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MODE DE FONCTIONNEMENT POUH MACHINES THERMIQUES , NOTAMMENT
TURBINES A COMBUSTION, ET INSTALLATION POUR LA MISE EN OEUVRE DE . CE FONCTIONNEMENT.
La présente invention a pour objet un mode de fonctionnement pour moteurs thermiques applicable en particulier à la production des gaz moteurs pour turbines à combustion et elle couvre également des-dispositifs et installations pour la mise en oeuvre du mode de des'dispositif s et installations pour mise en oeuvre du mode de @ fonctionnement conforme à l'invention.
On a déjà proposé pour assurer la réduction d9 température des gaz moteurs obtenus par combustion des agents moteurs dans les turbines à combustion, de mélanger les gaz moteurs avec de l'air avant de les laisser entrer dans les tuyères de la turbine à combustion. Il est prévu à cet effet d'introduire les gaz brûlés au moyen d'éjecteurs pour les amener dans la turbine avec aspira- tion dans les dits éjecteurs d'air frais ayant une action de re- froidissement.
Cette aspiration d'air et cette formation d'un mé- lange de gaz brûlés et d'air entraînent cependant 'une détente notable des gaz brûlés de telle sorte qu'il ne reste disponible pour la commande de la turbine qu'une chute de pression relativement
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faible et que par suite la turbine tout en exigeant une masse im- portante d'agent moteur ne peut .Fonctionner qu'à puissance relative- ment faible.
On sait aussi que l'on peut réunir une machine thermique à pis- tons avec une turbine à combustion et un compresseur d'air de maniè- re que le compresseur fournisse l'air comprimé nécessaire au charge- ment, en air des cylindres de la machine à pistons. Dans ce cas, le compresseur d'air est entraîné directement par la turbine à combus- tion, ces deux machines étant montées coaxialement sur un arbre moteur monté indépendamment du vilebrequin du moteur thermique à pistons.
Enfin, on connaît des turbines à combustion montées coaxialement par rapport au moteur thermique à piston fournissant les gaz moteurs, les arbres de ces deux machines étant cependant associés de telle manière que la turbine ne puisse pas être réglée indépendamment du moteur thermique et sa vitesse de rotation ne pouvant, être modifiée indépendamment de ce dernier. De telles installations ne sont guère appropriées à la commande des véhicules.
Le procédé conforme à l'invention consiste en ce que l'on prépa- re un mélange de gaz brûlés et d'air présentant à température rela- tivement basse une pression relativement élevée, ce qui le rend particulièrement propre à la commande de turbines à combustion. Ce procédé est caractérisé en ce que l'on comprime pour la production des gaz brûlés une quantité d'air sensiblement supérieure à celle qui est nécessaire pour la combustion de l'agent moteur et que de cette quantité d'air comprimé, une partie seulement correspondant à la quantité l'agent moteur à brûler est utilisée pour l'exécution de la combustion dans une chambre de combustion séparée de l'ensemble de l'enceinte recevant l'air comprimé, le reste de l'air comprimé servant à former la mélange avec les gaz brûlés chauds.
Grâce à ce procédé, le mélange de gaz brûlés et d'air peut s'effectuer sous pression relativement élevée tandis que l'air agit en même temps pour assurer un refroidissement efficace de la chambre de combustion du fait que le mélange se fait dans le voisinage immédiat de cette
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dernière. On peut réduire ainsi considérablement ou même. supprimer, le cas échéant, le refroidissement complémentaire de la chambre par de l'eau de refroidissement. Le procédé conforme l'invention pré- sente ainsi l'avantage particulier que la chaleur entraînée autrement inutilement dans l'eau de refroidissement des moteurs thermiques, ce qui correspond à une perte nette d'énergie, est maintenue dans le cycle opératoire et se traduit par une élévation de pression du mélange gaz brûlés et air.
