EP0056569A1 - Turbine with variable inlet section - Google Patents
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- EP0056569A1 EP0056569A1 EP81870007A EP81870007A EP0056569A1 EP 0056569 A1 EP0056569 A1 EP 0056569A1 EP 81870007 A EP81870007 A EP 81870007A EP 81870007 A EP81870007 A EP 81870007A EP 0056569 A1 EP0056569 A1 EP 0056569A1
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- F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
- F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
- F01D—NON-POSITIVE DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, e.g. STEAM TURBINES
- F01D17/00—Regulating or controlling by varying flow
- F01D17/10—Final actuators
- F01D17/12—Final actuators arranged in stator parts
- F01D17/14—Final actuators arranged in stator parts varying effective cross-sectional area of nozzles or guide conduits
- F01D17/16—Final actuators arranged in stator parts varying effective cross-sectional area of nozzles or guide conduits by means of nozzle vanes
- F01D17/165—Final actuators arranged in stator parts varying effective cross-sectional area of nozzles or guide conduits by means of nozzle vanes for radial flow, i.e. the vanes turning around axes which are essentially parallel to the rotor centre line
Definitions
- centripetal wheel of the turbine is done by a constant opening injection sector whose fixed guide vanes impose on the fluid a suitable orientation.
- the invention claimed below makes it possible to maintain the yield at its optimum value whatever the flow rate of the fluid and its application covers both the recovery of energy by expansion of gas at high pressure and that by expansion of water vapor. . In addition, it simplifies the installation upstream of the machine by replacing the flow control valve, high cost and generating energy loss, by a simple shut-off valve.
- the invention essentially consists of a device making it possible to vary the sector of injection of the fluid without appreciably modifying the speed of the latter even if the flow rate undergoes significant fluctuations.
- This device comprises a regulator provided with a variable injection sector, the opening of which is adjusted according to the characteristics of the fluid conveyed.
- adjustable guide vanes controlled by a servo-motor whose action is proportional to the flow rate observed, are oriented so as to obtain an adequate passage section.
- a high-pressure body 1 conveys the fluid to introduce it radially by an injection sector 2 extending, in this example, over an arc of approximately 140 °.
- This injection sector 2 comprises, in the central zone, three fixed guide vanes 3, a first group of four guide vanes 4A, 5A, 6A, 7A each orientable by rotation around a pivot 4P, 5P, 6P, 7P and each controlled by an arm 4B, 5B, 6B, 7B secured at dawn and terminated by a roller 4R, 5R, 6R, 7R.
- These rollers are guided by a groove 8 formed in a control ring 9 concentric with a discharge cylinder 10 whose axis coincides with that of the machine.
- This injection sector 2 also includes a second group with three guide vanes IIA, 12A, 13A each orientable by rotation around a pivot 11P, 12P, 13P, each controlled by an arm 11B, 12B, 13B secured at dawn and ended with a roller 11R, 12R, 13R.
- These rollers 11R, 12R, 13R are guided respectively by the grooves 14, 15, 16 of the control ring 9 which, by means of a linkage 17, is actuated by a servo motor not shown.
- FIG. 1 represents the injection sector 2 in the position corresponding to the minimum flow rate of the fluid. The latter is expanded by passing through the three channels formed by the three fixed guide vanes 3 and the orientable guide vane 11A.
- the control crown 9 rotates, clockwise, by an angle proportional to the increase in flow and the guide vanes orientable open successively and gradually depending on the position of the rollers on the ramps of the guide grooves.
- the steerable guide vane 4A gradually pivots according to the progression of the roller 4R on the ramp 8R of the groove 8 formed in the control crown 9.
- the orientable guide vane 11A begins its rotation before the total opening of the orientable guide vane 4A.
- the opening control of the adjustable guide vanes 4A, 5A, 6A is carried out by the single ramp 8R of the groove 8 while the opening control of the vanes 11A, 12A, 13A is made by the ramps 14R, 15R, 16R belonging respectively to the grooves 14, 15, 16 formed in the control ring 9.
- This control ring 9 consists of two co-axial plates 18, 19 of the same diameter, made integral with one another and carrying one 18 the guide grooves 8 and 15 and the other 19 the grooves of guidance 14 and 16.
- the injection sector may extend over a different arc from that shown in FIG. 1. It is even possible to obtain an injection of the fluid over an opening of the order of 360 °. It is also possible that the order of opening of the orientable guide vanes takes place according to another process. For example, contrary to FIG. 1 where the progressive opening of the injection sector is done by extension of a central zone widening on either side of a minimum opening, an opening can be made. progressive spreading on one side of the minimum opening.
