[0001] Il est de plus en plus fréquent de récupérer l'énergie de détente des gaz transportés
à haute pression en entraînant divers engins électriques ou mécaniques tels que alternateur
rapide, compresseur, pompe, alternateur classique avec réducteur etc.. Une récupération
intéressante de la détente des gaz se fait sous forme d'énergie électrique par l'
intermédiaire d'un turbo-détendeur, constitué principalement d'une ou de deux turbines
centripètes montées en porte-à-faux sur l'abre d'un alternateur à grande vitesse.
Le brevet européen 79200543.1 se rapporte à ce type de turbine de détente associée
à une génératrice de courant électrique.
[0002] Généralement l'alimentation de la roue centripète de la turbine se fait par un secteur
d'injection d'ouverture constante dont les aubes directrices fixes imposent au fluide
une orientation convenable.
[0003] Ces secteurs d'injection à ouverture constante ne permettent pas une récupération
optimale d'énergie lorsque le débit subit des fluctuations. D'autre part, à cause
des variations de débit, l'installation doit comprendre, en amont du détendeur, une
vanne de réglage qui module l'ouverture en fonction du débit. Cette modulation du
débit par vanne de réglage se fait avec perte d'énergie et affecte le rendement de
l'opération de récupération par détente de fluide.
[0004] L'invention revendiquée ci-après permet de maintenir le rendement à sa valeur optimale
quel que soit le débit du fluide et son application couvre aussi bien la récupération
d'énergie par détente de gaz à haute pression que celle par détente de vapeur d'eau.
En outre elle permet de simplifier l'installation en amont de la machine en remplaçant
la vanne de réglage de débit, de coût élevé et génératrice de perte d'énergie, par
une simple vanne d'arrêt. L'invention consiste essentiellement en un dispositif permettant
de faire varier le secteur d'injection du fluide sans modifier sensiblement la vitesse
de celui-ci même si le débit subit des fluctuations importantes.
[0005] Ce dispositif comporte un détendeur muni d'un secteur d'injection variable dont l'ouverture
se règle selon les caractéristiques du fluide véhiculé. De façon à adapter le secteur
d'injection à une variation de débit, sans modifier la vitesse d'écoulement du fluide,
des aubes directrices réglables, commandées par un servo-moteur dont l'action est
proportionnelle au débit constaté, s'orientent de manière à obtenir une section de
passage adéquate.
[0006] L'invention sera exposée plus en détails à l'aide des figures suivantes.
La figure 1 est une vue générale d'un exemple de réalisation d'un secteur d'injection
.
La figure 2 montre une coupe faite selon l'axe de la machine.
La figure 3 donne le détail de la.disposition géométrique de quelques aubes.
La figure 4 représente la loi linéaire établie entre l'angle de rotation de l'anneau
de commande et la section de passage du détendeur.
La figure 1 représente un secteur d'injection constitué d'aubes directrices fixes,assurant
un débit minimum, et d'aubes directrices orientables pour adapter la section de passage
aux variations de débit.
[0007] Dans la figure 1, un corps haute-pression 1 véhicule le fluide pour l'introduire
radialement par un secteur d'injection 2 s'étendant, dans cet exemple, sur un arc
d'environ 140°.
[0008] Ce secteur d'injection 2 comprend, dans la zone centrale, trois aubes directrices
fixes 3, un premier groupe de quatre aubes directrices 4A, 5A, 6A, 7A orientable chacune
par rotation autour d'un pivot 4P, 5P, 6P, 7P et commandée chacune par un bras 4B,
5B, 6B, 7B solidarisé à l'aube et terminé par un rouleau 4R, 5R, 6R, 7R. Ces rouleaux
sont guidés par une rainure 8 pratiquée dans une couronne de commande 9 concentrique
à un cylindre de décharge 10 dont l'axe coincide avec celui de la machine.
[0009] Ce secteur d'injection 2 comprend également un second groupe à trois aubes directrices
IIA, 12A, 13A orientable chacune par rotation autour d'un pivot 11P, 12P, 13P, commandé
chacune par un bras 11B, 12B, 13B solidarisé à l'aube et terminé par un rouleau 11R,
12R, 13R. Ces rouleaux 11R, 12R, 13R sont guidés respectivement par les rainures 14,
15, 16 de la couronne de commande 9 qui, par l'intermédiaire d'une tringlerie 17,
est actionnée par un servo-moteur non représenté. La figure 1 représente le secteur
d'injection 2 dans la position correspondant au débit minimum du fluide. Celui-ci
est détendu en passant à travers les trois canaux formé par les trois aubes directrices
fixes 3 et l'aube directrice orientable 11A. Lorsque le débit augmente la couronne
de commande 9 tourne, dans le sens des aiguilles d'une montre, d'un angle proportionnel
à l'accroissement du débit et les aubes directrices orientables s'ouvrent sucessivement
et progressivement selon la position des rouleaux sur les rampes des rainures de guidage.
