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MEMOIRE DESCRIPTIF à l'appui d'une demande de BREVET D'INVENTION "Procédé de réglage d'une turbine à gaz actionnée par les gaz d'échappement d'une machine à combustion" la Société dite : SociétéAnonyme BROWN, BOVERI & Cie, à BADEN, Suisse.
Faisant l'objet d'une première demande de brevet déposée en SUISSE: le 2 septembre 1943.
Il est connu de monter, en aval d'une machine à combustion, un turbo-compresseur de suralimentation constitué d'une turbine à gaz et d'une soufflante centrifuge ou axiale, et d'actionner ainsi la turbine par les gaz d'échappement de la machine à combustion, tandis que la soufflante commandée par la turbine fournit l'air pour le balayage et la suralimentation de la machine à combustion.
Dans le cas d'une machine à combustion à quatre temps, la puissance motrice des gaz d'échappement suffit en général pour toute la gamme de charges, lorsqu'elle suffit à pleine charge.
Il n'en est pas ainsi pour les machines à deux temps, où il arrive souvent que, sous une charge partielle déterminée, les gaz d'échappement ne suffisent plus pour entraîner le groupe de suralimentation, de sorte que la soufflante actionnée par les gaz d'échappement, par l'intermédiaire de la turbine, ne fournit plus assez d'air pour le balayage et la suralimentation du moteur, celui-ci fournissant alors encore moins de gaz d'échappement, et ainsi de suite, jusqu'à l'interruption du fonctionnement.
Pour cette raison, il a déjà été proposé, dans le cas des machines à combustion à deux temps, de répartir le débit d'air sur
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deux soufflantes, dont l'une seulement est entraînée par les gaz d'échappement de la machine à.ombustion, tandis que l'autre est commandée par la machine même* ou bien par un moteur électrique qui reçoit son courant de la génératrice de la machine à combustion ou d'un réseau.
Une autre proposition consiste à donner une puissance additionnelle aux gaz d'échappement actionnant la turbine à gaz, soit en brûlant du combustible dans ces gaz contenant encore un important excès d'air, soit en dérivant de l'air frais de la soufflante et en amenant sa température au-dessus de celle des gaz d'échappement en brûlant du combustible dans cet air, pour l'ajouter alors aux gaz d'échappement, en amont de la turbine.
L'invention s'apparente à cette deuxième proposition, mais au lieu de brûler une quantité additionnelle de combustible en dehors du moteur en vue d'augmenter la puissance de la turbine à gaz d'échappement, cette quantité additionnelle de combustible est, selon l'invention, introduite dans la machine à combustion même. Jetant donné toutefois que la puissance du moteur deviendrait de ce fait plus élevée que la puissance utile fournie à l'extérieur et exigée momentanément par la machine entraînée, cette puissance doit, par une mesure supplémentaire, être réduite de telle façon qu'elle s'adapte à celle qui est désirée.
Ce résultat peut être obtenu par une augmentation de la contrepression du moteur. Elle se produit déjà, dans une faible mesure, du fait que l'augmentation du volume des gaz d'échappement, par suite de la combustion de combustible additionnel, produit une augmentation de la pression en amont de la turbine, qui reagit sur le moteur. L'expérience a toutefois prouvé que dans beaucoup de cas cela ne suffit pas.
On pourrait insérer un organe d'étranglement entre le moteur et la turbine, et régler ainsi la contre-pression dans une mesure correspondante. Il est vrai que cela provoquerait la réduction nécessaire de la puissance du moteur, mais donnerait cependant lieu à une perte non négligeable. Selon l'invention, la variation de la distribution de la pression est réalisée sans cette perte, grâce au fait que la surface d'admission des tuyères de la turbine à gaz est automatiquement variée d'une manière correspondante. A cet effet on peut, de la manière connue en soi, obturer ou découvrir une ou en même temps plusieurs tuyères au moyen de soupapes, ou bien produire une variation continue de la section de passage en fermant et découvrant partiellement la bague des tuyères.
Par opposition à ce qui se présente dans les turbines à vapeur, la variation de la surface d'admission des tuyères doit s'opérer de telle façon que
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cette surface soit réduite en vue de l'augmentation de la puissance de la turbine et qu'elle soit augmentée lors d'une réduction de la puissance de la turbine. Le dimensionnement de la surface des tuyères de la turbine à gaz en vue d'obtenir un débit déterminé de la soufflante est évidemment connu. Dans le cas d'un dimensionnement erroné, on a également déjà obturé des tuyères par soudure, après coup, en vue d'augmenter la puissance, mais ce qui est nouveau, c'est la variation temporaire systématique de la surface d'admission des tuyères dans des buts de réglage, conformément à l'invention, en combinaison avec la combustion additionnelle de combustible dans le moteur.