- FIG. 3 represents the orientable guide vane 4A in the fully open position while the orientable guide vane 5A is still completely closed.
- all the blades have an aerodynamic profile in the shape of a very flat triangle.
- the base of this triangle determines with its long side an edge which is the trailing edge of the blade and with its short side another edge which constitutes the leading edge of the blade.
- the apex of the triangle is rounded according to a curvature concentric with the pivot of the blade so as to determine a range on which the trailing edge of the neighboring blade can bear. This range, called neutral zone, allows the neighboring blade to keep the same position whatever the orientation of the blade on which it rests.
- the orientable guide vane 5A rests by its trailing edge on the neutral zone of the guide vane orientable 4A. Therefore, the orientation of the steerable guide vane 4A can vary without changing the orientation of the steerable guide vane 5A.
- This configuration makes it possible not to create parasitic openings, generating eddies which modify the flow of the fluid and reduce the efficiency of the fluid expansion.
- FIG. 3 also shows an implantation of the pivots of the orientable guide vanes on the high-pressure body 1 so as to form converging channels, whatever the degree of opening of the vanes, to allow suitable relaxation of the fluids conveyed.
- the steerable guide vanes shown in Figure 3 have two wings which, counted from the axis of the pivot of the blade, are of unequal sizes. This asymmetry allows by the play of pressures applied to the different faces of the triangle to obtain a resulting torque always acting in the same direction and to allow on the one hand to the whole linkage to work without shaking and on the other hand to the roller, located at the end of the arm, to remain applied to the same flank of the groove made in the control ring 9.
- the result of the forces acting on the different forces of the orientable guide vane 6A results in a torque acting in the anticlockwise to apply the roller 6R on the lower side of the groove 8.
- the regulator with variable injection sector equips the high-pressure body with a centriped turbine. It is obvious that the same device can equip both the high and low pressure bodies of this turbine.
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Abstract
Description
Il est de plus en plus fréquent de récupérer l'énergie de détente des gaz transportés à haute pression en entraînant divers engins électriques ou mécaniques tels que alternateur rapide, compresseur, pompe, alternateur classique avec réducteur etc.. Une récupération intéressante de la détente des gaz se fait sous forme d'énergie électrique par l' intermédiaire d'un turbo-détendeur, constitué principalement d'une ou de deux turbines centripètes montées en porte-à-faux sur l'abre d'un alternateur à grande vitesse. Le brevet européen 79200543.1 se rapporte à ce type de turbine de détente associée à une génératrice de courant électrique.It is more and more frequent to recover the energy of relaxation of the gases transported at high pressure by driving various electric or mechanical machines such as fast alternator, compressor, pump, traditional alternator with reducer etc. An interesting recovery of the relaxation of gas is produced in the form of electrical energy by means of a turboexpander, mainly consisting of one or two centripetal turbines mounted in cantilever on the shade of a high speed alternator. European patent 79200543.1 relates to this type of expansion turbine associated with an electric current generator.
Généralement l'alimentation de la roue centripète de la turbine se fait par un secteur d'injection d'ouverture constante dont les aubes directrices fixes imposent au fluide une orientation convenable.Generally the supply of the centripetal wheel of the turbine is done by a constant opening injection sector whose fixed guide vanes impose on the fluid a suitable orientation.
Ces secteurs d'injection à ouverture constante ne permettent pas une récupération optimale d'énergie lorsque le débit subit des fluctuations. D'autre part, à cause des variations de débit, l'installation doit comprendre, en amont du détendeur, une vanne de réglage qui module l'ouverture en fonction du débit. Cette modulation du débit par vanne de réglage se fait avec perte d'énergie et affecte le rendement de l'opération de récupération par détente de fluide.These injection sectors with constant opening do not allow optimal energy recovery when the flow rate fluctuates. On the other hand, because of the variations in flow, the installation must include, upstream of the regulator, an adjustment valve which modulates the opening according to the flow. This modulation of the flow rate by adjustment valve is done with loss of energy and affects the efficiency of the recovery operation by expansion of fluid.
