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BREVET D'INVENTION Turbine pour la détente de gaz en vue de la production de basses températures
Dans le fractionnement ou séparation d'air en ses éléments par refroidissement à basse température, il est souvent avantageux de détendre l'air ou les produits du fractionnement avec produc- tion de travail extérieur à de basses températures. Il a déjà été proposé à plusieurs reprises d'effectuer la détente dans une turbine. Toutefois, la réalisation pratique de ce mode opératoire n'a jusqu'ici pas encore réussi d'une manière satisfaisante, car l'abaissement de température obtenu était trop faible.
Les diffi- oultés consistent en ce que les quantités de gaz sont relativement petites, d'autant plus que dans beaucoup de cas une partie seule. ment des produits du fractionnement doit être détendue et qu'en outre le fluide moteur à détendre est très dense en raison des basses températures. La chute de température, à utiliser pour la production de travail, est également la plupart du temps très petite,
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de sorte que les pertes dans les conduites d'amenée et d'évacua- tion entrent fortement en ligne de compte. Il est par suite diffi- aile d'atteindre un rendement interne favorable lors de la détente; en outre le rayonnement de chaleur à partir de l'extérieur joue un rôle important.
Ce rayonnement de chaleur se traduit, contraire- ment à ce qui est le cas pour des turbines à vapeur et à gaz, qui travaillent dans une région de température élevée, par une diminu- tion de la chute de température,
La présente invention obvie à ces inconvénients. Confor- mément à l'invention, le gaz à détendre est détendu dans une tur- bine à marche rapide, qui consiste en un étage ou en un petit nom- bre d'étages et dont les couronnes d'aubes sont disposées sur une roue mobile de petit diamètre.
L'arbre est tourillonné exclusivement dans le carter de la machine, actionnée par la turbine, ou d'un mécanisme de transmis- sion. En supportant d'un seul coté la roue mobile, les pertes de froid, qui sont dues à la transmission de chaleur à partir des pa- liers, par l'intermédiaire de l'arbre, au gaz détendu dans la tur- bine, sont fortement réduites. Le corps ou enveloppe de la turbi- ne n'est en outre pas supporté par lui-même, mais est exclusive- ment assemblé au carter de la machine commandée ou du mécanisme de transmission, à savoir de telle manière que les surfaces de contact sont limitées à un minimum, de sorte qu'ici encore il se produit un apport aussi faible que possible de chaleur à la turbine.
On choisit d'ailleurs pour la surface, absorbant de la chaleur, de l'enveloppe de la turbine, une valeur aussi petite que possible, et le garnissage calorifuge est disposé de toute part d'une manière très efficace et, si possible, est réuni à celui de l'appareil de fractionnement.
L'amenée du gaz à détendre à partir de l'appareil de fractionnement à la turbine, le retour du gaz détendu à l'échangeur de température à contre-courant,intercalé dans l'appareil de fraction- nement,ainsi que le passage à travers les parties de la turbine qui ne sont pas destinées à la transmission de travail, s'effectuent avec une faible vitesse d'écoulement et avec aussi peu de change-
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mente de direction que possible,pour éviter des pertes de pression.
Les dessins ci-joints représentent quelques exemples de réalisatioh, Sur la fig. 1 de ceux-ci, 1 désigne l'appareil de frac- tionnement de construction habituelle, qui n'est pas représenté de façon détaillée; 2 désigne la tubulure d'alimentation de la turbine, 3 la tuyère, 4 l'aubage,5 la roue mobile, 6 la tubulure d'évacua- tion. Dans ce cas, l'écoulement se produit de l'extérieur vers l'in- térieur ; mais il est également facilement possible de prévoir la direction inverse d'écoulement c'est-à-dire de faire arriver le gaz par l'intérieur et de le ramener par l'extérieur à l'éohan- geur de température à contre-courant. Cette disposition est spé- cialement à recommander, lorsqu'il est prévu plus d'un étage.
On peut,dans le cas limite,choisir, pour le diamètre de la couronne interne d'aubes 4, une valeur si faible qu'il ne dépasse que d'une faible mesure le diamètre de la tubulure 6. L'arbre de turbine 10 est tourillonné exclusivement dans le carter 11 du mécanisme de transmission; 13 et 14 désignent les coussinets des deux paliers.
