Turbine réversible à fluide gazeux. L'objet de la présente invention est une turbine réversible à fluide gazeux, telle qu'une turbine à vapeur à grande vitesse, qui comporte deux rotors coaxiaux possédant cha cun au moins deux séries d'aubages annulai res parallèles à l'arbre et solidaires chacun d'un disque, les aubes de chacune de ces sé ries alternant avec celles d'une série da l'au tre rotor, lesdits rotors tournant, sous l'effet de la pression du fluide, en sens contraires, les organes tournant dans un sens étant soli daires d'un arbre central unique, les autres;
tournant en sens inverse, l'étant d'organes creux accouplés audit arbre au moyen d'en grenages, les efforts axiaux s'équilibrant mu tuellement dans chaque rotor, et les aubages ainsi que les joints étant munis de chicanes en labyrinthes, et les aubes étant reliées par des parois minces à des supports annulaires n'ayant avec les disques que des surfaces de contact relativement faibles.
Le but de ces dispositifs est d'obtenir deux organes moteurs tournant en sens in verses l'un de l'autre, sur l'un ou l'autre des quels on puisse embrayer à volonté un organe mû, dont on peut, par conséquent, renverser le sens-de marche (turbine réversible). L'équi librage parfait des poussées axiales des deux rotors peut être réalisé facilement, grâce à la disposition .coaxiale de ces derniers; il en est de même des joints sous pression spéciaux qui seront décrits; des joints semblables, existant dans les aubages, en limitent les fuites et assurent un bon rendement;
enfin le genre d'attache cité ci-dessus des aubages aux or ganes qui les portent est destiné à réaliser la sécurité de marche malgré les fortes variations de température auxquelles la matière est soumise.
Le dessin annexé représente une forme d'exécution d'une turbine à vapeur réversible à grande vitesse, donnée à titre d'exemple, de l'invention.
Fig. 1 est une demi-coupe longitudinale de la turbine; Fig. 2 est une même coupe longitudinale partielle, mais à grande échelle, des aubes et des parties auxquelles elles sont fixées; Fig. 3 est une coupe transversale de ces mêmes pièces selon A-B de fig. 2, et Fig. 4 est une coupe à grande échelle également, d'un joint sous pression.
. Dans ces figures, 10-est l'arbre principal de la turbine; sur la partie médiane de cet arbre sont clavetés deux disques Il) et 13 et à l'extrémité figurée à gauche sur le dessin une roue d'engrenage conique 14; l'autre ex trémité porte des dents 16 destinées à entrer en prise avec celles 161 d'un demi-manclion d'accouplement 1.51; ce dernier peut glisser sur l'extrémité d'un arbre 211 qu'il entraîne au moyen d'une clavette. Les deux disques 1.2 et 13 portent des séries d'auba;ges 34 et 38, ainsi que des joints de vapeur en labyrinthe qui seront décrit plus loin d'une façon détaillée.
Ces divers organes constituent les parties essentielles d'un premier système rotatif qui sera désigné dans la suite par "rotor intérieur". Un second système, le "rotor extérieur", tournant en sens inverse du premier, est constitué par les organes suivants, solidaires les uns des autres: deux disques 17 et 19, portant chacun une série d'aubages 33 et 37 semblables aux cu bages 34 et 38; ces cubages 33 et 37 alternent:
avec les cubages 34 et 38 respectivement du rotor intérieur, - une cloison 18 constituant, avec le disque 12 un passage de vapeur 35, et une base de fixation de l'aubage extérieur 37' du disque 19 - un premier moyeu creux 20 (à gauche, sur la figure) portant un joint à labyrinthe 44 et prolongé en forme d'une douille 22, douille tournant dans un coussi net logé dans un palier fixe et portant à son extrémité une roue conique 23 semblable à, la roue 14 dont elle est.
d'ailleurs rendue soli daire par des pignons coniques 24, pignons qui tournent fous dans les coussinets 26 de paliers 25, fixés sur le bâti de la turbine, un second moyeu creux 21 (à droite sur la figure) centré sur l'arbre principal 10, air moyen d'un roulement à billes double 52, moyeu portant également un joint de vapeur en labyrinthe et tournant à l'intérieur d'un palier 54 solidaire du bâti. Ce moyeu 21 en traîne par clavette un demi-manchon d'ac couplement 55, muni à son extrémité 15 de dents 16", avec lesquelles on peut amener cri prise les dents 163 du demi-manchon 151 dont il a déjà été question plus haut.