Le procédé conforme à l'invention peut être utilisé dans les moteurs à combustion de tous genres ne serait-ce que pour obtenir ce gain calorifique et pour éviter les complications et les pertes résultant du refroidissement par eau. Ce procédé, conforme à l'in- vent ion, est d'ailleurs radicalement différent de ceux appliqués dans les machines thermiques de nature particulière telles que celles dites moteurs à anti-chambre ou à accumulateur d'air, par le fait que l'on comprima avec l'air nécessaire à la combustion de l'agent moteur, l'air en excès destiné à réduire la température des gaz brûlée
L'invention couvrant la production de gaz moteurs pour turbines à combustion n'est pas limitée en elle-même à des types déterminés @ de turbine et de chambre de combustion.
Le mode de fonctionnement conforme à l'invention peut tre appliqué par exemple aussi bien aux turbines à combustion dont l'alimentation se fait à partir de chambres de combustion à volume constant chargées en air comprimé* Cependant, ce mode de fonctionnement conforme à l'invention se fait de préférence pour la production de gaz moteurs pour moteurs à combustion d'une manière telle que les gaz brûlés pénètrent en se détendant dans un matelas d'air comprimé, le mélange de gaz brûlés et d'air ainsi obtenu se détendant d'abord davantage avec augmenta- tion de volume avant de passer comme gaz moteur dans la turbine ,à combustion.
Dans ce cas, l'expansion se fait en trois étages, à savoir, d'abord une expansion ou détente des gaz brûlés seuls, en- suite une détente du mélange de gaz brûlés et d'air jusqu'à la pres- sion d'introduction dans la turbine et enfin une détente complémen- taire dans la turbine elle-mme. L'introduction d'un stade de détente
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pour le mélange d'air et de gaz brûlés avec accroissement du volume de la chambre contenant l'air a pour résultat un abaissement complémen- taire de température et rend possible l'utilisation de la surpression inemployée sous forme de travail pour la commande du compresseur d' air
L'invention a une importance particulière pour la commande des véhicules au moyen de turbines à combustion.
On utilise à cet effet avantageusement une installation où se trouvent réunis une turbine à combustion et un moteur à combustion à pistons à cylindres en étoile, ces deux machines étant montées coaxialement et leur associa- tion étant telle que la turbine se trouve alimentée directement par les cylindres de la machine à pistons tandis que la turbine peut tourner indépendamment de la machine à pistons.
Un tel mode d'exécu- tion rend possible l'utilisation de la turbine pour la commande di- recta de ]'essieu du véhicule avec suppression de tous organes de transmission intermédiaires tout en réduisant au maximum l'encombre- mont nécessaire; en même temps il est possible d'adapter la tubbine pour toutes ses gammes de vitesses ou pour toutes vitesses du véhi- cule, en agissant sur la vitesse de rotation du moteur à pistons suivant, la puissance nécessaire désirée. un utilise de préférence, pour commander le compresseur, la machine à pistons lorsqu'on utilise en même temps en disposition co- axiale une turbine à combustion, un moteur à combustion pour alimen- ter celle-ci et un compresseur d'air alimentant le dit moteur.
L' exécution de l'ensemble peut être telle que le moteur à pistons commande par ses pistons aussi bien les canalisations reliant le compresseur au moteur à pintons que celles qui relient ce dernier à la turbine. La commande du compresseur à air est de préférence telle que la pression ,:
lE' travail dans le compresseur d'air soit au '-joins égale, au moment où les canalisations aboutissant à la turbine se trouvent ouvertes, à la pression d'échappement du mélan- ge des gaz brûlés et d'air afin que le chargement de la chambre de combustion en air frais puisse s'effectuer entièrement sans réduc- tion de la pression d'échappement de ce mélange,
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D'autres particularités du mode,de fonctionnement conforme à l'in- vention et d'installations convenant plus particulièrement à sa, mise en oeuvre apparaitront dans la description ci-après de certains modes d'exécution particuliers représentés aus dessins.
Il y est question de modes d'exécution différents de turbines à combustion où sont seules représentées en coupe longitudinale les parties essentielles et cela en vues schématiques partielles..
Dans les figs. 1 à 3, on n'a représenté de la turbine qu'une partie de son rotor, le carter de la turbine n'étant pas représentée
Les figs. 1 à 5 représentent cinq modes d'exécution différents d'une installation conforme à l'invention en coupe longitudinale partielle.