Pour écarter les gaz froids autant que possible des parties chau- des, la distanoe entre la roue mobile 5 et le palier 13, situé du coté de la turbine, ne doit pas, comme elle l'est d'habitude, âtre choisie aussi petite que possible ; ondoit au contraire la choisir à dessin plus grande que celle correspondant aux exigences de cons- truction, de sorte qu'elle soit sensiblement égale ou même supé- rieure au diamètre de la roue mobile de la turbine. Ceci augmente, il est vrai, la flèche de l'arbre 10 sous l'influence des efforts de flexion et diminue par suite le nombre critique de tours de la turbine.
On peut toutefois obvier à cet inconvénient,en construi- sant la roue 5 en une matière d'un faible poids spécifique, par exemple en duralumin, tandis qu'on emploie pour l'arbre une mati- re d'une grande résistance,qui possède avantageusement une faible conductibilité thermique. La matière constitutive de l'arbre doit également avoir une valeur d'élasticité qui, pour la température de travail, ne doit pas être inférieure à environ 1,5. 106. A cet effet conviennent par exemple des aciers au chrome et au niokel, ou des aciers au nickel ayant subi un traitement thermique amélig-
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rant.
Comme matière constitutive pour la roue et pour l'aubage, on peut employer des métaux légers, en particulier l'aluminium, ou des alliages d'aluminium ayant subi un traitement thermique améliorant, par exemple du duralumin, qui, pour un faible poids spécifique, pos- sèdent une résistance élevée et dépendant peu de la température.
Avec ce mode de construction, il est également possible, sans dépas- ser le nombre critique de tours, d'atteindre des vitesses périphé- riques si élevées qu'on obtient, pour le rendement interne de la turbine, des conditions notablement plus favorables que jusqu'ici.
Pour écarter autant que possible l'apport de chaleur des parties rotatives de la turbine, on donne de préférence à l'arbre 10 une forme creuse, de sorte que la section transversale de con- duotion de chaleur est réduite sans compromettre notablement la résistance. Entre l'arbre 10 et le coussinet de palier 13 est de préférence disposée une douille évidée 12. Par des évidements mé- nagés dans le moyeu de la roue 5 de la turbine, on peut également abaisser la transmission de chaleur.
Pour limiter l'apport de chaleur par les parties fixes, on relie l'enveloppe de la turbine, par exemple par une nervure étroite 8 et par la bride 9, au carter 11 du mécanisme de transmis- sion. La bride est également avantageusement évidée; le cas échéant, on peut encore intercaler une couche calorifuge. On peut aussi,dans certaines circonstances,ménager,sur l'enveloppe de la turbine,des griffes,qui sont assemblées à des saillies appropriées du carter du mécanisme de transmission,de préférence dans le plan horizontal mé- dian;dans ce cas également on peut intercaler une couche calorifuge.
Toute la turbine,y compris les conduites d'amenée et d'é- vacuation du fluide,est entourée de toute part par une matière ca- lorifuge 15,dont l'épaisseur est aussi grande que possible,surtout sur le coté éloigné de l'appareil de fractionnement. Ceci est ren- du possible par la distance importante entre la turbine et le car- ter du mécanisme de transmission. La bonne isolation calorifuge du gaz à détendre permet de maintenir les paliers de l'arbre, sans perte de froid,à des températures notablement plus élevées que la température du gaz, de sorte qu'on peut employer les lubrifiants
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habituels pour les paliers.
Il a été décrit ci-dessus une turbine suivant l'inven- tion avec détente dans un seul étage. Si plusieurs étages devaient être nécessaires, on n'emploie également, pour rendre les dimension! extérieures aussi petites que possible, qu'un seul rotor. On dispo- se par suite les étages dans le sens radial, ou on emploie des éta- ges de vitesse, en recueillant le fluide moteur à sa sortie des aubes dans une pièce t'inversion et en l'amenant encore une fois à la couronne d'aubes.
Dans le dernier cas, la pièce d'inversion est, conformément à l'invention, divisée par des aubes intermédiaires du cote de la sortie du fluide, de telle manière que la section transversale totale de passage de la pièce d'inversion n'est, il est vrai, accrue que dans une faible mesure dans le sens de la direo- tion d'écoulement,mais que le degré d'admission,lors de la réintro- duction du fluide moteur dans la couronne d'aubes,est toutefois no- tablement accru, même rendu 2 à 3 fois plus grand par rapport à l'endroit d'entrée dans la pièce d'inversion. On détermine par sui- te la section transversale libre de passage de la pièce d'i nver- sion uniquement d'après l'écoulement qui se produit dans celle-oit de manière à éviter des phénomènes de cavitation.