Au départ de la position représentée à la figure 1, l'aube directrice orientable 4A
pivote progressivement selon la progression du rouleau 4R sur la rampe 8R de la rainure
8 pratiquée dans la couronne de commande 9. Toutefois, afin d'établir une loi linéaire
entre l'angle de rotation de la couronne de commande 9 et la section de passage offerte
au fluide, l'aube directrice orientable 11A commence sa rotation avant l'ouverture
totale de l'aube directrice orientable 4A. Selon le débit enregistré par les moyens
de mesure et de commande du servo-moteur il y aura successivement ouverture des aubes
orientables 4A, 11A, 5A, 12A, 6A, 13A avec,pour chacune d'elles, l'amorce du mouvement
d'ouverture avant 1' ouverture totale de la précédente.
[0010] La commande d'ouverture des aubes directrices orientables 4A, 5A, 6A est réalisée
par la seule rampe 8R de la rainure 8 tandis que la commande d'ouverture des aubes
11A, 12A, 13A est faite par les rampes 14R, 15R, 16R appartenant respectivement aux
rainures 14, 15, 16 pratiquée dans l'anneau de commande 9.
[0011] Cet anneau de commande 9 est constitué de deux plateaux co-axiaux 18, 19 de même
diamètre, rendus solidaires l'un de l'autre et portant l'un 18 les rainures de guidage
8 et 15 et l'autre 19 les rainures de guidage 14 et 16.
[0012] Lorsque l'ouverture totale du secteur d'injection 2 est obtenue par pivotements successifs
et progressifs des aubes directrices orientables 4A, 11A, 5A, 12A, 6A, 13A actionnées
par l'anneau de commande 9 se déplaçant dans le sens des aiguilles d'une montre, il
est évident que par rotation de cet anneau de commande 9 en sens inverse on obtient
une fermeture partielle du secteur d'injection 2 par pivotements successifs et progressifs
des aubes 13A, 6A, 12A, 5A, 11A, 4A en respectant la même loi linéaire unissant la
section de passage offerte au fluide à son débit.
[0013] La même remarque prévaut pour un degré d'ouverture intermédiaire du secteur d'injection
où par inversion du sens de rotation de l'anneau de commande on peut obtenir une fermeture
successive et progressive des aubes directrices orientables déjà ouvertes . Le dispositif
décrit permet donc d'adapter à chaque instant une ouverture convenable du secteur
d'injection 2 pour conserver au fluide véhiculé une même vitesse malgré les nombreuses
fluctuations du débit. Il permet ainsi de conserver un rendement optimal à l'installation
quelles que soient les conditions d'alimentation du fluide. Le dispositif représenté
par les figures 1 et 2 est donné à titre d'exemple de réalisation. La même invention
s'applique aussi à un secteur d'injection dont le nombre d'aubes directrices fixes
est différent voire même nul. Dans ce dernier cas on obtient alors un détendeur pouvant
s'adapter à de très faible débit.
[0014] Dans d'autres réalisations, le secteur d'injection peut s'étendre sur un arc différent
de celui représenté à la figure 1. Il est même possible d'obtenir une injection du
fluide sur une ouverture de l'ordre de 360°. Il est également possible que l'ordre
d'ouverture des aubes directrices orientables se fasse selon un autre processus. Par
exemple, à l'encontre de la figure 1 où l'ouverture progressive du secteur d'injection
se fait par extension d'une zone centrale s'élargissant de part et d'autre d'une ouverture
minimum, on peut réaliser une ouverture progressive s'étalant d'un seul côté de l'ouverture
minimum.
[0015] Dans tous ces exemples d'exécution, il importe de réaliser une ouverture ne présentant
pas de discontinuités susceptibles d'introduire des remous perturbant l'écoulement
régulier du fluide et diminuant ainsi la quantité d'énergie récupérable.
[0016] Le processus d'ouverture précédemment décrit, la forme des aubes et leur disposition
géométrique développées par la suite conduisent à ce résultat.
[0017] La figure 3 représente l'aube directrice orientable 4A en position complètement ouverte
alors que l'aube directrice orientable 5A est encore complètement fermée. Dans cette
figure, toutes les aubes présentent un profil aérodynamique en forme de triangle très
applati. La base de ce triangle détermine avec son grand côté une arête qui est le
bord de fuite de l'aube et avec son petit côté une autre arête qui constitue le bord
d'attaque de l'aube. Le sommet du triangle est arrondi selon une courbure concentrique
au pivot de l'aube de façon à déterminer une plage sur laquelle peut prendre appui
le bord de fuite de l'aube voisine. Cette plage, appelée zone neutre, permet à l'aube
voisine de conserver la même position quelle que soit l'orientation de l'aube sur
laquelle elle prend appui.
[0018] Dans l'exemple de la figure 3, l'aube directrice orientable 5A repose par son bord
de fuite sur la zone neutre de l'aube directrice orientable 4A. De ce fait, l'orientation
de l'aube directrice orientable 4A peut varier sans pour cela modifier l'orientation
de l'aube directrice orientable 5A.
[0019] Cette configuration permet de ne pas créer des ouvertures parasites, génératrices
de remous qui modifient l'écoulement du fluide et réduisent le rendement de la détente
de fluide.