Dans le mode d'exécution suivant fig. 1, le rotor 1 de la turbine est monté coaxialement à un vilebrequin 2 soumis à l'action des pistons 3, 4 d'un moteur à combustion à pistons 5 et d'un compresseur d'air 6. L'arbre de la turbine 7 est maintenu complètement séparé du vilebrequin 2 dans leur palier commun unique de telle sorte que le rotor 1 de la turbine peut tourner à une vitesse variable quel- conque par rapport à la vitesse de rotation du moteur à. pistons* Ceci .présente un avantage particulier dans le cas de la commande directe de l'arbre principal d'un véhicule de type quelconque par la turbine du fait que l'on peut alors régler sans organe de transmission par- ticulier et pour toutes vitesses de véhicule et pour toutes charges, la puissance nécessaire par simple réglage du moteur à combustion.
Pour plus de simplicité on a représenté les machines à pistons comme étant à cylindre unique; cependant, en pratique il est prévu un plus grand nombre de cylindres, tout au moins pour le moteur à pistons à combustion 5, ces cylindres étant disposés en étoile devant la périphérie de la turbine. La couronne des tuyères 8' du rotor de la turbine 1 est alimentée directement par les cylindres 9 d'un tel moteur à combustion à pistons dont les ajutages d'échappement 10 sont commandés par les pistons 3.
Le piston 4 se déplaçant dans le cylin- dre il du compresseur sert exclusivement à refouler l'air aspiré par exemple par l'ouverture d'admission 12 au cours de la descente du
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pision, AU dessus du cylindre du compresseur d'air est disposée une chambre de compression 13 reliée avec le cylindre de compression 11 par l'irt8rmédiaire d'une soupape de retenue 14 s'ouvrant vers l'in- térieur et communiquant par des ouvertures étroites 15 avec le cylin- dre 9 du file L.81J.C a combustion à pistons. Dans la culasse du cylindre de ce moteur 5 est prévue la soupape d'injection de combustion 16 ainsi que lE cas échéant une bougie d'allumage non représentée.
Les pistons 3 et 4 peuvent *être commandés avec un décalage tel que le cylindre 9 soit chargé en air par le compresseur. Dans la
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course de montée des pistons 3 et 4, on comprime a la même pression une cerbaine quanti Lé d'air dans le cylindre 9 et dans la chambre 13. do ,3uncité de combustible g, introduire par la soupape 3'injection 1G eau dosé9 de telle m>.niéi<± qu'elle corresponde uniquement à la quanuité 5.'a1." .se trouvant dans le cylindre 9. Lorsque l'allumage se produit, seul l'air comprimé dans le cylindre 9 participe à la combus- Lion -le l'agent moteur. Sous l'action de la surpression ainsi pro- duite, une partie des gaz brûlés passe d'abord dans la chambre 13 et s'y mélange avec la masse d'air plus froide.
Lorsque la descente du piston de travail 3 provoque une réduction de la pression dans le cylindre 9, l'air enfermé dans la chambre 13 et déjà mélangé à une partie des gaz brûlés s'écoule dans le cylindre 9 où il réduit la
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ter,ls6r,ture des gaz brûlés. A la fin de la course de travail le pis- taon 3 découvre la fente d'échappement 10 de telle sorte que les gaz moteurs à uno tem'l')8rature réduite à ce moment à environ ê100oC. s'écou- lent dans la turbine pour y fournir du travail.
Le mélange des gaz brûlés avec l'air en excès qui s'effectue ain-
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si 3irec l,ercnt fi. l'intérieur du cylindre est particulièrement favo- rable au point de vue calorifique en assurant une réduction de la
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t,*mp41%;xture aes gaz brûlés sans perte de chaleur pour l'ensemble du cycle opératoire grâce à ce que la chaleur transmise paroles gaz brû- lés à l'air en excès se traduit par un gain de pression intérieure.