Les douilles 21 et 22 peuvent se déplacer longitudinalement dans les coussinets qui les portent, de telle sorte que tout le rotor exté rieur peut, sans inconvénient, s'allonger sous l'effet de la chaleur. Ce rotor est contenu clans une bâche 2 7 fixe, comportant une buse d'admission de la vapeur 28 et une conduite d'échappement 29.
Dans les fig. 2 et 3 qui sont, comme il a été dit plus haut, des coupes à grand échelle d'une partie des cubages portés par les disques 13 et 19, on voit (au bas de la fig. 2) que le disque 13 est creusé de rainures circulaires dans lesquelles sont sertis d'autres disques annulaires 157; ces derniers portent, à l'extrémité des parois cylindriques minces 158, les cubages 37 dont les aubes sont pa rallèles à l'axe de la turbine; ils sont immo bilisés sur le disque 13 au moyen de billes 173' introduites au montage et sont munis, sur des bourrelets 167, de saillies circulaires 170 dont le rôle sera indiqué plus loin.
Ils présentent une gorge 157\, de façon à ce que le .contact avec le disque 13 lie se fasse que sur les portées 1571, ce qui limite la quantité de chaleur transmise à, ce disque.
Chacun des cubages est constitué par les aubes proprement dites, par exemple en acier, soudées à. leurs extrémités dans des rainures ménagées dans la. partie annulaire 156, d'une part, et, d'autre part, dans une bague l59; cette dernière porte deux saillies circulaires 171 qui, de même que la saillie semblable 170, forment des cllicanes pour la vapeur, comme on le verra plus loin.
Le disque 19 porte des organes semblables à ceux .qui viennent d'être décrits, c'est-à-dire des cubages 38 fixés de la même façon mais comportant. des aubes dirigées en sens inverse des premières, cubages qui alternent avec ceux qili appartiennent au disque 13, comme il <B>il</B> été déjà dit.
Dans la fig. 4 qui représente le détail d'uli joint de vapeur, c'est-à-dire du dispositif destiné à limiter les fuites de vapeur entre l'intérieur d'un organe rotatif sous pression et l'air ambiant (dans le cas particulier, celui qui existe entre le moyeu 20 et la bâche 27). 141 est un ,plateau faisant -corps avec un moyeu 151 dont la position sur le moyeu creux 20 peut -être réglée exactement au moyen d'une douille filetée 42 a, pas diffé rentiel que l'on peut visser ou dévisser au moyen d'une clé engagée dans des trous borgnies 401. .
Le plateau 141 porte une série de parois cylindriques minces 146 munies de saillies circulaires 147; la paroi extérieure 1461 coin.. porte six de ces saillies 1471.
Sur la bâche 27 sont vissés,, de part et d'autre du plateau 141, deux flasques 139 et 140 portant également des parois ànnulai- res 145 avec saillies circulaires 147; des sail lies 1391 sont ménagées dans la face 145' de ces flasques, qui fait face au moyeu 151. Entre les saillies de l'un des systèmes et les parois de l'autre existe un très faible jeu; il n'y a donc aucun frottement entre aucune partie du plateau en rotation 141 et les par ties solidaires de la bâche fixe 27; par contre, la vapeur sous pression (qui se trouve à droite.
sur le dessin) ne peut s'échapper sous forme de fuites dans l'air ambiant (à gauche) qu'en passant entre 1391 et 151, puis en traversant tout le labyrinthe existant entre 141 et 140, ensuite entre les saillies 1471 et 139 puis 140, clans le labyrinthe entre 141 et<B>131</B> et enfin entre les saillies 1.391 et 151 à gauche. Le labyrinthe ainsi constitué est si complet que les fuites de vapeur sont pratiquement nulles aussi bien entre les chambres à haute pres sion et l'air ambiant qu'entre les chambres à haute et basse pression.
