Installation de turbomachines La présente invention se rapporte à une installation de turbomachines comprenant un groupe présentant une enveloppe dans laquelle est logé un ensemble d'au moins deux turbomachines dont les rotors accouplés ont même axe, le stator de chacune de ces machines présentant des surfaces périphériques de révolution en contact avec une surface de révolution correspondante de l'enveloppe.
Dans les groupes de turbomachines connus de ce genre, l'enveloppe est séparée suivant un plan axial. Ceci s'est traduit par l'utilisation d'un grand nombre de boulons servant à fixer ensemble les moitiés de l'enve loppe et par la difficulté d'assurer l'étanchéité. De plus, une telle construction demande beaucoup plus de temps lorsqu'il est nécessaire d'ouvrir et fermer l'enveloppe. En outre, en pratique, cette construction nécessite que tous les conduits et les liaisons des instruments soient réalisés sur la moitié inférieure de l'enveloppe et lors qu'il faut prévoir des passages d'admission et d'échap pement entourant les rotors des machines, ils doivent être réalisés sur la moitié supérieure de l'enveloppe.
Ces exigences accroissent la complication de la construction et les difficultés d'étanchéité de l'enveloppe. Ce pro blème d'étanchéité est considérablement accru si le mi lieu de travail est un gaz tel que l'hydrogène ou l'hélium par exemple.
La présente invention a pour but de remédier à ces désavantages, et à cet effet l'installation selon l'inven tion est caractérisée en ce que lesdites surfaces de révo lution des stators et de l'enveloppe diminuent de diamè tre en partant d'une extrémité ouverte de l'enveloppe, de manière que l'ensemble formé par les turbomachines puisse être introduit axialement en bloc dans l'enveloppe par cette extrémité ouverte et vice versa, l'enveloppe étant fermée de manière étanche au gaz à cette extré mité par un élément formant couvercle. Une forme d'exécution d'une installation selon l'in vention est représentée, à titre d'exemple, dans le dessin annexé dans lequel: la<B>hg.</B> 1 est une vue en coupe axiale du groupe de turbomachines de cette forme d'exécution.
Les fig. 2 et 3 sont des vues agrandies de parties de la fig. 1 représentant des détails.
La fig. 4 est un schéma de cette forme d'exécution de l'installation.
Le groupe représenté aux fig. 1 à 3 comprend une enveloppe fixe 11 en une seule pièce fermée à une ex trémité par un couvercle amovible 12. L'enveloppe et le couvercle sont réunis par des brides annulaires 13, 14. Le groupe comprend un moteur hydraulique de mise en marche 16 comportant un embrayage à roue libre 17, un ensemble comprenant un compresseur 18 et une tur bine chaude 19, disposés dans l'enveloppe fixe 11 et une turbine froide 20 disposée dans le couvercle mobile de l'enveloppe. Le compresseur et les turbines sont tous des machines à étages multiples.
Le gaz destiné à être comprimé est fourni à l'enve loppe 11 par des orifices d'admission 21A, 21B ménagés dans la coquille cylindrique extérieure 22 de l'enveloppe 11. Les axes de ces ouvertures sont tangents à la coquille extérieure 22. Les orifices d'aspiration 21 du compres seur communiquent avec un collecteur d'aspiration annulaire 23 formé dans l'enveloppe. Ce collecteur dimi nue radialement vers l'intérieur de l'enveloppe où il tra verse la coquille intérieure 24 de l'enveloppe à travers un passage annulaire incurvé 25 qui fournit le gaz aux aubes du compresseur. Le gaz comprimé sort du com presseur vers la gauche à travers un passage d'échap pement de section annulaire cylindrique 27.
La turbine chaude reçoit du gaz chaud à haute pression par une ouverture d'admission 29 formée dans la coquille exté rieure 22, un collecteur 30 et un passage annulaire in- curvé 31. Le gaz sort par un passage incurvé 32, un collecteur d'échappement 33 et l'ouverture 34 de la coquille extérieure. Le couvercle 12 qui loge la turbine froide 20 comporte un orifice d'admission 36 qui com munique avec un collecteur annulaire 37 qui a à peu près la même configuration que les autres. Ce collec teur est relié par un passage annulaire courbe 38 aux aubes de la turbine froide. Des aubes, le gaz quitte le couvercle sur la droite par un passage de décharge axial de section annulaire 40.
