<Desc/Clms Page number 1>
" TURBINE HYDRAULIQUE "
<Desc/Clms Page number 2>
L'invention concerne les tubines hydrauli- ques à étages multiples, par exemple celles qui ser- vent à actionner une sonde rotative au cours du forage de trous de sonde.'
Lorsqu'on fait fonctionner les tubbines dans des conditions rigoureuses dans lesquelles les aubes et les portées de la turbine sont susceptibles de s'user rapidement, il est nécessaire d'examiner fré- quemment l'interieur de la turbine et de remplacer les éléments usés et il convient de pouvoir effectuer cette opération facilement et rapidement.
Tel est le cas en particulier d'une turbine hydraulique qui actionne une sonde rotative au cours du forage d'un trou de sonde et qui est située au voisinage de la sonde à l'extrémité inférieure d'une tige de sondage et est actionnée par la boue de forage ou autre fluide refou- lé de haut en bas dans la tige par une pompe. La tige de forage peut être immobile ou tourner très lente- ment de façon à l'empêcher de se coincer ou de prendre une légère flexion dans sa portion inférieure en don- nant lieu à une déviation nuisible. L'action abrasi- ve exercée par la boue de forage et la forte charge et les chocs violents qui accompagnent le forage ren- dent ces turbines, dont les dimensions sont stricte- ment limitées à cause du faible diamètre du trou de sonde, très susceptibles de s'user et de s'endommager.
Elles doivent,donc être sorties du trou de sonde fréquemment pour en examiner l'intérieur et rem- placer les éléments usés s'il y a lieu. Par suite il est important de pouvoir remplacer rapidement le rotor complètement assemblé dans l'enveloppe du stator.
<Desc/Clms Page number 3>
Un autre avantage d'un assemblage facile et rapide consiste dans la réduction du prix de revient de fabrication.
Une turbine d'une forme de construction con- nue qui comporte une enveloppe de stator en deux moi- tiés qui peuvent être séparées pour pouvoir monter et démonter le rotor complètement assemblé est beaucoup trop compliquée pour pouvoir servir danc les cas pré- cités. De plus le dispositif d'accouplement qui as- semble les éléments du stator, tel que des brides boulonnées fait augmenter le diamètre extérieur de l'enveloppe de la turbine dans des conditions fâcheu- ses lorsque la turbine doit être installée dans un es- pace de volume aussi réduit que celui d'un trou ae sonde.
Par suite une turbine hyaraulique à stages multiples suivant l'invention comporte un stator et un'rotor dont les aubes sont disposées de façon à per- mettre de faire sortir le rotor complètement assemblé de sa position de fonctionnement dans le stator com- plètement assemblé par un mouvement par rapport au stator 'dirigé suivant l'axe ou dirigé suivant l'axe et accompagné'd'un mouvement de rotation autour de l'ace.
Ce résultat peut pêtre obtenu au moyen d'une turbine dont toutes les couronnes du stator et du rotor com- portent le même nombre d'aubes et en construisant l'aubage de façon que la largeur périphérique des aube; du rotor suivant un diamètre quelconque soit plus pe- tite que l'intervalle périphérique entre les aubes du stator suivant de même diamètre.
Suivant une autre caractéristique de l'in-
EMI3.1
vention, elle a pour objet nne Ü1GU,11ntlon de t'l11'.:..>\! d'un trou de sonde, dont le sonde rut.-:tive eit i.cticn-
<Desc/Clms Page number 4>
née par une turbine hydraulique @@sposée à coté d'elle et actionnée par.le fluide ou la boue de forage refou- lée par une pompe dans la tige de forage, et dont les aubes des couronnes du stator et du rotor sont dispo- sées de façon à permettre de sortir le rotor complè- de sa position de fonctionnement dans le stator complètement assena tement assemblé/par un mouvement par rapport au stator dirigé suivant l'axe,.ou dirigé suivant l'axe et accom- pagné d'un mouvement de rotation autour de l'axe.