Le fonctionnement de la turbine est le suivant: La vapeur sous pression introduite par la buse 28 traverse des lumières 30 ménagées dans le moyeu creux 20, pénètre dans une chambre à haute pression 31 et entre en 32 dans le premier aubagë du rotor extérieur; elle passe ensuite alternativement et radiale- Tnent dans les aubages des deux rotors oui elle se détend en exerçant sur chacun d'eux un effort résultant de même grandeur, mais de sens opposé.
Après sa. sortie du dernier aubage du pre mier étage de la turbine ("étage à haute pression") elle est ramenée par le passage 35, et à pression réduite, dans une chambre à basse pression 36, d'où elle pénètre dans "l'étage à basse pression" sur les aubes 37 et 38 duquel elle exerce, grâce à la. forme, à la disposition et aux dimensions de ces der nières, des efforts qui se combinent à ceux. de la première turbine. A sa sortie du second étage, la vapeur est recueillie dans la con duite d'échappement 29 et évacuée.
Le rotor intérieur et le rotor extérieur tournant en sens opposé, si l'on embraye le demi-manchon l51 sur les dents 16, c'est-à- dire sur l'arbre principal, l'arbre mû 211 tourne dans le .même sens que le rotor inté rieur dont il transmet la puissance., tandis que la puissance du rotor extérieur, qui Tourne à la même vitesse, mais en sens con traire, lui est transmise par les pignons oo- niques 24.
Inversément, si l'on embraye sur les dents 16' du demi-manchon 16 solidaire du rotor extérieur, l'arbre mû 211 tourne en sens con- traire de celui qu'il avait dans le premier cas et reçoit la puissance du rotor intérieur par le train d'engrenages coniques. La tur bine est donc réversible.
L'effet de la -vapeur sur les aubes est ce lui de toute turbine à fluide gazeux. On con- i:ait d'ailleurs déjà des turbines réversibles radiales à deux rotors tournant en sens op posé. Cc qui distingue l'objet de la présente invention c'est le fait que les deux rotors sont concentriques, ce qui nécessite, en vue d'un fonctionnement parfait, notamment l'emploi de ,joints (le vapeur très étanches, et n'absorbant aucune force, tels que ceux qui ont été dé crits, et l'équilibrage rigoureux des pressions axiales.
Cette dernière condition est réalisée, dans l'exemple donné, en choisissant les sur faces latérales des rotors, c'est-à-dire les sur faces perpendiculaires à l'arbre, inversément proportionnelles aux pressions spécifiques qu'elles, subissent. On remarquera encore que les cubages munis de saillies circulaires, tels qu'ils ont été décrits selon la fig. 2, constituent un système de labyrinthe qui supprime pratique ment les fuites latérales de vapeur et qui, obligeant cette dernière à passer entièrement dans les aubes, en utilisant aussi complètement que possible l'énergie potentielle.
Ces auba- Ues, comme d'ailleurs les organes des joints â. labyrinthe sont d'ailleurs de construction si simple que le coût de fabrication en est in- sibnifiant en regard des avantages importants qu'ils assurent.
Enfin, le fait qu'ils sont portés à l'extré mité de parois 158 (fig. 2) relativement min ces, leur permet de supporter particulièrement bien les dilatations et les contractions dues aux variations très grandes de température que peut subir la turbine.
L'emploi des joints de vapeur décrits sup- prime les presse-étoupe qui absorbent tou jours une énergie très appréciable.
Il va sans cure qu'on pourra doubler, par exemple le nombre des rotors intérieurs et ex térieurs, dans le but de faire une turbine sy métrique équilibrée axialement sans précau- tiwns spéciales, comme on pourra d'ailleurs choisir d'autres dispositions connues, par exemple de paliers ou d'accouplements.
Reversible gaseous fluid turbine. The object of the present invention is a reversible gaseous fluid turbine, such as a high speed steam turbine, which comprises two coaxial rotors each having at least two series of annular blades parallel to the shaft and integral with each other. each of a disc, the blades of each of these series alternating with those of a series of the other rotor, said rotors rotating, under the effect of the pressure of the fluid, in opposite directions, the members rotating in one sense being united by a single central tree, the others;
rotating in the opposite direction, being hollow members coupled to said shaft by means of graining, the axial forces being balanced mutually in each rotor, and the blades as well as the seals being provided with labyrinthine baffles, and the blades being connected by thin walls to annular supports having only relatively small contact surfaces with the discs.
