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Title:
TURBINE ENGINE ROTATING AT HIGH SPEEDS
Document Type and Number:
WIPO Patent Application WO/2016/055745
Kind Code:
A1
Abstract:
The present invention relates to a turbine engine comprising a wheel, (2) mounted on a shaft (4), and a disk (18), adjacent to the wheel (2) and mounted on the same shaft while being rotated by the latter. The disk (18) is made of a material having a density greater than that of the material used to manufacture the wheel (2). The invention is of use in a compressor/turbine.

Inventors:
DALLER, René (7 rue du château, Soultzmatt, F-68570, FR)
WALCH, Joseph (23 rue Jean de la Fontaine, Sausheim, F-68390, FR)
Application Number:
FR2015/052716
Publication Date:
April 14, 2016
Filing Date:
October 08, 2015
Export Citation:
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Assignee:
CRYOSTAR SAS (2 rue de l'Industrie ZI - BP 48, Hesingue, F-68220, FR)
International Classes:
F04D29/053; F04D25/16; F04D29/26; F04D29/28; F04D29/66; F16F15/315; F04D17/12; F04D29/02
Foreign References:
US20070292268A12007-12-20
FR2969722A12012-06-29
US5356273A1994-10-18
US20110262284A12011-10-27
US20030017878A12003-01-23
US20110091324A12011-04-21
US20110091324A12011-04-21
FR2969722A12012-06-29
Attorney, Agent or Firm:
CABINET PLASSERAUD (52 rue de la Victoire, Paris Cedex 09, F-75440, FR)
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Claims:
REVENDICATIONS

1. Turbomachine comportant une roue (2) montée sur un arbre (4), caractérisée en ce qu'elle comporte en outre un disque (18) adjacent à la roue (2) et monté de manière démontable sur le même arbre en étant entraîné en rotation par celui-ci, le disque (18) étant réalisé dans un matériau d'une densité supérieure à celle du matériau utilisé pour la fabrication de la roue (2).

2. Turbomachine selon la revendication 1 , caractérisée en ce que la roue (2) est réalisée dans un alliage à base d'aluminium.

3. Turbomachine selon l'une des revendications 1 ou 2, caractérisée en ce que le disque (18) présente une densité supérieure à 15.

4. Turbomachine selon la revendication 3, caractérisée en ce que le disque (18) est réalisé en tungstène ou dans un alliage à base de tungstène.

5. Turbomachine selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisée en ce que le disque (18) est monté par serrage entre la roue (2) et l'arbre (4).

6. Turbomachine selon l'une des revendications 1 à 5, caractérisée en ce que la liaison entre l'arbre (4) et le disque (18) est similaire à la liaison entre le disque (18) et la roue (2) de telle sorte que la roue (2) puisse être reliée à l'arbre (4) sans la présence du disque (18).

7. Turbomachine selon l'une des revendications 1 à 6, caractérisée en ce que le disque (18) est relié à la roue (2) par une denture radiale (20) de type denture Hirth.

8. Turbomachine selon l'une des revendications 1 à 7, caractérisée en ce que le disque (18) est relié à l'arbre (4) par une denture radiale (20) de type denture Hirth.

9. Turbomachine selon l'une des revendications 1 à 8, caractérisée en ce que le diamètre du disque (18) est inférieur au diamètre de la roue (2).

10. Turbomachine selon l'une des revendications 1 à 9, caractérisée en ce que le disque (18) et la roue (2) sont montés en bout de l'arbre (4).

11. Turbomachine selon la revendication 10, caractérisée en ce qu'un goujon (8) est fixé sur l'arbre de manière à prolonger axialement celui-ci, et en ce que le disque (18) et la roue (2) sont bridés contre l'extrémité de l'arbre (4) à l'aide d'un écrou (14) vissé sur une extrémité filetée du goujon (8) opposée à l'arbre (4).

12. Turbomachine selon l'une des revendications 10 ou 1 1 , caractérisée en ce que le goujon (8) est vissé dans un logement (10) axial borgne taraudé et débouchant dans une face frontale de l'arbre (4) recevant le disque (18).

13. Turbomachine selon la revendication 12, caractérisée en ce qu'un embout profilé (16) vient recouvrir l'écrou (14).

14. Compresseur turbine, caractérisé en ce qu'il comporte au moins une turbomachine selon l'une des revendications 1 à 13.

15. Compresseur turbine selon la revendication 14, caractérisé en ce qu'il comporte trois compresseurs centrifuges et une turbine reliés mécaniquement à un moteur commun par l'intermédiaire d'un train d'engrenages.