Le compresseur 18 et la turbine 19 forment un en semble qu'on peut déplacer axialement en bloc pour le faire entrer ou sortir de l'enveloppe 11, le couvercle 12 étant enlevé. La turbine 19 et le compresseur 18 sont maintenus dans l'enveloppe fixe 11 par une bride du stator 43 de la turbine 19, fixée à l'enveloppe 11 par des boulons 42. Le couvercle 12 présente une bride 14 par laquelle il est fixé de manière étanche à une bride 13 de l'enveloppe 11. Le couvercle 12 peut être enlevé de la turbine froide du fait que la surface périphérique du stator de la turbine 20 est conique et en contact avec la surface conique d'un alésage du couvercle.
Le cou vercle 12 présente une ouverture 44 à travers laquelle s'étend un conduit 46 formant la paroi extérieure d'un passage de décharge de section annulaire 40 de la tur bine froide 20. Au voisinage de cette ouverture de droite du couvercle se trouve un joint étanche de compression 47 qui est serré contre l'intérieur de la joue d'extrémité 48 du couvercle par une bride 49 portée par le conduit 46. Le joint de compression 47 permet un certain dépla cement longitudinal relatif des stators et des rotors par rapport aux enveloppes.
Les joints qui empêchent ou qui réduisent les fuites longitudinales de gaz sont constitués par des bagues logées dans des gorges annulaires ménagées dans les sur faces périphériques des stators en contact avec les sur faces coniques 61, 62 des alésages de l'enveloppe et 63 de l'alésage conique du couvercle 12. Les fig. 2 et 3 re présentent deux de ces bagues d'étanchéité. La bague du joint 71 de la fig. 2 comprend un anneau 53 logé dans une gorge 51 du stator 43 de la turbine chaude. Cette gorge annulaire est recouverte par la surface de l'alésage conique d'une coquille intérieure 24 de l'enve loppe 11 dans lequel est engagé le stator.
L'anneau fendu 53 coopère avec un anneau fendu 54 de section en équerre, et un anneau élastique 55 est disposé au fond de la gorge 51 afin d'exercer une pression contre l'aile de l'anneau 54 pour le pousser, ainsi que l'anneau 53, contre la surface voisine de l'enveloppe. Cet anneau élastique présente une forme ondulée à sa périphérie. Les anneaux peuvent être formés de segments afin de faciliter leur introduction dans la gorge, et de façon que la bague puisse se dilater et se contracter sous l'influence de l'anneau élastique et des variations de température des divers éléments.
La bague 59 du joint 67 représentée sur la fig. 3 est torique et elle est logée dans une gorge 57 du stator 58 du compresseur. Elle est en une composition analogue au caoutchouc. Elle est ronde lorsqu'elle n'est pas sous tension. Les joints 66, 67 et 68 du compresseur 18, 73 et 74 de la turbine froide 20 sont formés par des bagues comme celle de la fig. 3, tandis que les joints 69, 70, 71 et 72 de la turbine chaude sont formés par des bagues telles que celle représentée à la fig. 2.
Le joint 66 à l'extrémité de gauche du compresseur assure l'étanchéité par rapport à l'atmosphère. Les joints 67, 68 sont disposés de chaque côté de la fente annu laire 25 d'admission du gaz. Les joints 69, 70 se trouvent de part et d'autre de la fente d'échappement de la tur bine 19 et les joints 71, 72 de part et d'autre de la fente d'admission. Les joints 73, 74 se trouvent de chaque côté de la fente 38 d'admission de la turbine 20.
Une fois les boulons de fixation de la bride 14 et les boulons 42 enlevés, on peut retirer le couvercle 12 et ensuite déplacer tous les stators et leurs rotors en bloc axialement pour retirer la turbine 19 et le compresseur 18 de l'enveloppe fixe 11. Le stator 43 de la turbine chaude porte sur son extrémité de gauche une bride 76 qui est boulonnée sur l'extrémité de droite du stator 58 du compresseur, et les stators de la turbine chaude et de la turbine froide sont boulonnés ensemble sur leurs brides contiguës 77, 78.