De plus suivant l'invention l'aubage de la turbine hydraulique est construit de façon que toutes les couronnes du stator et du rotor comportent le même nombre d'aubes, dont la forme est choisie de.façon que la largeur périphérique des aubes du rotor suivant un diamètre quelconque soit plus petite que l'intervalle périphérique entre les aubes du stator suivant le même diamètre, en choisissant les orientations relatives des couronnes du rotor par rapport à l'axe du rotor et-des couronnes du stator par rapport à l'axe de la turbine, de façon à permettre de faire sortir le rotor de sa position de fonctionnement ou de l'y remonter lorsque le"rotor et le stator sont tous deux complète- ment assemblés par un mouvement par rapport au stator dirigé suivant l'axe ou dirigé suivant l'axe et accom- pagné d'un.mouvement de rotation autour de l'axe.
Dans un cas l'orientation de.toutes les cou- ronnes du rotor est la même par rapport à l'axe du rotor de sorte que les aubes de chaque couronne du ro- tor sont dans le prolongement de celles des autres couronnes et l'orientation de toutes les couronnes du stator est la même par rapport à l'axe de la turbine, de sorte que les aubes de chaque couronne au stdtor sont dans le prolongement de celles des autres couron- nes du stator.
<Desc/Clms Page number 5>
Dans un autre cas, les orientations relati- ves des couronnes du rotor par rapport à l'axe du ro- tor sont choisies de façon que les aubes des couronnes successives/u'une extrémité à l'autre du rotor) soient décalées du même angle autour de l'axe du rotor par rapport aux aubes correspondantes de la couronne pré- cédente, et que les orientations relatives des aubes du stator soient les mêmes par rapport à l'axe du sta- tor et, par suite, qu'on puisse faire sortir le rotor complètement assemblé de sa position de fonctionnement: dans le stator complètement assemblé, par un mouvement dirigé suivant l'axe et'accompagné d'un mouvement de rotation autour de l'axe.
Dans ce cas, des dispositifs peuvent être prévus de façon à transmettre au rotor le mouvement de rotation nécessaire en exerçant sur lui un effort dirigé suivant l'axe pour le monter ou le démonter. Il n'est pas nécessaire que le mouvement 'de rotation soit continu.
Une turbine choisie de préférence suivant l'invention comporte au moins vingt et de préférence trente étages.
La largeur périphérique de chaque aube de la turbine doit être considérée comme représentant la dimension'maximum mesurée dans la direction périphé- rique des contours des aubes en projection sur un plan' perpendiculaire à l'axe de la turbine. Le pas d'une couronne d'aube uniformément réparti sur la périphérie de la couronne doit 'être considéré comme désignant la distance entre des points correspondants des aubes successives.
Il est évident que, comme les' couronnes du stator et du rotor comportent'chacune le même nombre d'aubes uniformément réparties sur leur périphérie-,
<Desc/Clms Page number 6>
le pas des aubages du stator et du rotor est le même et par conséquent la largeur périphérique des aubes du stator suivant un diamètre quelconque est plus petite que l'intervalle.périphérique entre les aubes du rotor suivant le même diamètre. Dans un cas particulier, si le pas des aubages du stator et du rotor est le même et si la largeur périphérique des aubes est la même, la largeur périphérique des aubes suivant un dia- mètre quelconque doit être inférieure à la moitié du pas des aubes suivant le même diamètre.
Il est facile de voir que, les aubages étant disposés suivant l'invention, on peut monter ou démon- ter le rotor complètement assemblé de sa position de fonctionnement par rapport au stator complètement as- semblé puisque les aubes de chaque couronne du rotor peuvent passer dans les intervalles entre les aubes de chaque couronne du stator et que les aubes.de cha- que couronne du stator peuvent passer dans les inter-' valles entre les aubes de chaque couronne du rotor.
Suivant une variante, la première ou la der- nière couronne du stator de la turbine, mais non les deux, peuvent comporter un nombre d'aubes différent de celui des .autres couronnes du stator et/ou peuvent comporter'des aubes dont la largeur est plus grande que l'intervalle entre les aubes des couronnes du ro- tor. Mais cette solution n'est possible que lorsque la couronné en question du stator est la première ou la dernière couronne des aubes de la turbine.
De même, la première ou la dernière couronne du rotor, mais non les deux, lorsque cette couronne est en même temps la première ou la dernière couronne des aubes..de la turbine, peuvent comporter un nombre
<Desc/Clms Page number 7>
dtaubes différent de celui des autres couronnes du ro- tor et/ou peuvent comporter des aubes dont la largeur est plus grande que l'intervalle entre les aubes..des couronnes du stator.