Réglage. Lorsque la puissance de la machine à combustion diminue, la pression en amont de la turbine à gaz décroit continuellamento Malgré cela, la réalisation des opérations décrites cidessus, dans le but d'augmenter la puissance de la turbine à gaz, ne peut pas bien être rendue dépendante de cette pression, puisquècelleci est à son tour fortement influencée par le réglage, dès que celuici vient d'entrer en action. Pour cette raison, le déclenchement de l'opération de réglage sera de préférence rendu dépendant de la puissance de la machine à combustion ou d'un élément approprié de sa tringlerie de réglage, ou bien de la puissance de la machine commandée par le moteur, par exemple, dans le cas de la commande d'une génératrice,,de la puissance électrique de celle-ci.
Dans ce dernier cas, on peut utilement effectuer électriquement la transmission de l'impulsion. On peut aussi inverser, avec avantage, l'ordre de succession des opérations, qui était admis jusqu'à présent, en produisant d'abord la variation-de la répartition de la chute de pression, en fonction de la puissance, tandis que le réglage du combustible est réalisé par le moteur.
Dans le cas de la suralimentation de moteurs à deux temps, le processus de réglage s'effectua alors comme suit :
Lorsqu'on descend au-dessous d'une charge partielle déterminée, la surface d'admission de la turbine à gaz est diminuée sous l'influence de la puissance de la machine à combustion ou de la machine commandée par celle-ci. De ce'fait, les gaz en amont de la turbine sont portés à une pression'plus élevée. Cette pression est augmentée . à un point tel que la masse de gaz venant de la machine à combustion peut s'écouler par la surface réduite des tuyères. Cette augmentation de la contrepression détermine une réduction de la puissance de la machine à combustion, puisque sa participation à la chute totale est diminuée.
Le régulateur de la machine à combustion
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augmentera alors automatiquement ramenée de combustible jusqu'à ce que la machine fournisse de nouveau la puissance aesirée. Dans cette opération de réglage) la machine à combustion subit donc une diminution de la chute de pression, laquelle est de nouveau compensée par une augmentation de la consommation de combustible.
De plus, une augmentation de la quantité de gaz d'échappement se produit comme phénomène secondaire. La turbine à gaz reçoit simultanément cette plus grande quantité de gaz d'échappement et une plus grande partie de la chute de pression des deux machines, avec le résultat qu'elle cède une plus grande puissance à la soufflante. Celle-ci amène à la machine à combustion une plus grande quantité d'air à pression plus élevée, de sorte que le balayage et la suralimentation de cette machine sont améliorés.
Dans le cas de la suralimentation d'un moteur à deux temps par un turbo-compresseur de suralimentation à gaz d'échappement, ce réglage ne doit pas entrer en jeu sur toute la gamme de puissances de la machine à combustion, car il suffit que la combustion du combustible additionnel commence au-dessous d'une charge partielle déterminée.
REVENDICATIONS.
1 - Procédé de réglage d'une turbine à gaz actionnée par les gaz d'échappement d'une machine à combustion, caractérisé en ce qu'une quantité de combustible est brûlée dans la machine à combustion en plus de celle qui est nécessaire pour engendrer la puissance utile, et en ce que, par une variation appropriée de la répartition de la chute de pression totale du moteur et de la turbine à gaz, on réalise que la puissance supplémentaire ainsi obtenue soit reportée à la turbine à gaz.
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DESCRIPTIVE MEMORY in support of an application for a PATENT OF INVENTION "Method of adjusting a gas turbine actuated by the exhaust gases of a combustion machine" the Company known as: Société Anonyme BROWN, BOVERI & Cie, in BADEN, Switzerland.
Subject of a first patent application filed in SWITZERLAND: September 2, 1943.
It is known to mount, downstream of a combustion machine, a supercharging turbo-compressor consisting of a gas turbine and a centrifugal or axial fan, and thus to actuate the turbine by the exhaust gases. of the combustion machine, while the blower controlled by the turbine supplies the air for sweeping and supercharging of the combustion machine.
In the case of a four-stroke combustion engine, the motive power of the exhaust gases is generally sufficient for the whole range of loads, when it is sufficient at full load.
This is not the case for two-stroke machines, where it often happens that, under a determined partial load, the exhaust gases are no longer sufficient to drive the supercharging group, so that the gas-operated fan exhaust, via the turbine, no longer supplies enough air for the purging and supercharging of the engine, the latter then providing even less exhaust gas, and so on, up to the 'interruption of operation.
For this reason, it has already been proposed, in the case of two-stroke combustion machines, to distribute the air flow over
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two blowers, only one of which is driven by the exhaust gases of the combustion machine, while the other is driven by the machine itself * or by an electric motor which receives its current from the generator of the combustion machine or network.