Description:
Turbomachine tournant à des vitesses élevées

La présente invention concerne une machine tournant à des vitesses élevées présentant une roue centrifuge. Elle concerne plus particulièrement un compresseur ou une turbine radiale.

Dans une machine de type compresseur-turbine, appelée aussi compander (mot obtenu à partir des mots anglais compressor pour compresseur et expandeur pour turbine ou détendeur), on trouve un ou plusieurs compresseur(s) centrifuge(s) et une ou plusieurs turbine(s). Ces divers étages sont par exemple reliés mécaniquement à un moteur commun (éventuellement une génératrice commune) par l'intermédiaire d'un ensemble d'engrenages appelé par exemple boite de vitesses.

La même boite de vitesses et la même architecture de machine peut être utilisée pour des applications différentes avec des puissances différentes. II convient alors d'adapter les roues de compresseur et de turbine à la nouvelle application. Les vitesses de rotation au niveau des roues centrifuges peuvent être très élevées. Il arrive alors que le régime de fonctionnement d'une ou plusieurs roue(s) de la machine tournante soit un régime super-critique, c'est-à- dire dans un mode de fonctionnement au-dessus du premier mode de flexion de l'arbre portant la roue.

Quand on est amené à modifier pour une nouvelle application une ou plusieurs roue(s) équipant une machine tournante, les caractéristiques de la nouvelle machine peuvent varier, notamment en ce qui concerne le premier mode de flexion des arbres de la machine. Si la roue centrifuge qui vient remplacer la roue centrifuge d'origine est plus légère, alors la vitesse critique, correspondant au premier mode de flexion, augmente. Il convient alors d'éviter que cette vitesse critique ne rentre dans la plage d'utilisation de la machine concernée.

Le document US201 1091324 concerne un rotor d'une turbomachine, en particulier un turbocompresseur à gaz d'échappement, comportant une roue de rotor comprenant une partie arrière de roue et comportant un arbre rotor comprenant une pièce intermédiaire via laquelle l'arbre rotor est relié de manière rigide à la roue de rotor, la pièce intermédiaire étant dotée d'un plateau d'équilibre présentant la forme d'un disque, dont le diamètre extérieur est supérieur au diamètre maximal de l'arbre rotor et qui est fixé sur la partie arrière de roue de la roue de rotor.

Le document FR2969722 concerne quant à lui un groupe motocompresseur comprenant un moteur et un compresseur montés dans un carter commun étanche aux gaz à comprimer. Le moteur comprend un rotor lié en rotation avec un rotor du compresseur. Ce dernier comporte un arbre principal et un arbre de liaison coaxial avec l'arbre principal, l'arbre de liaison étant disposé au moins en partie à l'intérieur de l'arbre principal de manière à être

La présente invention a alors pour but de permettre l'utilisation dans une machine tournante, pour un compresseur ou une turbine, associée à une boite de vitesses déjà préexistante, de roues de tout type, notamment des roues plus petites et/ou plus légères, même à des vitesses élevées tout en évitant toutefois d'avoir une vitesse critique dans la plage de fonctionnement voulue.

Un autre but de la présente invention est de permettre d'utiliser une roue donnée sur une plage de vitesses plus importante sans risquer de rentrer dans un régime super-critique sans avoir à modifier ladite roue (qui reste donc utilisable).

À cet effet, la présente invention propose une machine tournante, de type turbomachine, comportant une roue montée sur un arbre, caractérisée en ce qu'elle comporte en outre un disque adjacent à la roue et monté de manière démontable sur le même arbre en étant entraîné en rotation par celui-ci, le disque étant réalisé dans un matériau d'une densité supérieure à celle du matériau utilisé pour la fabrication de la roue.

L'utilisation d'un disque inertiel comme mentionné ici permet d'avoir un rotor, formé par les pièces tournantes incluant la roue centrifuge et le disque additionnel, avec des propriétés dynamiques adaptées à l'utilisation que l'on souhaite faire de la roue centrifuge. Il est ainsi possible avec par exemple une roue centrifuge en alliage léger d'atteindre des vitesses de rotation élevées sans avoir de zone de vitesses critiques dans la plage d'utilisation souhaitée. Lorsque la roue du rotor est remplacée par une roue présentant des caractéristiques différentes, le disque inertiel peut lui aussi être remplacé si nécessaire par un autre disque dont les caractéristiques, notamment la masse, seront adaptées à la nouvelle roue.