The purpose of these devices is to obtain two motor members rotating in opposite directions from each other, on one or the other of which one can engage at will a moving member, which one can, therefore , reverse the direction of travel (reversible turbine). The perfect balance of the axial thrusts of the two rotors can be achieved easily, thanks to the .coaxial arrangement of the latter; the same applies to special pressure seals which will be described; similar seals, existing in the blades, limit leaks and ensure good performance;
finally, the type of attachment mentioned above for the blades to the organs which carry them is intended to achieve safe operation despite the strong variations in temperature to which the material is subjected.
The accompanying drawing shows an embodiment of a high speed reversible steam turbine, given by way of example, of the invention.
Fig. 1 is a longitudinal half-section of the turbine; Fig. 2 is the same partial longitudinal section, but on a large scale, of the blades and of the parts to which they are attached; Fig. 3 is a cross section of these same parts according to A-B of FIG. 2, and Fig. 4 is also a large-scale sectional view of a pressure seal.
. In these figures, 10-is the main shaft of the turbine; on the middle part of this shaft are keyed two discs II) and 13 and at the end shown on the left in the drawing a bevel gear wheel 14; the other end carries teeth 16 intended to engage with those 161 of a coupling half-manclion 1.51; the latter can slide on the end of a shaft 211 which it drives by means of a key. The two discs 1.2 and 13 carry a series of auba; ges 34 and 38, as well as labyrinth vapor seals which will be described in detail later.
These various members constitute the essential parts of a first rotary system which will be referred to hereinafter as "inner rotor". A second system, the "outer rotor", rotating in the opposite direction to the first, is constituted by the following members, integral with each other: two discs 17 and 19, each carrying a series of blades 33 and 37 similar to the casings 34 and 38; these cubages 33 and 37 alternate:
with the cubages 34 and 38 respectively of the inner rotor, - a partition 18 constituting, with the disc 12 a vapor passage 35, and a base for fixing the outer vane 37 'of the disc 19 - a first hollow hub 20 (to left, in the figure) carrying a labyrinth seal 44 and extended in the form of a sleeve 22, sleeve rotating in a net cushion housed in a fixed bearing and carrying at its end a bevel wheel 23 similar to, the wheel 14 of which it is.
moreover made integral by bevel gears 24, gears which turn idle in the bearings 26 of bearings 25, fixed on the frame of the turbine, a second hollow hub 21 (on the right in the figure) centered on the main shaft 10, medium air of a double ball bearing 52, hub also carrying a labyrinth vapor seal and rotating inside a bearing 54 integral with the frame. This hub 21 drags by key a coupling half-sleeve 55, provided at its end 15 with teeth 16 ", with which it is possible to bring the teeth 163 of the half-sleeve 151 which have already been discussed above. .
The bushes 21 and 22 can move longitudinally in the bearings which carry them, so that the entire outer rotor can, without inconvenience, stretch out under the effect of the heat. This rotor is contained in a fixed tarpaulin 27, comprising a steam inlet nozzle 28 and an exhaust pipe 29.
In fig. 2 and 3 which are, as was said above, large-scale cross-sections of part of the cubings carried by the discs 13 and 19, it can be seen (at the bottom of FIG. 2) that the disc 13 is hollowed out circular grooves in which other annular discs 157 are crimped; the latter carry, at the end of the thin cylindrical walls 158, the airspace 37 whose blades are parallel to the axis of the turbine; they are immobilized on the disc 13 by means of balls 173 'introduced during assembly and are provided, on the beads 167, with circular projections 170, the role of which will be indicated below.
They have a groove 157 \, so that the .contact with the disc 13 binds only on the surfaces 1571, which limits the amount of heat transmitted to this disc.
Each of the cubages is formed by the blades proper, for example made of steel, welded to. their ends in grooves made in the. annular part 156, on the one hand, and, on the other hand, in a ring 155; the latter carries two circular projections 171 which, like the similar projection 170, form cllicanes for the vapor, as will be seen later.
The disc 19 carries members similar to those .qui have just been described, that is to say cubages 38 fixed in the same way but comprising. vanes directed in the opposite direction to the first ones, cubages which alternate with those which belong to disc 13, as it has already been said.