Il est facile de voir que dans le cas où la première couronne de,la turbine consiste en une couronne ' de stator modifiée ou lorsque la dernière couronhe con- siste en une couronne de rotor modifiée, le rotor doit être démonté et monté par l'extrémité de sortie de la turbine et qu'il est possible de construire une turbine dans laquelle la première couronne est une couronne de stator modifiée et la dernière, une couronne de ro- tor modifiée. Inversement,.lorsque la première couron- ne consiste en une couronne de rotor modifiée, et/ou la dernière couronne consiste en une couronne de stator modifiée,.le rotor doit être sorti par l'extrémité d'entrée de la turbine.
On peut obtenir le rapport, qui doit être inférieur à l'unité, entre la largeur des aubes du ro- tor et l'intervalle entre les aubes du stator en augmen- tant le pas des aubes ou en diminuant la largeur des aubes du rotor par,comparaison avec les mêmes dimen- sions de l'aubage d'une turbine du type courant. On peut adopter l'une, ou'l'autre de ces variantes ou les deux, par exemple si la vitesse suivant l'axe doit être beaucoup plus grande par rapport à la vitesse de tour- billonnement que d'habitude, étant donné que pour une valeur donnée'de là vitesse de tourbillonnement, toute augmentation de la vitesse axiale du fluide fait dimi- nuer le degré de déviation de l'aubage et par suite la largeur périphérique.
De même, plus la déviation est faible, plus est grande la valeur du rapport entre le pas et la corde, qui doit être choisie sans que le ceu-
<Desc/Clms Page number 8>
rant du fluide risque de ne pas suivre le contour des intervalles entre les aubes, du fait que la charge des aubes est excessive.
Il est'facile de voir également que suivant la longueur axiale de l'aube sa largeur dépendre l'an- gle entre l'axe de la turbine et la corde de l'aube et que pour contribuer à obtenir un meilleur rende- ment, il convient de donner une faible valeur à cet angle.
Suivant une forme de réalisation choisie de préférence de l'invention, l'angle de déviation (c'est- à-dire l'angle de déviation de la veine liquide pas- sant dans l'intervalle entre deux.aubes) est égal ou inférieur à 90 et l'angle de 'le corde (c'est-à-dire l'angle entre l'axe de la turbine et la corde de l'au- be) est compris entre 0 et 20 , tanais que la valeur du rapport entre le pas et la largeur périphérique des-aubes-n'est pas inférieur à celle qui est nécessai- re pour permettre d'effectuer l'assemblage de la ma- nière décrite ci-dessus.
Une grande vitesse.axiale dans les turbines à quelques étages,seulement donne lieu à une ."perte à la sortie" excessive due à l'énergie cinétique du fluide à"ia sortie'de la turbine, à moins que des mesu- res spéciales soient prises pour récupérer cette éner- gie, mais dans les turbines à un plus grand nombre d'étages, cette perte à la sortie devient relativement moins importante et par suite la forme de construction des aubes suivant l'invention convient particulière- ment aux turbines à un grand nombre d'étages, tel qu'il est nécessaire dans une turbine hydraulique de commande d'une sonde rotative sans transmission de'ré- duction de vitesse,
dont le nombre d'étages doit être
<Desc/Clms Page number 9>
grand poyr obtenir une puissance suffisante en raison du diamètre restreint du trou de sonde dans lequel la turbine doit fonctionner.