Par contre, on adapte le degré d'admission dans la couronne d'aubes, lors de la réintroduction du fluide moteur, à la vitesse relative réduite, L'angle de sortie à partir de la pièce d'inversion peut par suite . être choisi de telle manière que la réintroduction du fluide mo- teur s'effectue sans pertes dues à des chocs. Cete caractéristi- que de l'invention peut être appliquée aussi bien à des turbines axiales qu'à des turbines radiales.
La fig.II représente un exemple de réalisation pour une turbine radiale. 16 désigne la première couronne directrice (tuyè- res), dans laquelle s'effectue la détente du fluide moteur;celle-ci peut être complète, mais on peut également admettre un léger effet de réaction. 17 désigne l'auvage de la roue mobile, 18 la pièce d'inversion. Comme il ressort de la fig.II, la pièce d'inversion est, sur le coté d'entrée, oonstruite de la manière habituelle;le de-
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gré d'admission est donné par la longueur d'arc b1. Du coté de la sortie,la pièce d'inversion est divisée par les aubes intermédiai- res 19.
On peut naturellement, au lieu de deux aubes intermédiai- res, suivant les circonstances, en prévoir un plus grand nombre ou aussi seulement une. Le degré d'admission pour la réintroduction du fluide moteur dans la couronne d'aubes est donné par ±, b2 étant notablement plus grand que b .
La fig. III représente une vue en coupe radiale par une turbine avec une pièce d'inversion. Pour obtenir des conditions d'écoulement aussi favorables que possible, on construit la pièce d'inversion de telle manière qu'elle soit également de hauteur va- riable,à savoir de telle sorte que la hauteur diminue graduelle- ment de h1 vers h2:le degré d'admission b2 est ainsi également accru. Lorsque,comme dans l'exemple de réalisation considéré, la pièce d'inversion occupe, en raison du petit diamètre de la roue, une partie importante de l'espace restant à l'intérieur de la cou- ronne d'aubes, il est bon de donner à la roue 20 (comme représen- té sur la fig.III) une forme oonique, le centre de gravité de la roue s'écartant notablement en direction axiale de celui du moyeu.
:Le centre de gravité de la roue est ainsi rapproohé des paliers et le nombre critique de tours est abaissé, sans que les distances du gaz froid à détendre par rapport aux parties plus chaudes soient diminuées.
La pièce d'inversion suivant l'invention peut également être appliquée à plusieurs étages de vitesse, lorsque les dimen- sions de la roue le permettent. Cette pièce d'inversion possède une importance particulière lorsque le rapport de la vitesse pé- riphérique à la vitesse de sortie de la tuyère est grand, car alors la vitesse relative lors du second passage du fluide à travers la couronne d'aubes est notablement plus petite que lors du premier passage à travers celle-ci.
Par les dispositions décrites ci-dessus, on obtient un abaissement notable de la température du gaz lors de sa détente dans la turbine. Il y a particulièrement lieu de remarquer qu'il ne
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suffit pas, lorsqu'on atteint un abaissement de température par la détente, que la turbine possède un bon rendement dans le sens habi- tuel. Le rendement effectif,comprenant également les pertes méoa- niques,ne présente pour le fractionnement de l'air en ses éléments qu'une importance secondaire. Nais,d'autre part, un rendement in- terne élevé n'est en lui-même pas suffisant dans le cas présent.
Comme on peut le voir par exemple en se basant sur un diagramme entropique, le travail interne d'une turbine, marohant de basses températures, est en effet accrû par un apport de chaleur à partir des environs,bien que la température finale de la détente s'élève.
Mais ceci doit être évité dans le cas présent ; il faut par suite veiller à obtenir, en outre d'un rendement interne élevé de la tur- bine, encore une isolation thermique excellente.
Le procédé suivant l'invention pour la détente de gaz avec production de travail extérieur peut être réalisé avec un re- froidissement,qui correspond au moins à celui pouvant être atteint dans des machines à piston. La turbine suivant l'invention possède une importance particulière pour les procédés de fraotionnement de l'air, dans lesquels l'air ou les produits de la séparation frac- tionnée ne sont,pour couvrir les pertes de froid, détendus, à la tem- pérature de l'air liquide, que de quelques dixièmes d'atmosphère, car il se produit des difficultés de fonctionnement avec ces ma- chines à. piston.
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