Dans les modes :)'exécution suivant, les fige. 2 et 3, les cylin-
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drge du moteur à piubona à combustion et du compresseur d'air sont confondus. Dans le cylindre 17, le piston 18 dont les dimensions sont augmentées en conséquence monte et descend sous l'action de la bielle
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19. La culasse 20 d cylindre contient une chambre relativement gran- de 21 pour l'air et au centre de cette chambre est disposée une cham- bre de combustion 23 de forme particulière comportant des lumières étroites 22. Le combustible est injecté dans cette chambre de combus- tion par la tuyère d'injection 24 'et est enflammé par voi.e électrique.
La chambre de combustion est entourée à sa périphérie par l'air com- primé dans la chambre 21. La séparation de la chambre 21 pour l'air et de la chambre de combustion 23 est nécessaire parce qu'il ne faut injecter qu'une quantité de combustible correspondant au volume d'air contenu dans la chambre de combustion et que si la paroi de la cham- bre de combustion était supprimée la quantité d'air comprimé dans les deux chambres serait trop grande pour. produire un mélange inflamma- ble avec la petite quantité de combustible injecté.
Après allumage du combustible introduit dans la chambre de com- bustion, les gaz de combustion chauds se détendent d'abord dans le matelas d'air entourant la chambre de combustion de manière à produi- re un mélange de gaz combustible et d'air avec réduction correspondant- te de la température. Ce mélange subit une détente ultérieure pendant le mouvement de descente du piston 18 au cours duquel se poursuit la réduction de température. En raison de sa forme en ampoule ou en poire, la chambre de combustion n'est reliée à la culasse 20 du cy- lindre que par une section droite de faible surface de telle sorte que la culasse n'absorbe qu'une quantité de chaleur relativement faible.
La machine suivant fig.2 est une machine à quatre temps et com- porte une soupape d'admission 25 et une soupape d'échappement 26.
Cette dernière est introduite directement dans l'ajutage 28 aboutis- sant au.rotor 27 de la turbine. En dimensionnant correctement la section droite de sortie de la soupape d'échappement, on arrive . ce que le gaz moteur s'écoule dans la turbine sous une pression approximativement constante pendant toute la durée de la course d' échappement.
Le moteur de la fig. 3 fonctionne à deux temps. On a utilisé le.!'! mêmes chiffres de référence pour les éléments identiques à ceux de la fig.2 pour autant qu'ils se correspondent d'une machine à l'autre.
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L38 "Oltp'3,'[)GZ â'a,rie:;ion et d'échappement étant supprimées dans le moteur J.E1 la rib.3, le cylindre comporte une fente d'introduction 29 pour l'air de balayage et da chargement, cette fente étant commandée
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comme l'ajutage d'échappement 30 aboutissant au rotor de la turbine,
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dirFct.,:.tit par 1 'Jirto!l de travail. La culasse du cylindre est u uùv^xtF dans ce cas par un calorirugeage 31.
La fis'4 représente un mode d'application de la chambre de combustion du iàrpc. des fi:':;8. 2 et 3 à uns machine suivant fis.i.
L",,'3 arbres non représentés du rotor de turbine 51 et des machines pisLons boivent être maintenu8 séparés l'un de l'autre dans ce cas comme en fig.1- Le piston 38 du cylindre à combustion 33 est représente dans sa course is descente et cela juste avant de découvrir la fente d'échap. pement 34 laquelle sc raccorde l'ajutage 55 aboutissant à la turbine et plµ?onl?12L une section droite réglable. Le piston 36 du cylindre de comprpriseur 57 est supposé représente dans son mouvement -.le z,:or.té ot 0. 0. L.t(',int la position pour la.quelle la, pression de l' o.lr cox:#1,ilr>é corr9spond peu prés 8 à la pression d'échappement du iu4i=,i.e du gaz. cociprime '2 d'air détendu dans le cylindre 37-.