Dans une telle machine tournante, la roue est par exemple réalisée dans un alliage à base d'aluminium. Le disque quant à lui présente de préférence une densité supérieure à 15. Il peut être par exemple réalisé en tungstène ou dans un alliage à base de tungstène.

Dans une turbomachine telle que décrite ci-dessus, le disque peut être monté par serrage entre la roue et l'arbre.

Dans une forme de réalisation préférée, il est prévu que la liaison entre l'arbre et le disque soit similaire à la liaison entre le disque et la roue de telle sorte que la roue puisse être reliée à l'arbre sans la présence du disque. Ainsi, le disque pourra être retiré si la turbomachine est utilisée à des vitesses suffisamment basses pour qu'il n'y ait pas de risque que la turbomachine fonctionne en régime super-critique.

L'entraînement du disque peut se faire par friction. Toutefois, il peut être prévu, dans une forme de réalisation préférée, que le disque soit relié à la roue par une denture radiale de type denture Hirth. Ce montage permet une transmission d'un couple élevé et assure un très bon alignement du disque avec la roue centrifuge.

De même, on prévoit de préférence que le disque est relié à l'arbre moteur par une denture radiale de type denture Hirth. Ici aussi, on a une bonne transmission de couple avec un bon alignement des éléments.

Pour limiter les frictions avec le milieu ambiant, le diamètre du disque est avantageusement inférieur au diamètre de la roue.

La structure proposée ici pour la turbomachine est particulièrement bien adaptée au cas dans lequel le disque et la roue sont montés en bout de l'arbre. On peut alors prévoir qu'un goujon est fixé sur l'arbre de manière à prolonger axialement celui-ci, et que le disque et la roue sont bridés contre l'extrémité de l'arbre à l'aide d'un écrou vissé sur une extrémité filetée du goujon opposée à l'arbre. On peut aussi prévoir éventuellement que le goujon soit vissé dans un logement axial borgne taraudé et débouchant dans une face frontale de l'arbre recevant le disque. Dans cette dernière variante, un embout profilé vient recouvrir l'écrou de manière à ne pas perturber le flux d'air (ou autre fluide) de la roue correspondante.

La présente invention concerne également un compresseur turbine, ou compander, caractérisé en ce qu'il comporte au moins une machine tournante telle que décrite ci-dessus. Un tel compresseur turbine comporte par exemple trois compresseurs centrifuges et une turbine reliés mécaniquement à un moteur commun par l'intermédiaire d'un train d'engrenages.

Des détails et avantages de la présente invention apparaîtront mieux de la description qui suit, faite en référence au dessin schématique annexé sur lequel :

La figure unique illustre un compresseur selon la présente invention. On reconnaît sur cette figure une roue centrifuge 2, par exemple réalisée dans un alliage léger à base d'aluminium, montée sur un arbre qui est par exemple un arbre moteur 4 (dans le cas où de l'énergie est fournie à la roue centrifuge : il pourrait s'agir aussi d'un arbre mené par la roue centrifuge si celle-ci correspond à une turbine). L'arbre moteur 4 est par exemple relié à un moteur (non illustré) par l'intermédiaire d'un train d'engrenages appelé par la suite boite de vitesses (non représentée).

La roue centrifuge 2 est montée sur l'arbre moteur 4, en bout d'arbre, par l'intermédiaire d'un goujon 8. Ce dernier présente une première extrémité filetée vissée dans un trou taraudél O longitudinal réalisé en bout d'arbre moteur 4 et vient ainsi prolonger axialement l'arbre moteur 4. L'autre extrémité du goujon 8 est elle aussi filetée et reçoit un écrou 14. Lors du vissage de cet écrou 14 sur le goujon 8, on vient exercer une traction sur le goujon 8, ce qui permet de réaliser un montage avec précontrainte de la roue centrifuge 2. Un embout profilé 16, appelé aussi nez de roue, vient recouvrir l'écrou 14 pour favoriser l'écoulement de fluide au niveau de la roue centrifuge 2. Un tel montage est un exemple de montage connu de l'homme du métier mais d'autres montages connus d'une roue sur un arbre pourraient être utilisés ici.

Dans l'exemple illustré, on remarque la présence d'un disque 18 entre l'arbre moteur 4 et la roue centrifuge 2. Ce disque 18 est réalisé dans un matériau présentant une densité supérieure à celle du matériau utilisé pour réaliser la roue centrifuge 2. Dans la forme de réalisation préférée illustrée, le disque 18 est inséré entre l'arbre moteur 4 et la roue centrifuge 2 et le bridage de la roue centrifuge 2 réalise ainsi le bridage du disque 18. Le montage de l'ensemble formé par le disque 18 et la roue 2 peut être effectué comme expliqué ci-dessus à l'aide d'un goujon 8 et par bridage par un écrou 14. On réalise ainsi un montage entièrement démontable permettant de réaliser facilement un changement de disque 18 et/ou de roue 2.