Le compresseur comprend cinq rangées d'aubes mo biles 84 et six rangées d'aubes fixes 85, tandis que la turbine 19 présente deux rangées d'aubes mobiles 86 et trois rangées d'aubes fixes 87. La turbine 20 présente une seule rangée d'aubes mobiles 88 et deux rangées d'aubes fixes 89. Le rotor du compresseur est porté par des pa liers 91 et 92 disposés au voisinage de chaque extrémité de son arbre 93. Le rotor de la turbine chaude est porté par des paliers 94 et 95 disposés aux extrémités de son arbre 96. La turbine froide comprend un seul palier 97 voisin de l'extrémité de gauche de son arbre 98.
L'arbre 93 du compresseur est relié à l'arbre 96 de la turbine chaude par un accouplement à manchon cannelé 101 et l'arbre 98 de la turbine froide est relié à l'arbre de la turbine chaude par un accouplement à long manchon cannelé 102. Ce dernier manchon a une grande longueur et les deux turbines sont espacées relativement à une assez grande distance l'une de l'autre afin de réduire la transmission de chaleur de l'une à l'autre.
L'espace 103 qui se trouve entre leurs paliers d'ex trémité voisins 92, 93 sert d'espace collecteur d'huile. L'huile provenant de cet espace 103 peut être vidangée par une ouverture 104 formée dans le fond de l'espace 103 et aller dans un carter 106 formé dans l'enveloppe. De la même façon, de l'huile provenant des paliers voi sins 95, 97 des turbines chaude et froide est recueillie dans l'espace 107 qui entoure le manchon cannelé 102. Ce dernier espace peut être vidangé par une ouverture 108 dans l'espace<B>109</B> formé par les éléments voisins de l'enveloppe 11 et du couvercle 12. Les espaces entre les extrémités des rotors et des stators peuvent être rendus aussi faibles que possible, et divers types de joints peu vent être prévus entre les ,parties fixes et mobiles, comme le long des aubes, pour réduire les fuites de gaz.
Les extrémités extérieures des arbres se trouvent dans la chambre borgne 111 et dans la chambre borgne<B>110</B> à l'extrémité gauche de l'arbre 93 du compresseur, qui sert à loger le moteur de mise en route 16 et l'embrayage 17. Ainsi, cette chambre est borgne à l'égard de l'arbre du fait que l'extrémité de celui-ci ne s'étend pas à l'ex térieur de la chambre dans l'atmosphère. De même, l'ex trémité droite de l'arbre de la turbine froide se termine dans une chambre borgne 111.
Avec la construction fermée de l'enveloppe, il n'y a pas de joint rotatif d'ar bre à travers les éléments extérieurs de l'enveloppe ou des stators, et du fait que les extrémités des arbres entre les turbomachines sont enfermées dans les stators et dans les enveloppes, des fuites de gaz ne pourraient se produire qu'entre une machine et une autre dans l'en veloppe. Cependant, grâce à la construction décrite, ce problème est de nature mineure. La petitesse de cette fuite entre machines apparaîtra à l'examen du schéma de la fig. 4. La fig. 4 représente le schéma de la forme d'exécution présentant le groupe représenté sur la fig. 1.
Cette forme d'exécution utilise l'hélium comme gaz de travail et met en oeuvre des cycles moteur et de réfrigé ration fermés. L'installation comprend un conduit d'ad mission inférieur 21A et un conduit d'admission supé rieur 21B du compresseur, un conduit d'échappement 27 du compresseur, des conduits d'admission 29 et d'échap pement 34 de la turbine chaude et des conduits d'admis sion 36 et d'échappement 46 de la turbine froide.
Toutes les pressions sont données en kg/cm- absolus et les températures en degrés K. En supposant que l'ins tallation a été en fonctionnement pendant une durée suf fisante pour atteindre des conditions de fonctionnement stables, l'hélium pénètre dans le compresseur 18 par les conduits d'aspiration 21A, 21B à une pression de 12,7 kg/cm2 et à une température de 290 K. L'hélium est évacué du côté haute pression du compresseur à 18,8 kg/em2 et 3430K par le conduit de refoulement 27. L'écoulement est divisé en un courant moteur qui passe par une dérivation 121 et un courant de réfrigération qui passe par une autre dérivation 122.
Le côté haute pression du courant d'énergie, ou courant chaud, tra verse d'abord un côté d'un régénérateur 123 où il est chauffé jusqu'à une température de 830K. A partir du régénérateur le côté à haute pression passe à travers un serpentin échangeur de chaleur 124 d'une chambre de combustion 126 qui sert à chauffer le gaz jusqu'à 922K. Le courant de gaz est conduit par l'admission 29 dans la turbine chaude 19 qu'il entraîne, laquelle turbine fournit par l'accouplement <B>101</B> la majeure partie de l'énergie nécessaire au compresseur 18.
