EP0056569A1 - Détendeur à section d'injection variable - 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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EP
European Patent Office
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turbo
fluid
injection
regulator according
opening
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Withdrawn
Application number
EP81870007A
Other languages
German (de)
English (en)
Inventor
Albert Van Gucht
Raymond Wattez
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Umicore NV SA
Original Assignee
Ateliers de Constructions Electriques de Charleroi SA
ACEC SA
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Filing date
Publication date
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Classifications

    • 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

Turbine pourvue d'aubes directrices orientables, commandées par servo-moteur, pour adapter la section au débit variable du fluide. Une ouverture successive et progressive d'aubes de forme spéciale, permet de maintenir à sa valeur optimale la quantité d'énergie récupérée par détente des gaz à haute-pression.

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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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°.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • Le processus d'ouverture précédemment décrit, la forme des aubes et leur disposition géométrique développées par la suite conduisent à ce résultat.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.

Claims (8)

1. Turbo-détendeur comportant au moins une turbine centripède montée en porte-à-faux sur l'arbre de la machine entraînée, une canalisation amenant le fluide à pression élevée et se terminant en volute, un secteur d'injection orientant le fluide vers les ailettes de la turbine centripète, une canalisation d'évacuation du fluide détendu,
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.
2. Turbo-détendeur selon la revendication caractérisé en ce que les aubes directrices qui le constituent ont un profil aérodynamique sous la forme générale d'un triangle très applati dont les angles aigus adjacents à la base sont respectivement le bord d'attaque et le bord de fuite de l'aube et dont l'angle obtu situé au sommet du triangle est arrondi selon une courbure concentrique à l'axe de rotation situé au niveau dé la partie la plus massive de l'aube.
3. Turbo-détendeur selon une des revendications précédentes caractérisé en ce que les aubes directrices orientables présentent à partir de l'axe de rotation de l'aube deux ailes d'inégale longueur.
4. Turbo-détendeur selon une des revendications précédentes caractérisé en ce que la plus grande aile de l'autre directrice orientable se termine par un bord de fuite et en ce que la plus petite aile de l'aube directrice orientable se termine par un bord d'attaque.
5. Turbo-détendeur selon une des revendications précédentes caractérisé en ce que la disposition géométrique des axes de rotation des aubes. directrices orientable est telle que d'une part le bord de fuite d'une aube directrice orientable (5A) en position de fermeture complète se pose sur la partie arrondie de l'angle au sommet, dite zone neutre, de l'aube voisine (4A) et que d'autre part la base du profil triangulaire d'une aube directrice orientable (4A) associée au petit côté du profil triangulaire de l'aube voisine (3) forment un canal convergent de dis tribution du fluide, quel que soit le degré d'ouverture de l'une ou l' autre des aubes considérées
6. Turbo-détendeur selon une des revendications précédentes caractérisé en ce que une couronne de commande (9), concentrique au cylindre d'admission (10) et actionnée par l'intermédiaire d'une tringlerie (17) est nantie de rampes de guidage (8, 14, 15, 16) pour collaborer avec des rouleaux (4R; 5R, 6R, 7R, 11R, 12R, 13R) montés chacun au bout d'un bras (4B, 5B, 6B, 6B, 11B, 12B, 13B) rendu solidaire de l'axe de rotation (4P, 5P, 6P, 7P, IIP, 12P, 13P) de chaque aube directrice orientable (4A, 5A, 6A, 7A, 11A, 12A, 13A) pour réaliser une ouverture ou une fermeture progressive du secteur d'injection (2)
7. Turbo-détendeur selon une des revendications précédentes caractérisé en ce que la couronne de commande (9) est constituée de deux plateaux (18 et 19) solidarisés entre eux et portant chacun des rampes de guidage (8, 14, 15, 16) réparties de manière à réaliser une ouverture ou une fermeture progressive du secteur d'injection (2).
8. Turbo-détendeur selon une des revendications précédentes caractérisé en ce que un servo-moteur alimenté par le fluide véhiculé est relié à la tringlerie (17) de la couronne de commande (9) pour actionner l'ouverture ou la fermeture du secteur d'injection (2).
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