L'invention revendiquée ci-après permet de maintenir le rendement à sa valeur optimale quel que soit le débit du fluide et son application couvre aussi bien la récupération d'énergie par détente de gaz à haute pression que celle par détente de vapeur d'eau. En outre elle permet de simplifier l'installation en amont de la machine en remplaçant la vanne de réglage de débit, de coût élevé et génératrice de perte d'énergie, par une simple vanne d'arrêt. L'invention consiste essentiellement en un dispositif permettant de faire varier le secteur d'injection du fluide sans modifier sensiblement la vitesse de celui-ci même si le débit subit des fluctuations importantes.The invention claimed below makes it possible to maintain the yield at its optimum value whatever the flow rate of the fluid and its application covers both the recovery of energy by expansion of gas at high pressure and that by expansion of water vapor. . In addition, it simplifies the installation upstream of the machine by replacing the flow control valve, high cost and generating energy loss, by a simple shut-off valve. The invention essentially consists of a device making it possible to vary the sector of injection of the fluid without appreciably modifying the speed of the latter even if the flow rate undergoes significant fluctuations.
Ce dispositif comporte un détendeur muni d'un secteur d'injection variable dont l'ouverture se règle selon les caractéristiques du fluide véhiculé. De façon à adapter le secteur d'injection à une variation de débit, sans modifier la vitesse d'écoulement du fluide, des aubes directrices réglables, commandées par un servo-moteur dont l'action est proportionnelle au débit constaté, s'orientent de manière à obtenir une section de passage adéquate.This device comprises a regulator provided with a variable injection sector, the opening of which is adjusted according to the characteristics of the fluid conveyed. In order to adapt the injection sector to a variation in flow rate, without modifying the flow speed of the fluid, adjustable guide vanes, controlled by a servo-motor whose action is proportional to the flow rate observed, are oriented so as to obtain an adequate passage section.
L'invention sera exposée plus en détails à l'aide des figures suivantes.
- La figure 1 est une vue générale d'un exemple de réalisation d'un secteur d'injection .
- La figure 2 montre une coupe faite selon l'axe de la machine.
- La figure 3 donne le détail de la.disposition géométrique de quelques aubes.
- La figure 4 représente la loi linéaire établie entre l'angle de rotation de l'anneau de commande et la section de passage du détendeur.
- La figure 1 représente un secteur d'injection constitué d'aubes directrices fixes,assurant un débit minimum, et d'aubes directrices orientables pour adapter la section de passage aux variations de débit.
- Figure 1 is a general view of an exemplary embodiment of an injection sector.
- Figure 2 shows a section along the axis of the machine.
- Figure 3 gives the detail of the geometric arrangement of some blades.
- FIG. 4 represents the linear law established between the angle of rotation of the control ring and the passage section of the regulator.
- FIG. 1 represents an injection sector consisting of fixed guide vanes, ensuring a minimum flow rate, and orientable guide vanes to adapt the passage section to variations in flow rate.
Dans la figure 1, un corps haute-pression 1 véhicule le fluide pour l'introduire radialement par un secteur d'injection 2 s'étendant, dans cet exemple, sur un arc d'environ 140°.In FIG. 1, a high-
Ce secteur d'injection 2 comprend, dans la zone centrale, trois aubes directrices fixes 3, un premier groupe de quatre aubes directrices 4A, 5A, 6A, 7A orientable chacune par rotation autour d'un pivot 4P, 5P, 6P, 7P et commandée chacune par un bras 4B, 5B, 6B, 7B solidarisé à l'aube et terminé par un rouleau 4R, 5R, 6R, 7R. Ces rouleaux sont guidés par une rainure 8 pratiquée dans une couronne de commande 9 concentrique à un cylindre de décharge 10 dont l'axe coincide avec celui de la machine.This
Ce secteur d'injection 2 comprend également un second groupe à trois aubes directrices IIA, 12A, 13A orientable chacune par rotation autour d'un pivot 11P, 12P, 13P, commandé chacune par un bras 11B, 12B, 13B solidarisé à l'aube et terminé par un rouleau 11R, 12R, 13R. Ces rouleaux 11R, 12R, 13R sont guidés respectivement par les rainures 14, 15, 16 de la couronne de commande 9 qui, par l'intermédiaire d'une tringlerie 17, est actionnée par un servo-moteur non représenté. La figure 1 représente le secteur d'injection 2 dans la position correspondant au débit minimum du fluide. Celui-ci est détendu en passant à travers les trois canaux formé par les trois aubes directrices fixes 3 et l'aube directrice orientable 11A. Lorsque le débit augmente la couronne de commande 9 tourne, dans le sens des aiguilles d'une montre, d'un angle proportionnel à l'accroissement du débit et les aubes directrices orientables s'ouvrent sucessivement et progressivement selon la position des rouleaux sur les rampes des rainures de guidage. Au départ de la position représentée à la figure 1, l'aube directrice orientable 4A pivote progressivement selon la progression du rouleau 4R sur la rampe 8R de la rainure 8 pratiquée dans la couronne de commande 9. Toutefois, afin d'établir une loi linéaire entre l'angle de rotation de la couronne de commande 9 et la section de passage offerte au fluide, l'aube directrice orientable 11A commence sa rotation avant l'ouverture totale de l'aube directrice orientable 4A. Selon le débit enregistré par les moyens de mesure et de commande du servo-moteur il y aura successivement ouverture des aubes orientables 4A, 11A, 5A, 12A, 6A, 13A avec,pour chacune d'elles, l'amorce du mouvement d'ouverture avant 1' ouverture totale de la précédente.This
