Rotor de turbine centripète La présente invention a pour objet un rotor de turbine centripète, notamment un rotor de turbine à gaz fonctionnant à de grandes vitesses et à des températures élevées.
On admet généralement que les aubes de tels rotors doivent être pratiquement radiales afin de ré sister aux très gros efforts dus à la force centrifuge à grande vitesse, tout particulièrement à haute tem pérature quand la matière constituant les aubes est affaiblie. Les rotors des turbines centripètes connues présentent des aubes radiales sur toute leur longueur et il est courant de dessiner les aubes en établissant l'une des lignes d'écoulement, par exemple la ligne moyenne ou ligne de moyeu, et en construisant la surface de l'aube en faisant passer des lignes radiales par chaque point de ladite ligne moyenne. Il résulte nécessairement de cette construction qu'à la sortie des aubes la tangente de l'angle de sortie est in versement proportionnelle au rayon.
Une telle varia tion de l'angle de sortie le long des bords de sortie de l'aube entraîne de sérieuses pertes.
On connaît un procédé pour la construction d'un aubage pour des dispositifs à fluide élastique, dans le but d'obtenir un aubage de haut rendement qui se caractérise en partculier par le maintien, à travers les passages qu'il comporte, d'un courant tourbil lonnaire de l'entrée à la sortie de l'aubage. Un tel aubage donne toute satisfaction en ce qui concerne le fonctionnement thermodynamique, mais il im plique des parties non radiales des aubes qui con duisent à des efforts de flexion excessifs au cours du fonctionnement à haute vitesse.
Le rotor faisant l'objet de la présente invention est caractérisé en ce qu'il comprend un moyeu tour nant autour d'un axe fixe, des aubes portées par le moyeu et s'étendant radialement vers l'extérieur, chaque aube comportant un bord d'entrée s'éten- dant parallèlement à l'axe du moyeu et un bord de sortie s'étendant vers l'extérieur par rapport à cet axe, les régions d'entrée des aubes recevant un écou lement d'un milieu gazeux sous pression présentant une composante d'écoulement radiale dirigée vers l'intérieur et les aubes déchargeant le milieu en un courant tourbillonnaire dans leurs régions de sortie,
caractérisé en ce que la région de sortie précédant le bord de sortie de chaque aube présente une sec tion droite radiale qui se modifie à partir d'une direction purement radiale de manière à présenter un angle de sortie constant, les régions d'entrée et de sortie de l'aube étant reliées l'une à l'autre de ma nière continue par une région intermédiaire de tran sition hélicoïdale.
L'aube est ainsi sensiblement radiale sur la ma jeure partie de son étendue dans la direction de l'écoulement et ne s'écarte de cette direction radiale que dans la région de sortie où, cependant, l'écart est d'une nature spéciale comme on le verra plus loin. Il en résulte un courant tourbillonnaire à l'en trée et à la sortie, avec certaines déviations de l'écoulement dans les parties intermédiaires des pas sages, les conditions étant néanmoins telles qu'on obtient un rendement élevé.
On a trouvé en parti culier qu'il est avantageux de dessiner les bords de sortie des aubes de manière que l'angle de sortie soit pratiquement constant sur toute l'étendue radiale du bord de sortie, plutôt que d'avoir un angle de sortie dont la tangente est inversement proportion nelle au rayon comme mentionné précédemment pour un aubage hélicoïdal. Quand l'angle de sortie est pratiquement constant, l'écoulement à la sortie de l'aubage est sensiblement tourbillonnaire. Il ré sulte de cette construction que l'étendue axiale dans laquelle règne une condition non radiale est faible.
La relation entre l'angle de sortie, la surface annu- faire de sortie et la surface d'entrée cylindrique ou pratiquement cylindrique de l'aubage assure le haut degré de réaction nécessaire pour éliminer le danger d'une séparation du courant à partir de la surface des aubes due à un brusque virage local. On obtient ainsi une grande vitesse de sortie, mais on a remarqué que l'effet de stabilisation de l'écoulement produit par une forte réaction compense le désavantage d'une vitesse de sortie élevée.
En outre, l'existence d'un angle de sortie constant produisant un écoulement de type tourbillonnaire assure un bon rendement en association avec un diffuseur de sortie, le courant pénétrant dans le diffuseur étant stable et éliminant ainsi les pertes de mélange. Un diffuseur est avan tageusement utilisé à la sortie des aubes d'une tur bine pour transformer la vitesse de sortie élevée en une élévation de pression qui entraîne un abaisse ment de la contre-pression à la sortie de la turbine.
La construction envisagée fournit en outre des moyens d'amortissement perfectionnés de la vibra tion.