[0020] La figure 3 fait également apparaître une implantation des pivots des aubes directrices
orientables sur le corps haute-pression 1 de manière à former des canaux convergents,
quel que soit le degré d'ouverture des aubes, pour permettre une détente convenable
des fluides véhiculés.
[0021] Les aubes directrices orientables représentées à la figure 3 comportent deux ailes
qui, comptées à partir de l'axe du pivot de l'aube, sont d'inégales grandeurs. Cette
dissymétrie permet par le jeu des pressions appliquées aux différentes faces du triangle
d'obtenir un couple résultant agissant toujours dans le même sens et de permettre
d'une part à toute la tringlerie de travailler sans secousse et d'autre part au rouleau,
situé en bout de bras, de rester appliquer sur le même flanc de la rainure pratiquée
dans l'anneau de commande 9. Par exemple la résultante des forces agissant sur les
différentes force de l'aube directrice orientable 6A se traduit par un couple agissant
dans le sens opposé aux aiguilles d'une montre pour appliquer le rouleau 6R sur le
flanc inférieur de la rainure 8.
[0022] Dans l'exemple présenté ci-dessus le détendeur à secteur d'injection variable équipe
le corps haute-pression d'une turbine centripède. Il est évident que le même dispositif
peut équiper à la fois les corps haute et basse pression de cette turbine.
1. Turbo-détendeur comportant au moins une turbine centripède montée en porte-à-faux
sur l'arbre de la machine entraînée, une canalisation amenant le fluide à pression
élevée et se terminant en volute, un secteur d'injection orientant le fluide vers
les ailettes de la turbine centripète, une canalisation d'évacuation du fluide détendu,
caractérisé en ce que le turbo-détendeur comprend un secteur d'injection (2) constitué
en tout ou en partie d'aubes directrices orientables (4A, 5A, 6A, 7A, 11A, 12A, 13A)
qui par pivotementsprogressifset successifs ouvrent ou ferment le secteur d'injection (2) de manière
continue pour adapter le turbo-détendeur à une variation de débit du fluide sans modifier
sensiblement la vitesse d'écoulement de celui-ci.
2. Turbo-détendeur selon la revendication caractérisé en ce que les aubes directrices
qui le constituent ont un profil aérodynamique sous la forme générale d'un triangle
très applati dont les angles aigus adjacents à la base sont respectivement le bord
d'attaque et le bord de fuite de l'aube et dont l'angle obtu situé au sommet du triangle
est arrondi selon une courbure concentrique à l'axe de rotation situé au niveau dé
la partie la plus massive de l'aube.
3. Turbo-détendeur selon une des revendications précédentes caractérisé en ce que
les aubes directrices orientables présentent à partir de l'axe de rotation de l'aube
deux ailes d'inégale longueur.
4. Turbo-détendeur selon une des revendications précédentes caractérisé en ce que
la plus grande aile de l'autre directrice orientable se termine par un bord de fuite
et en ce que la plus petite aile de l'aube directrice orientable se termine par un
bord d'attaque.
5. Turbo-détendeur selon une des revendications précédentes caractérisé en ce que
la disposition géométrique des axes de rotation des aubes. directrices orientable
est telle que d'une part le bord de fuite d'une aube directrice orientable (5A) en
position de fermeture complète se pose sur la partie arrondie de l'angle au sommet,
dite zone neutre, de l'aube voisine (4A) et que d'autre part la base du profil triangulaire
d'une aube directrice orientable (4A) associée au petit côté du profil triangulaire
de l'aube voisine (3) forment un canal convergent de dis tribution du fluide, quel
que soit le degré d'ouverture de l'une ou l' autre des aubes considérées
6. Turbo-détendeur selon une des revendications précédentes caractérisé en ce que
une couronne de commande (9), concentrique au cylindre d'admission (10) et actionnée
par l'intermédiaire d'une tringlerie (17) est nantie de rampes de guidage (8, 14,
15, 16) pour collaborer avec des rouleaux (4R; 5R, 6R, 7R, 11R, 12R, 13R) montés chacun
au bout d'un bras (4B, 5B, 6B, 6B, 11B, 12B, 13B) rendu solidaire de l'axe de rotation
(4P, 5P, 6P, 7P, IIP, 12P, 13P) de chaque aube directrice orientable (4A, 5A, 6A,
7A, 11A, 12A, 13A) pour réaliser une ouverture ou une fermeture progressive du secteur
d'injection (2)
7. Turbo-détendeur selon une des revendications précédentes caractérisé en ce que
la couronne de commande (9) est constituée de deux plateaux (18 et 19) solidarisés
entre eux et portant chacun des rampes de guidage (8, 14, 15, 16) réparties de manière
à réaliser une ouverture ou une fermeture progressive du secteur d'injection (2).
8. Turbo-détendeur selon une des revendications précédentes caractérisé en ce que
un servo-moteur alimenté par le fluide véhiculé est relié à la tringlerie (17) de
la couronne de commande (9) pour actionner l'ouverture ou la fermeture du secteur
d'injection (2).