La commande d'ouverture des aubes directrices orientables 4A, 5A, 6A est réalisée par la seule rampe 8R de la rainure 8 tandis que la commande d'ouverture des aubes 11A, 12A, 13A est faite par les rampes 14R, 15R, 16R appartenant respectivement aux rainures 14, 15, 16 pratiquée dans l'anneau de commande 9.The opening control of the
Cet anneau de commande 9 est constitué de deux plateaux co-axiaux 18, 19 de même diamètre, rendus solidaires l'un de l'autre et portant l'un 18 les rainures de guidage 8 et 15 et l'autre 19 les rainures de guidage 14 et 16.This control ring 9 consists of two
Lorsque l'ouverture totale du secteur d'injection 2 est obtenue par pivotements successifs et progressifs des aubes directrices orientables 4A, 11A, 5A, 12A, 6A, 13A actionnées par l'anneau de commande 9 se déplaçant dans le sens des aiguilles d'une montre, il est évident que par rotation de cet anneau de commande 9 en sens inverse on obtient une fermeture partielle du secteur d'injection 2 par pivotements successifs et progressifs des aubes 13A, 6A, 12A, 5A, 11A, 4A en respectant la même loi linéaire unissant la section de passage offerte au fluide à son débit.When the total opening of the
La même remarque prévaut pour un degré d'ouverture intermédiaire du secteur d'injection où par inversion du sens de rotation de l'anneau de commande on peut obtenir une fermeture successive et progressive des aubes directrices orientables déjà ouvertes . Le dispositif décrit permet donc d'adapter à chaque instant une ouverture convenable du secteur d'injection 2 pour conserver au fluide véhiculé une même vitesse malgré les nombreuses fluctuations du débit. Il permet ainsi de conserver un rendement optimal à l'installation quelles que soient les conditions d'alimentation du fluide. Le dispositif représenté par les figures 1 et 2 est donné à titre d'exemple de réalisation. La même invention s'applique aussi à un secteur d'injection dont le nombre d'aubes directrices fixes est différent voire même nul. Dans ce dernier cas on obtient alors un détendeur pouvant s'adapter à de très faible débit.The same remark prevails for an intermediate degree of opening of the injection sector where by reversing the direction of rotation of the control ring it is possible to obtain a successive and progressive closing of the orientable guide vanes already open. The device described therefore makes it possible to adapt at any time a suitable opening of the
Dans d'autres réalisations, le secteur d'injection peut s'étendre sur un arc différent de celui représenté à la figure 1. Il est même possible d'obtenir une injection du fluide sur une ouverture de l'ordre de 360°. Il est également possible que l'ordre d'ouverture des aubes directrices orientables se fasse selon un autre processus. Par exemple, à l'encontre de la figure 1 où l'ouverture progressive du secteur d'injection se fait par extension d'une zone centrale s'élargissant de part et d'autre d'une ouverture minimum, on peut réaliser une ouverture progressive s'étalant d'un seul côté de l'ouverture minimum.In other embodiments, the injection sector may extend over a different arc from that shown in FIG. 1. It is even possible to obtain an injection of the fluid over an opening of the order of 360 °. It is also possible that the order of opening of the orientable guide vanes takes place according to another process. For example, contrary to FIG. 1 where the progressive opening of the injection sector is done by extension of a central zone widening on either side of a minimum opening, an opening can be made. progressive spreading on one side of the minimum opening.
Dans tous ces exemples d'exécution, il importe de réaliser une ouverture ne présentant pas de discontinuités susceptibles d'introduire des remous perturbant l'écoulement régulier du fluide et diminuant ainsi la quantité d'énergie récupérable.In all of these exemplary embodiments, it is important to make an opening that does not have discontinuities liable to introduce eddies which disturb the regular flow of the fluid and thus reduce the amount of energy recoverable.
Le processus d'ouverture précédemment décrit, la forme des aubes et leur disposition géométrique développées par la suite conduisent à ce résultat.The opening process described above, the shape of the blades and their geometric arrangement developed subsequently lead to this result.