Le dessin annexé représente, à titre d'exemple, une forme d'exécution du rotor objet de l'invention. La fig. 1 est une coupe axiale d'un turbocom presseur comprenant cette forme d'exécution.
La fig. 2 est une coupe partielle, à plus grande échelle, de la partie d'entrée de la turbine.
La fig. 3 est une vue en direction axiale prise depuis la droite de la fig. 2.
La fig. 4 est une vue partielle de l'extrémité de décharge du rotor de turbine.
La fig. 5 est une coupe, à plus grande échelle, selon 5-5 de la fig. 1.
Les fig. 6, 7 et 8 sont des coupes selon 6-6, 7-7 et 8-8 de la fig. 1, respectivement.
Le turbocompresseur représenté à la fig. 1 peut constituer une partie d'une installation à turbines à gaz ou être utilisé pour la turbo-alimentation d'un moteur à combustion interne. Il comprend un arbre 2 monté dans des paliers et qui supporte en porte à faux, par une bride 4, diverses sections 6, 8, 12 et 14 d'un moyeu de rotor, fixées ensemble et à l'ar bre par des tirants 16.
La section 6 du moyeu constitue un compresseur qui comprend un aubage de compresseur 18, le com presseur étant du type à écoulement mixte et agencé de manière à envoyer de l'air de la façon habituelle à travers un diffuseur jusque dans la zone d'utili sation, par exemple une chambre de combustion ou un moteur, assurant ainsi une turbo-alimentation.
La turbine comprend les trois sections 8, 12 et 14 du moyeu et les éléments portés par ces sections. La section 8 comprend un disque latéral 10 qui sé pare le compresseur et la turbine et constitue une paroi pour une partie des passages pour le gaz dans la turbine. Le disque 10 est légèrement conique à sa partie externe où il engage des parties d'aubes 20 portées par la section 12 du moyeu, cette construc tion entraînant une composante axiale de la défor mation du disque sous l'action des forces centrifuges qui presse le disque contre les bords des parties 20. Le contact est ainsi assuré dans toutes les conditions de fonctionnement afin d'amortir les vibrations et de permettre encore une différence d'expansion des par ties en contact.
La troisième section 14 du moyeu porte les parties d'aubes 22 qui constituent l'aubage avec les parties 20. La nouveauté du rotor décrit réside notamment dans cet aubage 20, 22. Ce der nier comprend dans l'exemple envisagé dix-huit aubes également espacées.
La construction décrite et représentée convient spécialement pour des roues de turbine relativement grandes, par exemple d'un diamètre de 20 cm ou plus, où les vibrations et les efforts thermiques cons tituent le problème principal. Dans les roues de tur bines plus petites où ces problèmes ne sont pas aussi sérieux, la roue peut être formée d'une seule pièce, c'est-à-dire que les trois sections 8, 12, 14 peuvent être coulées avec précision en une seule pièce. Ce pendant, les parties d'entrée 20 et de sortie 22 de l'aubage, bien que constituant une unité, répondent à des considérations spéciales de construction et seront décrites séparément, étant entendu qu'elles peuvent être réellement séparées ou constituer seule ment des parties d'aubes continues.
Si l'on considère d'abord les parties d'aubes 20 d'entrée portées par la section 12 du moyeu, il faut noter que chaque partie est centrée sur un plan axial et s'amincit de sa base vers sa pointe, comme le montre bien la fig. 3. Pour obtenir une résistance maximum, les parties extérieures des aubes doivent avoir une épaisseur uniforme en direction radiale vers l'intérieur jusqu'au point où les efforts centri fuges atteignent la valeur maximum permise par cette épaisseur. Depuis ce point, en continuant vers l'in térieur, les efforts maximums sont maintenus cons tants par l'emploi d'un profil d'aube hyperbolique. Les conduits 26 du moyeu entre les aubes sont for més de manière à assurer la continuité nécessaire pour le passage du gaz.
Le disque 10 engage les bords gauches 30 des aubes en regardant la fig. 2, pour former une paroi délimitant un passage pour le gaz dont l'autre paroi est constituée par la bâche 31 de la turbine le long des bords extérieurs des aubes. Le gaz admis ne pré sente pratiquement pas de composante axiale d'écou lement et les bords extérieurs 32 des aubes s'éten dent par conséquent parallèlement à l'axe.
L'admis sion du gaz est assurée, évidemment, avec une forte composante circonférentielle de vitesse d'écoulement grâce à des tuyères disposées radialement à l'ex térieur des bords 32 ou même, plus avantageusement, par la libre rotation du gaz dans une chambre annu laire qui n'est pas interrompue dans le voisinage des parties 20 des aubes par des vannes de guidage.
