentée en fluide primaire par une section annulaire 371 , a donc un col 358 et une section de sortie 372 dont les surfaces respectives peuvent varier lorsque l'actuateur 355 entraîne en translation l'élément 360. Dans la partie convergente de ladite tuyère, le fluide primaire subit une accélération subsonique jusqu'à atteindre la vitesse sonique audit col 358. Dans la partie divergente de ladite tuyère, le fluide primaire subit une accélération supersonique. En fonctionnement, la pression d'alimentation en fluide primaire doit être suffisante pour que, compte tenu de la valeur de la surface de la section d'injection 372, l'éjection dudit fluide primaire dans le canal d'amenée soit supersonique et à une pression statique supérieure à celle dudit fluide secondaire dans la section 373 de l'élément 360. En effet, il se crée alors sur des lèvres de sortie 374 de l'élément 360 un faisceau de détente et un sillage turbulent propre à favoriser l'échange d'énergie entre lesdits fluides primaire et secondaire. De plus, l'injection pariétale suivant une tuyère annulaire convergente/divergente permet, d'une part, d'accroître la surface d'échange énergétique entre lesdits fluides primaire et secondaire et, d'autre part, d'obtenir dans le plan d'entrée 375 (figure 6) dudit distributeur 317 un profil de vitesse optimum caractérisé en ce que la vitesse moyenne locale est d'autant plus importante qu'elle se situe près de la tête des aubes 318 dudit distributeur 317.
Une telle disposition dimensionnelle et fonctionnelle d'une tuyère convergente/divergente au niveau de l'injection du fluide primaire peut être généralisée à toutes les injections de fluide primaire, quelle que soit la variante considérée.
Un tel dispositif permet, par l'action sur les dimensions des canaux d'admission des fluides primaire et secondaire et sur la dimension du canal d'éjection, de faire varier le point de fonctionnement nominal de la turbine.
Bien sûr, l'ensemble des actuateurs 353, 354, 355 est commandé par le moyen de traitement 321. Une autre variante du dispositif d'éjection consiste à réaliser un canal d'éjection du conduit conduisant le fluide du plan de sortie de la turbine vers le niveau de l'admission du fluide secondaire et permettant ainsi de recycler dans le dispositif même une partie du fluide éjecté.
L'intérêt du dispositif selon l'invention, quelle que soit la variante de réalisation choisie, réside dans le fait que le couple délivré est important pour des vitesses de rotation faibles et que la puissance délivrée est comparable à celle des turbines existantes.
Maintenant vont être décrites des aubes pouvant être utilisées dans chacune des variantes ci-dessus décrites. Cependant, pour faciliter la compréhension de cette description, on rappelle tout d'abord les définitions des principaux termes utilisés :
- Le bord d'attaque d'une aube est la portion de courbe située à l'extrémité amont de ladite aube et qui reçoit l'écoulement.
- Le bord de fuite d'une aube est la portion de courbe située à l'extrémité aval de ladite aube et qui voit s'échapper 1'écoulement. — Une aube est constituée d'une surface dite intrado et d'une surface dite extrado ; ces deux surfaces sont sécantes suivant les lignes de bord de fuite et de bord d'attaque.
- Un profil d'une aube est la courbe fermée résultant de l'intersection des surfaces intrado et extrado avec une surface cylindrique ayant pour axe celui du moyeu portant l'aube.
- La corde d'un profil est le segment de droite joignant sur un profil d'aube les points du bord de fuite et du bord d'attaque.
- Un angle de bord d'attaque est 1'angle que fait une droite tangente au profil au point du bord d'attaque avec la direction de l'axe dudit moyeu.
- Un angle de bord de fuite est l'angle que fait une droite tangente au profil au point du bord de fuite avec la direction de l'axe du moyeu.
- L'épaisseur d'un profil en un point donné de l'intrado est la longueur du segment de droite délimitée par ledit point de l'intrado et le point de 1'extrado défini par l'intersection de l'extrado avec une droite perpendiculaire à l'intrado en cedit point de l' intrado.