La figure 3 représente l'aube directrice orientable 4A en position complètement ouverte alors que l'aube directrice orientable 5A est encore complètement fermée. Dans cette figure, toutes les aubes présentent un profil aérodynamique en forme de triangle très applati. La base de ce triangle détermine avec son grand côté une arête qui est le bord de fuite de l'aube et avec son petit côté une autre arête qui constitue le bord d'attaque de l'aube. Le sommet du triangle est arrondi selon une courbure concentrique au pivot de l'aube de façon à déterminer une plage sur laquelle peut prendre appui le bord de fuite de l'aube voisine. Cette plage, appelée zone neutre, permet à l'aube voisine de conserver la même position quelle que soit l'orientation de l'aube sur laquelle elle prend appui.FIG. 3 represents the
Dans l'exemple de la figure 3, l'aube directrice orientable 5A repose par son bord de fuite sur la zone neutre de l'aube directrice orientable 4A. De ce fait, l'orientation de l'aube directrice orientable 4A peut varier sans pour cela modifier l'orientation de l'aube directrice orientable 5A.In the example of FIG. 3, the
Cette configuration permet de ne pas créer des ouvertures parasites, génératrices de remous qui modifient l'écoulement du fluide et réduisent le rendement de la détente de fluide.This configuration makes it possible not to create parasitic openings, generating eddies which modify the flow of the fluid and reduce the efficiency of the fluid expansion.
La figure 3 fait également apparaître une implantation des pivots des aubes directrices orientables sur le corps haute-pression 1 de manière à former des canaux convergents, quel que soit le degré d'ouverture des aubes, pour permettre une détente convenable des fluides véhiculés.FIG. 3 also shows an implantation of the pivots of the orientable guide vanes on the high-
Les aubes directrices orientables représentées à la figure 3 comportent deux ailes qui, comptées à partir de l'axe du pivot de l'aube, sont d'inégales grandeurs. Cette dissymétrie permet par le jeu des pressions appliquées aux différentes faces du triangle d'obtenir un couple résultant agissant toujours dans le même sens et de permettre d'une part à toute la tringlerie de travailler sans secousse et d'autre part au rouleau, situé en bout de bras, de rester appliquer sur le même flanc de la rainure pratiquée dans l'anneau de commande 9. Par exemple la résultante des forces agissant sur les différentes force de l'aube directrice orientable 6A se traduit par un couple agissant dans le sens opposé aux aiguilles d'une montre pour appliquer le rouleau 6R sur le flanc inférieur de la rainure 8.The steerable guide vanes shown in Figure 3 have two wings which, counted from the axis of the pivot of the blade, are of unequal sizes. This asymmetry allows by the play of pressures applied to the different faces of the triangle to obtain a resulting torque always acting in the same direction and to allow on the one hand to the whole linkage to work without shaking and on the other hand to the roller, located at the end of the arm, to remain applied to the same flank of the groove made in the control ring 9. For example, the result of the forces acting on the different forces of the
Dans l'exemple présenté ci-dessus le détendeur à secteur d'injection variable équipe le corps haute-pression d'une turbine centripède. Il est évident que le même dispositif peut équiper à la fois les corps haute et basse pression de cette turbine.In the example presented above, the regulator with variable injection sector equips the high-pressure body with a centriped turbine. It is obvious that the same device can equip both the high and low pressure bodies of this turbine.
Claims (8)
caractérisé en ce que le turbo-détendeur comprend un secteur d'injection (2) constitué en tout ou en partie d'aubes directrices orientables (4A, 5A, 6A, 7A, 11A, 12A, 13A) qui par pivotementsprogressifset successifs ouvrent ou ferment le secteur d'injection (2) de manière continue pour adapter le turbo-détendeur à une variation de débit du fluide sans modifier sensiblement la vitesse d'écoulement de celui-ci.1. Turbo-regulator comprising at least one centriped turbine mounted cantilever on the shaft of the driven machine, a pipe bringing the fluid at high pressure and ending in volute, an injection sector directing the fluid towards the fins of the centripetal turbine, a pipe for discharging the expanded fluid,
characterized in that the turboexpander includes an injection area (2) formed in whole or in part of orientable vanes (4A, 5A, 6A, 7A, 11A, 12A, 13A) which pivotally s successive open progressifset or close the injection sector (2) continuously to adapt the turboexpander to a variation in the flow rate of the fluid without substantially modifying the flow speed thereof.
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Inventor name: WATTEZ, RAYMOND Inventor name: VAN GUCHT, ALBERT |