In fig. 4 which shows the detail of a vapor seal, that is to say of the device intended to limit vapor leaks between the interior of a rotating member under pressure and the ambient air (in the particular case, that which exists between the hub 20 and the cover 27). 141 is a plate forming a body with a hub 151, the position of which on the hollow hub 20 can be adjusted exactly by means of a threaded bush 42 a, no differential which can be screwed or unscrewed by means of a key engaged in blind holes 401..
The plate 141 carries a series of thin cylindrical walls 146 provided with circular projections 147; the outer wall 1461 corner .. carries six of these protrusions 1471.
On the cover 27 are screwed ,, on either side of the plate 141, two flanges 139 and 140 also carrying ànnulai- walls 145 with circular projections 147; sail lies 1391 are provided in the face 145 'of these flanges, which faces the hub 151. Between the projections of one of the systems and the walls of the other there is a very small clearance; there is therefore no friction between any part of the rotating plate 141 and the parts integral with the fixed cover 27; on the other hand, steam under pressure (which is on the right.
on the drawing) can only escape in the form of leaks into the ambient air (on the left) by passing between 1391 and 151, then crossing the entire labyrinth existing between 141 and 140, then between the projections 1471 and 139 then 140, in the labyrinth between 141 and <B> 131 </B> and finally between projections 1.391 and 151 on the left. The labyrinth thus formed is so complete that vapor leaks are practically nil both between the high pressure chambers and the ambient air and between the high and low pressure chambers.
The operation of the turbine is as follows: The pressurized steam introduced by the nozzle 28 passes through openings 30 formed in the hollow hub 20, enters a high pressure chamber 31 and enters at 32 the first vane of the outer rotor; it then passes alternately and radially. Tnent in the blades of the two rotors yes it relaxes by exerting on each of them a resulting force of the same magnitude, but in the opposite direction.
After its. outlet of the last blading of the first stage of the turbine ("high pressure stage") it is returned through passage 35, and at reduced pressure, into a low pressure chamber 36, from where it enters "the stage at low pressure "on the blades 37 and 38 which it exerts, thanks to the. form, to the arrangement and dimensions of the latter, efforts which combine with those. of the first turbine. On leaving the second stage, the vapor is collected in the exhaust duct 29 and discharged.
With the inner rotor and the outer rotor rotating in opposite directions, if the sleeve half 151 is engaged on the teeth 16, ie on the main shaft, the driven shaft 211 rotates in the same. meaning that the inner rotor whose power it transmits., while the power of the outer rotor, which rotates at the same speed, but in the opposite direction, is transmitted to it by the onion gears 24.
Conversely, if one engages on the teeth 16 'of the half-sleeve 16 integral with the outer rotor, the driven shaft 211 turns in the opposite direction to that which it had in the first case and receives the power of the inner rotor. by the bevel gear train. The tur bine is therefore reversible.
The effect of steam on the vanes is that of any gas turbine. It is also possible to have radial reversible turbines with two rotors rotating in the opposite direction. Cc which distinguishes the object of the present invention is the fact that the two rotors are concentric, which requires, for a perfect operation, in particular the use of, gaskets (the very tight vapor, and n ' absorbing no force, such as those described, and rigorous balancing of axial pressures.
This last condition is achieved, in the example given, by choosing the lateral surfaces of the rotors, that is to say the surfaces perpendicular to the shaft, inversely proportional to the specific pressures to which they are subjected. It will also be noted that the cubicles provided with circular projections, as they have been described according to FIG. 2, constitute a labyrinth system which practically suppresses lateral vapor leaks and which, forcing the latter to pass entirely through the vanes, using the potential energy as completely as possible.
These auba- Ues, like indeed the organs of the â joints. labyrinths are, moreover, so simple to construct that the manufacturing cost is insignificant compared to the significant advantages they provide.
Finally, the fact that they are carried to the end of relatively thin walls 158 (FIG. 2) enables them to withstand particularly well the expansions and contractions due to the very large variations in temperature which the turbine may undergo.
The use of the steam gaskets described eliminates the stuffing boxes which always absorb a very appreciable amount of energy.
It goes without saying that we can double, for example the number of inner and outer rotors, in order to make a sy metric turbine axially balanced without special precautions, as we can also choose other known arrangements. , for example bearings or couplings.