Des exemples de turbines suivant l'invention sont décrits ci-après avec le dessin ci-joint à l'appui sur lequel : - la figure l représente schématiquement, à titre explicatif, le développement à l'échelle d'une portion de la périphérie des couronnes de deux stators et d'un rotor d'une turbine d'un type connu; - la figure la représente le diagramme des vecteurs de vitesse correspondent aux dispositions des aubes des figures 1 et 2; 1 - la figure 2 représente le développement à l'échelle d'une portion de couronne 'de deux stators et d'un rotor d'une turbine, dont les aubes ont le même profil que celles de la figure 1, mais dont le pas' est plus grand;
- la figure 3 représente le développement à l'échelle d'une portion des couronnes de deux stator 'et d'un rotor d'une, turbine suivant l'invention, dont ! le pas des aubes est sensiblement le même que sur la figure 1, mis dont la largeur périphérique des aubes est sensiblement réduite ; - la figure 3a représente le diagramme des vecteurs de vitesse correspondant aux dispositions des aubes de la figure 3;
la, figure-4'représente le développement à l'échelle d'une portion des couronnes de deux stators et d'un rotor d'une turbine suivant l'invention dont la largeur périphérique et le profil des aubes des stators et du rotor sont les mêmes,et - la figure 4a représente le diagramme des
<Desc/Clms Page number 10>
vecteurs de vitesse correspondant aux dispositions des aubes de la figure 4.
La turbine dont quelques aubes sont représen- tées sur la figues 1 est d'un type connu et le pas P des aubes de ses stators S et de son rotor'R est le même. Le fluide passe dans l'intervalle des aubes dans la direction de la flèche. Ainsi qu'on peut le voir la largeur WR des aubes du rotor est sensiblement éga- le à la largeur WS des aubes des stators, mais ces lar- geurs peuvent être différentes dans d'autres formes de construction.
Le diagramme des vecteurs de vitesse corres- pondant aux profils des aubes de la figure 1 est repré- senté aur la figure la sur laquelle Va désigne la composahte axiale de la vitesse du fluide, VW1 la vi- tesse du tourbillonnement du fluide sortant de la pre- mière couronne de l'aubage du stator, VW2 la vitesse du-tourbillon du fluide sortant de l'aubage du rotor et u la vitesse des aubes du rotor. Il en résulte que les vecteurs KO et OL représentent les vitesses résul- tantes du fluide par rapport à l'aubage en mouvement du rotor' et KN et OM les vitesses résultantes absolues du fluide dans chaque cas respectivement avant et - après son..passage dans l'aubage du rotor.
On voit que les angles d'entrée et de sortie des séries 1 et 2 des aubes des stators et du rotor de cette forme de construction (angles ENR EXR et ENS, EXS respectifs) sont-relativement aigus, d'où il ré- sulte que les angles de déviation respectifs ADR et ADS sont relativement grands (sensiblement supérieurs à 90 ) et que les angles des cordes respectifs CAR et CLS sont relativement grands (supérieurs à 30 ), C' est-à-dire que dcns la direction axiale les contours
<Desc/Clms Page number 11>
ou projections des aubes du rotor 9, de largeur péri- phérique WR se recouvrent sensiblement en ne laissant subsister entre eux qu'un intervalle très étroit GR, tandis que les aubes du stator S,
de largeur périphé- rique WS se recouvrent sur une distance OS. Il est évident que dans ces conditions le montage ou le démon- tage du rotor complètement assemblé dans le stator complètement assemblé par un mouvement axial est impos- sible.
Suivant la figure 2, les aubes du rotor R et celles du stator S ont le même profil que celles de la figure 1, mais le pas P a été augmenté de façcn à rendre la largeur WR des aubes du rotor plus petite que l'intervalle GS entre les aubes du stator. Il est évident qu'en même temps la largeur WS des aubes du stator S est inférieure à l'intervalle GR entre les aubes du rotor et que dans ces conditions le rotor peut être monté ou démonté dans le stator dans la di- rection de l'axe. Mais l'augmentation de la largeur des intervalles de passage du fluide risque d'avoir pour effet de guider insuffisamment par les aubes de mouvement de la veine liquide motrice, en faisant ainsi, diminuer le rendement de la turbine.
Le pas des aubes P de la turbine de la figu- re 3 est sensiblement le même ,que celui des aubes de la figure 1, mais la largeur des Aubes a été réduite par rapport à celle des aubes de la figure 1, de façon à rendre la largeùr WR des aubes du rotor inférieure à l'intervalle GS entre les aubes du stator et par con. séquent la largeur WS des aubes du stator devient en même temps inférieure à ltintervalle GR entre les au- bes du rotor.