Le cou rant de gaz d'approche présente un mouvement tour billonnaire à l'entrée des passages de la turbine dé finis par les parties 20, les bords axiaux 32 recevant correctement le courant gazeux aux vitesses de fonc tionnement normales. L'aubage d'entrée décrit re- çoit donc l'écoulement dans des conditions tourbil lonnaires avantageuses et les conditions tourbillon naires peuvent être avantageusement maintenues à la sortie. Pour obtenir strictement ce résultat, les parties intermédiaires de l'aubage doivent s'écarter quelque peu de la direction radiale.
Mais l'analyse montre que si les parties d'aubes 20 sont radiales, comme décrit, l'écart par rapport à un écoulement tour billonnaire n'est pas suffisamment grand pour affecter sensiblement le rendement du fonctionnement. Un courant tourbillonnaire existe donc à l'entrée des passages formés par les parties 20, puis l'écoulement change de caractère dans les passages pour devenir à nouveau tourbillonnaire à la sortie desdits passages.
Les fig. 1 et 4 à 8 montrent les parties d'aubes 22 de sortie supportées par la section 14 du moyeu. Les bords d'entrée 38 des parties 22 présentent des sections radiales identiques aux sections radiales ad jacentes des parties d'aubes 20 d'entrée et les parties 20 et 22 sont maintenues alignées entre elles au moyen des tirants 16, les surfaces de guidage de l'écoulement se raccordant de manière continue avec les surfaces des parties d'aubes d'entrée. Une rondelle élastique et déformable 39 est disposée entre les sec tions 12 et 14 du rotor serrées étroitement l'une contre l'autre. Cependant, comme on l'a dit, les sec tions 12 et 14 du moyeu peuvent être d'une pièce, de même que les parties 20 et 22 des aubes.
A son bord d'entrée 38, la partie 22 de chaque aube est radiale. Au-delà, la surface centrale sur la quelle l'aube peut être considérée comme centrée s'écarte approximativement hélicoïdalement à partir d'un plan axial, avec une augmentation graduelle ment croissante de l'angle de l'hélice et avec le main tien d'éléments approximativement radiaux à travers sa région initiale. Toutefois, il existe un écart à par tir de la direction radiale comme on l'explique ci- après.
Le bord de décharge 40 de la partie 22 de l'aube est dessiné de manière à présenter un angle de sortie constant qui, selon les conditions de fonctionnement requises, peut varier par exemple de 22o à 35 en viron. Les variations de largeur des sections droites de cette partie de l'aube en fonction du rayon sont alors déterminées selon l'analyse conventionnelle des efforts, pour obtenir des efforts acceptables aux conditions de fonctionnement .prévues, ce qui con duit à un amincissement considérable des aubes du moyeu à la périphérie. On établit ainsi les profils du bord d'entrée 38, où l'angle d'entrée est de 900, et du bord de sortie 40, où l'angle de sortie a la valeur constante choisie.
Entre les bords 38 et 40, les profils pour différents rayons sont alors déter minés expérimentalement pour donner approxima tivement les sections représentées aux fig. 6, 7 et 8. II faut noter que seule la région proche du bord d'entrée 38 est fixée, tandis que le maintien d'un angle de sortie constant entraîne des sections margi nales de sortie, à divers rayons, qui peuvent être dis posées arbitrairement autour de l'axe du rotor. Par exemple, ces sections peuvent être déplacées angu- lairement autour de cet axe de manière arbitraire et les profils entre l'entrée et la sortie, à différents rayons, peuvent être déplacés de manière correspon dante tout en maintenant la variation appropriée de la section droite avec le rayon.
Le déplacement des sections marginales exté rieures avec le déplacement des profils aux divers rayons correspondants, est effectué de manière que les centres de gravité des diverses sections soient amenés en alignement radial. Le résultat final appa raît nettement en regardant les fig. 4, 6, 7 et 8. Les centres de gravité 42, 44 et 46 des sections repré sentées respectivement aux fig. 8, 7 et 6 sont alignés radialement (fig. 4).
Les centres 48, 50 et 52 des bords d'entrée de ces sections sont évidemment alignés radialement, comme conséquence de la condi tion de raccordement de la partie d'entrée de chaque partie d'aube 22 avec la partie 20 correspondante.
Il est évident, par suite des formes arquées des profils, que leurs centres de gravité ne sont en géné ral pas disposés à l'intérieur des sections, sauf dans la région du moyeu, d'où il résulte que les sections des parties d'aubes par des plans radiaux ne sont pas radiales mais s'écartent de la direction radiale comme indiqué à la fig. 5.