Another proposal is to give additional power to the exhaust gases driving the gas turbine, either by burning fuel in these gases still containing a large excess of air, or by bypassing fresh air from the blower and by bringing its temperature above that of the exhaust gases by burning fuel in this air, to then add it to the exhaust gases, upstream of the turbine.
The invention is similar to this second proposal, but instead of burning an additional quantity of fuel outside the engine in order to increase the power of the exhaust gas turbine, this additional quantity of fuel is, according to the invention, introduced into the combustion machine itself. Given, however, that the engine power would thereby become higher than the useful power supplied to the exterior and momentarily demanded by the driven machine, this power must, by an additional measure, be reduced in such a way that it s' adapts to whatever is desired.
This can be achieved by increasing the engine backpressure. It already occurs, to a small extent, because the increase in the volume of the exhaust gases, as a result of the combustion of additional fuel, produces an increase in the pressure upstream of the turbine, which reacts on the engine. . However, experience has shown that in many cases this is not enough.
It would be possible to insert a throttle member between the engine and the turbine, and thus adjust the back pressure to a corresponding extent. It is true that this would cause the necessary reduction in engine power, but would nevertheless give rise to a non-negligible loss. According to the invention, the variation of the pressure distribution is achieved without this loss, thanks to the fact that the inlet area of the nozzles of the gas turbine is automatically varied in a corresponding manner. For this purpose it is possible, in the manner known per se, to close or uncover one or at the same time several nozzles by means of valves, or else to produce a continuous variation of the passage section by partially closing and uncovering the ring of the nozzles.
As opposed to what occurs in steam turbines, the variation of the inlet surface of the nozzles must operate in such a way that
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this surface is reduced with a view to increasing the power of the turbine and that it is increased when the power of the turbine is reduced. The dimensioning of the surface of the nozzles of the gas turbine with a view to obtaining a determined flow rate of the fan is obviously known. In the case of incorrect sizing, nozzles have also already been sealed by welding, after the fact, in order to increase the power, but what is new is the systematic temporary variation of the inlet surface of the Nozzles for tuning purposes, in accordance with the invention, in combination with the additional combustion of fuel in the engine.
Setting. When the power of the combustion machine decreases, the pressure upstream of the gas turbine decreases continuously. Despite this, carrying out the operations described above, in order to increase the power of the gas turbine, cannot be well made dependent on this pressure, since this in turn is strongly influenced by the setting, as soon as it comes into action. For this reason, the triggering of the adjustment operation will preferably be made dependent on the power of the combustion machine or of an appropriate element of its adjustment linkage, or else on the power of the machine controlled by the engine, for example, in the case of the control of a generator, of the electric power thereof.
In the latter case, it is useful to carry out the transmission of the pulse electrically. It is also possible to reverse, with advantage, the order of succession of operations, which was accepted until now, by first producing the variation in the distribution of the pressure drop, as a function of the power, while the Fuel adjustment is carried out by the engine.
In the case of supercharging of two-stroke engines, then the tuning process was carried out as follows:
When dropping below a determined partial load, the inlet surface of the gas turbine is reduced under the influence of the power of the combustion machine or of the machine controlled by it. As a result, the gases upstream of the turbine are brought to a higher pressure. This pressure is increased. to such an extent that the mass of gas coming from the combustion engine can flow through the reduced area of the nozzles. This increase in back pressure causes a reduction in the power of the combustion machine, since its participation in the total drop is reduced.
The regulator of the combustion machine
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The fuel supply will then automatically increase until the machine supplies the desired power again. In this adjustment operation) the combustion machine therefore undergoes a reduction in the pressure drop, which is again compensated for by an increase in fuel consumption.
In addition, an increase in the amount of exhaust gas occurs as a secondary phenomenon. The gas turbine simultaneously receives this greater amount of exhaust gas and more of the pressure drop from both machines, with the result that it yields more power to the blower. This brings more air at higher pressure to the combustion machine, so that the sweeping and supercharging of this machine is improved.
In the case of the supercharging of a two-stroke engine by an exhaust gas supercharging turbo-compressor, this adjustment must not come into play over the entire power range of the combustion machine, since it is sufficient that combustion of the additional fuel begins below a determined partial load.
CLAIMS.
1 - A method of adjusting a gas turbine actuated by the exhaust gases of a combustion machine, characterized in that a quantity of fuel is burned in the combustion machine in addition to that which is necessary to generate the useful power, and in that, by an appropriate variation of the distribution of the total pressure drop of the engine and of the gas turbine, it is realized that the additional power thus obtained is transferred to the gas turbine.