- Le pied d'une aube est la partie de l'aube jouxtant le moyeu.
- La tête d'une aube est la partie de l'aube la plus éloignée du moyeu.
Les aubes sont décrites en référence à la figure 2, mais pourraient tout aussi bien être utilisées avec les variantes représentées aux figures 3 à 6. La turbine 12 (figure 8) est constituée par un moyeu cylindrique sur lequel sont disposées radialement des aubes 18 équireparties circulairement. Ces aubes sont identiques pour une même turbine. Les angles de bord d'attaque sont constants tout le long du bord d'attaque pour toutes les aubes d'une même turbine, de même pour les angles de borde de fuite. La corde des profils est constante pour tous les profils de toutes les aubes d'une même turbine. L'épaisseur d'un profil est constante, hormis au voisinage immédiat du bord de fuite et du bord d'attaque.
En variante, l'épaisseur des profils d'une aube va croissant de la tête au pied de l'aube afin de prendre en compte les contraintes mécaniques croissantes de la tête au pied de l'aube.
On notera ainsi que les aubes présentent une corde constante, une épaisseur constante suivant une section cylindrique ayant pour axe celui de ladite turbine, des angles de bord d'attaque constants, des angles de bord de fuite constants, des surfaces courbes d'intrado et extrado générées par une surface conique dont le sommet est le point d'intersection de l'axe de ladite turbine avec les plans, perpendiculaires à l'axe de ladite turbine, d'entrée pour la partie amont et de sortie pour la partie aval, et dont l'angle au sommet est fonction de l'angle de bord d'attaque pour la partie amont et de l'angle de bord de fuite pour la partie aval.
De telles aubes sont simples à réaliser (usinage, moulage, etc.. ) et peu onéreuses. En outre, de telles aubes présentent l'avantage, lorsque la vitesse de la turbine croît, de faire croître également la vitesse de l'écoulement dans le canal inter-aube. A partir d'une certaine valeur de ladite vitesse d'écoulement, des détentes et recompressions dégradent sensiblement l'écoulement dans le canal inter¬ aube. Il en résulte un phénomène d'auto-limitation de la vitesse de régime libre.
On notera que, grâce aux vitesses de rotation relativement faibles (de 0 à 60 000 tours/mn), on peut utiliser des paliers de suspension de turbines simples et courants.
Un des avantages de la présente invention est sa légèreté, son silence de fonctionnement, sa fiabilité. En outre, on peut adapter facilement sur une telle turbine des transmissions simples, peu coûteuses, existantes sur le marché, pour entraîner des outils entre 0 et 60 000 tours/mn. Bien entendu, la présente invention n'est pas limitée aux modes de réalisation choisis et englobe toute variante à la portée de l'homme de l'art. Notamment, il est possible en variante de réaliser au niveau des plans d'éjection du dispositif une pression inférieure au niveau général de pression régnant dans le milieu extérieur au dispositif. Le niveau de puissance nominal du dispositif alors ne varie pas sensiblement ; par contre le débit masse injecté diminue sensiblement, ce phénomène caractérisant l'introduction d'une deuxième source d'énergie matérialisée par la dépression en sortie du canal d'éjection, au détriment de la source d'énergie définie par le fluide primaire sous pression ; cependant la précision du contrôle de la vitesse de rotation de la turbine par action sur la pression Pp d'injection du fluide primaire diminue.