Le gaz se détend et se refroidit dans la turbine, la pression du gaz y tombant de 18 kg/cm à 13,3 kg/cm- et la température du gaz tombant à 830 K à l'échappement 34, le gaz passant ensuite par l'autre côté, c'est-à-dire le côté basse pres sion du régénérateur chaud 123, où il est refroidi tout en réchauffant le courant de gaz du côté supérieur en passant à contre-courant de celui-ci. Finalement, le gaz traverse un prérefroidisseur 127 d'où il est renvoyé au compresseur 18 par l'aspiration 21A. Le prérefroidisseur peut être refroidi à l'air ou à l'eau et il sert de source froide pour le cycle moteur.
Les lignes représentant le conduit du côté supérieur sont plus épaisses que les lignes qui représentent le côté inférieur.
Le courant froid, ou courant de réfrigération, qui parcourt le cycle de réfrigération 122 traverse d'abord un refroidisseur 128, où il est refroidi jusqu'à 294 K avec une légère chute de pression d'environ 0,35 kg/cm2. Le courant passe alors par un régénérateur 129 où il est refroidi jusqu'à<B>780</B> K. Le gaz qui sort du régénéra teur à une pression de 18 kg/cm2 pénètre dans l'admis sion 36 afin d'entraîner la turbine de détente 20 où le gaz se détend jusqu'à 13,3 kg/cm@, sa température tom bant à 710 K. La turbine froide 20 sert à fournir par l'accouplement 102 le reste de l'énergie servant à entraî ner le compresseur 18.
Le courant d'hélium à basse pression refroidi recueille alors de la chaleur en traver sant le serpentin 131 d'un échangeur de chaleur. Du serpentin 131, l'hélium à basse pression revient au régé nérateur froid 129 où il sert à refroidir l'hélium du côté haute pression. L'hélium achève alors son cycle de réfri gération en revenant au compresseur par son aspiration 21B à la température ambiante et à la pression d'aspira tion du compresseur, qui est de 12,7 kg/cm-. La subs- tance qui cède de la chaleur au serpentin 131 traverse un serpentin 132.
L'installation est mise en route en fournissant d'abord de l'eau ou de l'air de refroidissement à la source froide 127 et ensuite en faisant tourner le compresseur 18 et les turbines 19, 20 au moyen du moteur 16 afin de com mencer à faire circuler l'hélium dans la boucle 121 du cycle moteur. Une fois que les machines ont pris leur vitesse, de la chaleur est fournie au gaz par le serpentin 124, de sorte que la turbine chaude 19 entraîne le com presseur. Ensuite, on peut cesser d'alimenter le moteur de mise en route 16, qui se sépare par sa roue libre des turbomachines. Une fois que la turbine chaude a pris la charge du compresseur, on peut laisser le gaz circuler dans la boucle de réfrigération 122 et à travers la tur bine froide 20.
Un fluide de refroidissement est alors fourni à l'échangeur 128 et ensuite, de la substance à refroidir au serpentin réfrigéré<B>132.</B> Cette substance peut ^tre de l'air dont l'oxygène et l'azote se liquéfient à la température donnée plus haut de 711, K à la pression atmosphérique.
Les ouvertures d'admission voisines des turbines chaude et froide sont à la même pression de 18 kg/cm2 et l'aspiration du compresseur à 12,7 kg/cm2 est voisine de l'échappement à 13,3 kg/cm22 de la turbine chaude. Les admissions des turbines sont à la même pression du fait que les deux turbines reçoivent le gaz d'une source de pression commune, et par rapport à cette source la chute de pression est la même dans chacune des boucles. Les orifices de gaz voisins intérieurs des machines sont à la même pression ou sensiblement la même pression, ce qui réduit ou supprime les fuites de gaz entre les ma chines.
Il est très important d'empêcher des fuites depuis la turbine froide car ce sont les fuites les plus coûteuses, car pour 10 unités de chaleur qui entrent dans le dispo sitif de chauffage 124 de la turbine chaude 19, il n'en entre qu'une seule dans le serpentin de réfrigération<B>131,</B> approximativement.