La transmission du couple entre la roue centrifuge 2 et l'arbre moteur 4 se fait par l'intermédiaire du disque 18. Plusieurs variantes sont possibles ici. Dans le montage proposé ici où le disque 18 est bridé entre la roue centrifuge 2 et l'arbre moteur 4, un simple entraînement par friction est possible. De préférence, on utilise le même accouplement entre le disque 18 et la roue centrifuge 2 et entre l'arbre moteur 4 et le disque 18 que l'accouplement prévu à l'origine (sans le disque 18) entre la roue centrifuge 2 et l'arbre moteur 4. Dans la forme de réalisation illustrée, on a à chaque fois un accouplement par des dentures radiales 20, également connues sous le nom de dentures Hirth. Ainsi des dentures Hirth sont réalisées, d'une part, entre l'arbre moteur 4 et le disque 18 et, d'autre part, entre le disque 18 et la roue centrifuge 2. Ce type d'accouplement permet un excellent entraînement et permet aussi un bon alignement des pièces.

Le disque 18 est réalisé dans un matériau dense, présentant une densité supérieure par exemple à 15 (c'est-à-dire une masse volumique supérieure à 15 kg/dm "3 ). Il est par exemple fabriqué dans un alliage à base de tungstène.

Pour pouvoir être intégré dans la turbomachine sans souci ainsi que pour limiter les frictions dues au disque, on prévoit que le diamètre du disque 18 reste inférieur au diamètre extérieur de la roue centrifuge 2.

La présence du disque 18 permet d'adapter les fréquences propres de l'ensemble tournant de manière à adapter les vitesses de rotation critiques et notamment éviter que la plage nominale de fonctionnement de la machine comporte de telles vitesses de rotation critiques.

La roue centrifuge 2 est destinée à tourner à des vitesses élevées, supérieures à 20.000 tr.min "1 , voire supérieures à 40.000 tr.min "1 . En lui adjoignant le disque 18 additionnel, il est possible d'abaisser le premier mode de flexion correspondant à la première vitesse critique en deçà de la plage d'opération de la machine tournante en changeant les propriétés physiques de l'ensemble tournant, ou rotor. Bien entendu, pour de telles vitesses de rotation, un équilibrage, de préférence dynamique, de chaque élément de l'ensemble formé par le disque 18 et la roue centrifuge 2 est réalisé.

Le fait d'utiliser un matériau dense pour la réalisation du disque 18 permet de limiter l'encombrement du disque 18 et donc de l'ensemble monté et permet de limiter aussi les pertes par friction lors de l'utilisation de la machine tournante.

Il est possible d'utiliser une roue de compresseur ou de détendeur déjà existante avec une boîte de vitesses donnée sans avoir à toucher à la roue (ni à la boite de vitesses). Il suffit de lui adjoindre le disque additionnel comme décrit plus haut pour adapter les propriétés dynamiques du rotor ainsi obtenu aux conditions d'utilisation prévues.

Dans la forme de réalisation décrite ci-dessus, il convient de choisir un disque de masse adaptée et un goujon suffisamment long pour recevoir à la fois le disque additionnel et la roue. Cette dernière se monte alors sur l'arbre moteur de la même manière que sans disque, à la seule exception près qu'il convient justement de ne pas oublier de venir intercaler ce disque entre l'arbre moteur et la roue lors du montage de cette dernière.

On remarque aussi que seul le goujon utilisé dans la forme de réalisation ci-dessus doit être modifié pour le montage de la roue par rapport à un montage sans disque additionnel.

Un compresseur ou une turbine avec une roue centrifuge et un disque inertiel peut être par exemple utilisé dans un compresseur-turbine, appelé aussi compander. À chaque étage de compression et de détente correspond alors une roue centrifuge et toutes les roues sont entraînées par l'intermédiaire d'une boite de vitesses commune à tous les étages. Dans un tel compander, on a par exemple trois étages de compression et un étage de détente.

Bien entendu, la présente invention ne se limite pas à la forme de réalisation préférée décrite ci-dessus et illustrée sur le dessin mais elle concerne également toutes les variantes évoquées et celles à la portée de l'homme du métier dans le cadre des revendications ci-après.