Claims

REVENDICATIONS
1/ - Procédé d'entraînement en rotation d'une turbine (12, 112, 212, 312), ladite turbine étant reliée à un canal amont d'amenée (11, 111, 211, 311) de fluide et à un canal aval (13, 113, 213, 313) d'éjection, ledit procédé étant caractérisé en ce qu'il consiste à : injecter un fluide primaire Fp, présentant une pression Pp, une vitesse Vp et un débit masse dmp déterminés, dans le canal d'amenée de fluide, - admettre simultanément un fluide secondaire Fs dans le canal d'amenée de fluide, ce fluide secondaire présentant une pression ps et une vitesse vs inférieures à celles du fluide primaire, et un débit masse Dms, - mélanger les fluides primaire Fp et secondaire Fs dans le canal d'amenée (11, 111, 211, 311) et diriger le mélange de fluide vers la turbine, ce mélange présentant un débit masse égal à la somme (dmp + Dms) des débits masses des fluides primaire et secondaire, - entraîner en rotation la turbine par le passage du mélange de fluide sur des aubes (18, 118, 218, 318) de cette turbine et
- éjecter le mélange de fluide au moyen du canal d'éjection de fluide. 2/ - Procédé selon la revendication 1 pour l'entraînement en rotation d'une turbine à une vitesse de consigne variable, caractérisé en ce qu'il consiste en outre à :
- mesurer en continu une grandeur représentative de la vitesse de rotation ω réelle de la turbine,
- comparer cette vitesse de rotation réelle avec la vitesse de rotation de consigne,
- modifier en continu un ou plusieurs paramètres de l'écoulement pour que le point de fonctionnement nominal de la turbine corresponde au point de fonctionnement de consigne.
3/ - Procédé selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce qu'il consiste à déterminer le point de fonctionnement nominal en :
- modifiant une section d'admission (351) du fluide secondaire dans le canal d'amenée et/ou en - modifiant une section d'injection (358) du fluide primaire dans le canal d'amenée et/ou en
- modifiant une section du canal d'éjection de fluide.
4/ - Procédé selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'on injecte le fluide primaire Fp de manière axiale dans le canal d'amenée (11, 111, 211, 311 ).
5/ - Procédé selon l'une des revendications 1 ou 3, caractérisé en ce qu'on injecte le fluide primaire Fp de manière pariétale dans le canal d'amenée (11, 111, 211, 311 ) .
6/ - Procédé selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce qu'on injecte le fluide primaire Fp de telle sorte que le mélange des fluides primaire et secondaire soit entraîné dans un mouvement hélicoïdal.
7/ - Procédé selon la revendication 6, caractérisé en ce que le mouvement hélicoïdal est pariétal.
8/ - Procédé selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce qu'on injecte le fluide primaire dans le canal d'amenée de manière annulaire.
9/ - Procédé selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il consiste à réaliser un écoulement de luide à une vitesse telle que 1'écoulement soit peu ou pas perturbé. 10/ - Procédé selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'on utilise un fluide primaire Fp présentant une vitesse au niveau d'une section d'injection (372) nettement supersonique avant introduction dans le canal d'amenée (311). 11/ - Procédé selon la revendication 10, caractérisé en ce qu'il consiste à mélanger les fluides primaire et secondaire au moyen d'ondes de détente créées par le fluide primaire supersonique au voisinage de son introduction dans le canal d'amenée.
12/ - Procédé selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il consiste en outre à calibrer des angles α et β du mélange de fluide dans un plan d'entrée de la turbine.
13/ - Procédé selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'on mesure une grandeur représentative de la vitesse de rotation ω de la turbine en mesurant la pression statique en amont et en aval de la turbine (12, 112, 212, 312).
14/ - Procédé selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en qu'il consiste, en outre, à augmenter la vitesse des fluides mélangés en le faisant passer à travers un canal convergent (16, 116, 216, 316) en amont de la turbine (12, 112, 212, 312).
15/ - Dispositif à turbine mettant en oeuvre le procédé selon l'une des revendications 1 à 14, ledit dispositif comportant, à l'intérieur d'un corps présentant globalement une symétrie de révolution, un canal amont (11, 111, 211, 311) d'amenée de fluide, une turbine (12, 112, 212, 312) et un canal aval (13, 113, 213, 313) d'éjection de fluide, ledit dispositif étant caractérisé en ce qu'il comporte en outre :
- des moyens d'injection (14, 114, 214, 314) d'un fluide primaire Fp dans le canal d'amenée de fluide, ledit fluide primaire présentant une pression, une vitesse et un débit masse dmp déterminés,
- des moyens d'admission d'un fluide secondaire Fs dans le canal d'amenée de fluide, ce fluide secondaire présentant une pression et une vitesse inférieures à celles du fluide primaire, et un débit masse Dms, et
- des moyens de mélange (11, 111, 211, 311) des fluides primaire et secondaire adaptés pour donner aux fluides mélangés un débit masse égal à la somme des débits masse des fluides primaire et secondaire et pour diriger ce mélange vers la turbine et ainsi l'entraîner en rotation.