Cependant, chaque par tie de sortie de l'aube offre une grande résistance à la déformation sous l'action des forces centrifuges (a) en considérant une section à un rayon quelcon que comme une unité rigide, les forces centrifuges tendraient à aligner radialement les centres de gra vité des sections, résultat déjà atteint initialement dans la construction envisagée plus haut, et (b) chaque section en elle-même présente une forme ar quée,
de sorte que les efforts tendant à déformer une partie non radiale pour l'amener dans une po sition radiale sont assimilables aux efforts tendant à écraser un arc et subissant la même résistance offerte par cet arc. Chaque partie d'aube considérée comme un tout est ainsi fortement rigide en dépit du fait que les sections individuelles par des plans radiaux peuvent s'écarter considérablement de la forme radiale.
Il faut noter que bien qu'un alignement radial des centres de gravité des sections puisse théorique ment donner une résistance maximum à la déforma tion, cette condition ne peut être réalisée qu'approxi mativement, si l'on veut également obtenir une par tie d'aube hautement résistante à la déformation. Par exemple, en admettant que le long du bord d'en trée 38, la partie d'aube est radiale, sans tendance à une déformation sous l'action des forces centri fuges, les centres de gravité à aligner ne peuvent être que ceux de quelques parties arbitraires des sections d'aubes les plus proches du bord de décharge 40 où l'épaisseur de l'aube mesurée selon la circonférence est moindre.
De telles considérations se rencontrent particulièrement dans le dessin d'un aubage dans le quel les parties d'aubes 20 et 22 sont d'une seule pièce et quand l'alignement des centres de gravité est limité à la partie de chaque aube où des défor mations locales à partir de la condition radiale sont importantes.
Comme mentionné plus haut, le maintien d'une valeur approximativement constante de l'angle de sortie du bord de décharge de chaque aube donne naissance à un courant tourbillonnaire à la sortie de l'aube si le rapport ule de la vitesse périphérique des aubes de turbine à l'entrée à la vitesse de jail lissement théorique du gaz d'entraînement est voisin, pour la turbine, de 0,6 à 0,7, et si la réaction, c'est- à-dire la répartition de la chute de chaleur totale entre les tuyères et les aubes, est correctement faite. La réaction nécessaire est ordinairement obtenue avec le domaine d'angles spécifié plus haut pour les aubes et avec un rapport de surface précisé plus loin.
Un rapport ulc inférieur est avantageux parce qu'il en traîne un ralentissement de la vitesse de la pointe de l'aube pour une chute de chaleur donnée et réduit par conséquent les efforts, mais il entraîne un faible rendement. Un rapport ulc supérieur à 0,7 ne peut être obtenu habituellement par suite des efforts qu'il implique. Il arrive par conséquent que le domaine utile indiqué ci-dessus du rapport ulc coïncide avec l'écoulement tourbillonnaire dans le cas d'un angle de sortie approximativement constant le long de l'étendue radiale du bord de sortie.
Pour obtenir des résultats optimums, il est avan tageux que les surfaces d'entrée et de sortie de la turbine soient dans une relation déterminée avec l'angle de sortie sensiblement constant. Désignons par A1 la surface d'entrée cylindrique égale à la longueur axiale du bord d'entrée 32 multipliée par la circonférence correspondant au rayon dudit bord, par A., la surface annulaire de sortie balayée par le bord de décharge 40, et par (32 l'angle de sortie, on a la relation suivante A1 = kA:
, sin (32 où k n'est pas inférieur à 1,0 ni supérieur à 2,0, (3p variant de 220 à 35 environ comme indiqué plus haut.
Il est évident d'après ce qui précède que les aubes prévues sont très sensiblement radiales sur toute leur longueur et s'écartent faiblement de cette direc tion radiale à la sortie seulement, où elles présen tent la rigidité maximum, pourvu que l'entrée du fluide soit tourbillonnaire et que la décharge du fluide soit sensiblement tourbillonnaire, les écarts relativement à la condition tourbillonnaire étant plu tôt faibles en travers des parties intermédaires des aubes.
Les conditions de réaction doivent être res pectées dans la région de sortie proche des aubes, mais, comme mentionné plus haut, bien que cela entraîne une vitesse de décharge accrue, un diffuseur peut être placé à la suite de la turbine pour effec tuer la transformation de la vitesse supplémentaire en une élévation de pression, la situation résultante présentant réellement un équilibre des conditions favorables et des conditions défavorables pour donner un dispositif à haut rendement. Il en résulte une turbine à haut rendement qui, en raison de la struc ture des aubes est capable de fonctionner à très grande vitesse et à très haute température.