En même temps les angles d'entrée et de sor-
<Desc/Clms Page number 12>
tie des aubes sont plus grands que ceux des aubes des figures 1 et 2 ou en d'autres termes, l'angle de dévia- tion est plus petit (de préférence inférieur à 90 ), tandis que les angles des cordes sont plus petite (de préférence compris entre 0 et 20 ) Il en résulte comme l'indique la figure 3a qui représente le diagram- me des vecteurs de vitesse correspondant, que la valeur du rapport entre la vitesse axiale et la vitesse du tourbillon augmente sensiblement. Dans ces conditions dans lesquelles l'angle de déviation diminue et le rapport entre le pas et la largeur périphérique augmen- te, la veine liquide risque moins de se détacher que dans l'aubage de la figure 2.
Quoique la forme de construction de l'aubage suivant l'invention donne lieu à une vitesse axiale plus grande que dans l'aubage du type connu de la fi- gure 1, il convient que cette vitesse axiale ne soit pas supérieure à celle qui est nécessaire pour remplir la condition de l'assemblage, car lorsque la vitesse- axiale augmente pour une masse donnée de fluide auteur passant dans la turbine, la hauteur de l'aubage doit être réduite en donnant lieu à des pertes relativement plas fortes à la base et à l'extrémité des aubes.
Suivant la figure 4, l'invention est appll quée à un aubage dont les aubes du rotor et du stator sont géométriquement semblables, dont les angles d'en- trée de l'aubage du, stator sont égaux aux angles d'en- trée de l'aubage du rotor et dont les angles de sortie de l'aubage du rotor et du stator sont aussi égaux.
La figure 4a représente lediagramme des vecteurs de vitesse correspondants.
EMI12.1
On voit que d ns cettE'r furme do :=r¯. .aß.-- la largeur l13 des aubes du stëtcr st inf :r z.:re,
<Desc/Clms Page number 13>
comme précédemment, à l'intervalle GR entre les aubes du rotor ou, en d'autres termes, que la largeur des aubes du stator est inférieure à la moitié du pas P de aubes.
Les formes de construction des figures 2,
3 et 4, qui sont des, exemples.de réalisation de l'in- vention, permettent de monter le rotor ou de le démon- ter dans le sens de l'axe de sa position de fonction- nement par rapport au stator.
Dans certains cas, il peut être avantageux de donner à la couronne des aubes du premier stator, qui se trouve du côté à haute pression ou à l'extrémité . d'entrée de la turbine, une forme différente de celle des couronnes d'aubes des autres stators, de façon 3 faire correspondre l'angle d'entrée dans le stator au mouvement,sensiblement axial suivi par le fluide sous pression à son arrivée dans la turbine. Mais cette solution n'empêche pas de monter et de démonter le rotor, étant donné qu'on peut toujours introduire le rotor complètement assemblé et le faire sortir du stator complètement assemblé par l'extrémité de sortie de la turbine et que par suite les couronnes des aubes du rotor n'ont pas besoin de passer.dans une couronne des aubes du stator du côté de l'entrée de la turbine.
,il peut être intéressant de faire en sorte que le fluide sortant de la turbine suive une direc- tion sensiblement axiale. Ce résultat peut être obte- .., nu en donnant une'forme appropriée à la dernière cou- ronne d'aubes et, si la dernière couronne d'aubes à l'extrémité de sortie de la turbine est une couronne d'aubes de rotor, il est facile de voir qu'on peut mo- difier le profil des aubes de cette dernière couronne sans rendre le rotor complètement assembla moins faci-
<Desc/Clms Page number 14>
le à démonter et à monter par l'extrémité de sortie de la turbine, étant donné que dans ce cas il n'est pas nécessaire de faire passer.la couronne dés aubes modifiées du rotor à travers une couronne quelconque des aubes du stator.
Il est nécessaire .d'introduire le rotor com- plètement assemblé par l'extrémité d'entrée de la'tur- bine lorsque la dernière couronne d'aubes à l'extrémi- té de sortie de la turbine est une couronne d'aubes de stator qui a été modifiée pour obtenir une vitesse de sortie du fluide sensiblement axiale.
De même, le rotor complètement assemblé est introduit par l'extrémité.d'entrée de la turbine, lors- que la première couronne de cette extrémité est une couronne d'aubes de rotor, qui comporte des aubes différentes de celles;des autres couronnes du rotor, pour faire suivre une direction axiale au fluide sous pression qui arrive dans la première couronne d'aubes du rotor.