En pracique la, pression d'échappement dans le cylindre 55 est ,1'?.ooi,a un peu supéli±.=r- nais s'abaisse juste après l'ouverture de 1.,. j:",1,t (' el' éCil'1>I'p":I1J6nt. 54 de telle sorte que la, soupape de retenue 58 qui se trr)1,.,vs entre le mOL811r combustion et le compresseur s'ouvre, ija 30ctior lroite de l'rljLt?e 35 doit être avantagffilse- ment al,ptÉ-? au ,J.:'.ul.' :1.'u piston compresseur 56 de manière que le k:1.::<:f:'E.rt de l'air du cylindre compresseur 57 dans le cylindre 33 du 1110L8ur 8. combustion se fasi-'e avec maintien à une valeur constan- te de la pression dans le cylindre 35 malgré l'ouverture de la fente ,À'4niiP.ppezeit 3.40 L chambre do combustion proprement, dite est constituée par la ch-'imbre ar.0'J1.1 39 l'inférieur de 18, chambre de Cor7'rP:?ion 40.
La culrva:.u ,3u cylindre 41 comporte dans ce cas un système de refroidissement qui n'eat h d'ailleurs nécessaire que pour les ins-
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tallations de grande puissance auxquelles doit tre amenée une quantité d'agent moteur relativement importante. La constitution
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de la chambre de combustion sous forme d'une pièce indépendante de la paroi de la culasse du cylindre présente l'avantage que le trans- fert de chaleur de la chambre de combustion à la paroi de la culasse est particulièrement faible. Au droit de la chambre de combustion sont montées 'dans la culasse du cylindre une soupape d'injection 42 et une bougie d'allumage 43. La soupape d'admission d'air dans le compresseur est représentée en 44.
L'installation représentée en fig.4 est destinée de préférence aux véhicules automobiles où les variations constantes du couple rendent nécessaire,un compresseur. Par contre l'installation à tur- bine suivant fig.5 doit être utilisée principalement à la commande des véhicules sur voie ferrée ou pour les installations'fixes en vue de la transmission de puissances particulièrement élevées. L'ins- tallation comporte ici une turbine 45, une machine à piston à com- bustion 46 à cylindres disposés en étoile et un compresseur centrifu- ge 47.
Oes trois éléments sont disposés coaxialement au voisinage immédiat l'un de l'autre, l'arbre de turbine 48 étant cependant maintenu séparé du vilebrequin 49 de la machine à combustion qui est elle-même reliée à l'arbre 51 du compresseur centrifuge par l'intermédiaire d'un train d'engrenages 50. A la fente de sortie 52 du cylindre du moteur à combustion se raccordent les ajutages ou tuyères directrices 53 présentant-de préférence une section droite réglable; l'air fourni par le compresseur centrifuge est amené aux cylindres du moteur à combustion par les canalisations 54 reliées aux lumières de balayage 55 des cylindres du dit moteur.
Dans ce cas encore le chargement en air des cylindres de travail se fait à lumière d'échappement ouverte de manière qu'il s'écoule vers la' turbine un gaz moteur à pression constante. Dans qhaque culasse de cylindre est montée une chambre de combustion 56 compor- tant des ouvertures étroites et entourée d'une chambre de compres- sion 57 destinée à recevoir l'air en excès.
L'air en excès ne prend, pas part à la combustion de l'agent moteur et ne sert qu'au refroi- dissement des gaz brûlés sortant de la chambre de combustion. dans omparé aux compresseurs à pistons/les figs. 1 à 4, un compresseur
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centrifuge ne comporte que des masses à déplacements relativement peu importants de telle sorte qu'il peut tre mis en marche avec une puissance relativement faible. Pendant le démarrage, le rapport de compression commence par être relativement faible. Par suite au début du fonctionnement, il faut allumer le combustible introduit, de préférence par de l'essence, par bougie ou par tube incandescent.
Lorsque la pression de l'air fourni par le compresseur centrifuge 3 croit avec la vitesse de rotation, on peut passer au fonctionne- ment on gasoil et suivant le cycle Diesel. Ce passage est commandé avantageusement par un régulateur à force centrifuge non représen- té qui règle l'afflux d'essence et de gasoil à la pompe d'injection.
Une LAlle installation peut être mise en marche au moyen d'un démarreur de très faible puissance.
L'invention n'est pas limitée aux détails des modes d'exécu- Lion décrits. Le cas échéant, on peut alimenter cette chambre de combustion en mélange de gaz combustibles indépendamment du cylin- dre de travail alimenté en air=