16/ - Dispositif selon la revendication 15, caractérisé en ce qu'il est adapté pour entraîner la turbine à une vitesse de consigne variable, ledit dispositif comportant en outre des moyens de contrôle et de régulation (50) comprenant : - des moyens de mesure (19) d'une grandeur représentative de la vitesse de rotation ω de la turbine,
- des moyens d'acquisition (20) de la vitesse de rotation mesurée,
- des moyens de traitement (21 ) adaptés pour comparer la vitesse de rotation mesurée, avec une vitesse de rotation de consigne,
- des actuateurs (51 ) adaptés pour réguler (21) des paramètres fonctionnels et/ou dimensionnels de l'écoulement pour faire coïncider la valeur mesurée de la vitesse de rotation avec la valeur de consigne de cette vitesse, et
- une vanne d'arrêt (22).
17/ - Dispositif selon la revendication 15 ou 16, caractérisé en ce que le moyen d'injection (14) est un injecteur présentant un ajutage.
18/ - Dispositif selon la revendication 15 ou 16, caractérisé en ce que le moyen d'injection (114,
214) comporte au moins une conduite (130, 230) adaptée pour introduire le fluide primaire le long de la paroi du canal d'amenée.
19/ - Dispositif selon la revendication 15 ou 16, caractérisé en ce que le moyen d'injection (11 ) comporte au moins une conduite (130) d'inclinaison donnée α par rapport à un axe A du canal d'amenée et d'inclinaison β par rapport à un axe F de ce canal d'amenée, cette conduite (130) étant adaptée pour introduire le mélange de fluide primaire Fp et secondaire Fs dans le canal d'amenée selon une trajectoire hélicoïdale.
20/ - Dispositif selon la revendication 15 ou 16, caractérisé en ce que le moyen d'injection (314) est constitué par un espace annulaire à l'intérieur du canal d'amenée, ledit espace annulaire présentant une section convergente, une section de col variable (358) et une section divergente.
21/ - Dispositif selon l'une des revendications 15 à 20, caractérisé en ce que le canal d'éjection (13, 113, 213, 313) est orienté radialement et/ou axialement.
22/ - Dispositif selon l'une des revendications 15 à 21, caractérisé en ce que les moyens de mesure sont constitués par au moins deux capteurs (19) adaptés pour mesurer les pressions statiques régnant à l'amont et/ou à l'aval de la turbine.
23/ - Dispositif selon l'une des revendications 15 à 22, caractérisé en ce qu'il comporte en outre :
- un actuateur (355) adapté pour faire varier la section d'injection du fluide primaire et/ou
- un actuateur (353) adapté pour faire varier la section d'admission du fluide secondaire et/ou
- un actuateur (354) adapté pour faire varier la section d'éjection du mélange de fluide. 24/ - Dispositif selon la revendication 23, caractérisé en ce que chaque actuateur (353, 354, 355) est commandé par le moyen de traitement (21).
25/ - Dispositif selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que l'axe de rotation de la turbine est constitué par une tige de mandrin (160) d'un outil (180) entraîné par la turbine.
26/ - Dispositif selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que la turbine et/ou un distributeur amont sont munis d'aubes présentant une corde constante, une épaisseur constante suivant une section cylindrique ayant pour axe celui de ladite turbine, des angles de bord d'attaque constants, des angles de bord de fuite constants, des surfaces courbes d'intrado et extrado générées par une surface conique dont le sommet est le point d'intersection de l'axe de ladite turbine avec les plans, perpendiculaires à l'axe de ladite turbine, d'entrée pour la partie amont et de sortie pour la partie aval, et dont l'angle au sommet est fonction de l'angle de bord d'attaque pour la partie amont et de l'angle de bord de fuite pour la partie aval.
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