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1'U.t#1N.t!i .I->.Ux. OU pLUSIHJUS O'1'9JiS .LNlhlxNl'S La présente invention est relative à des turbines à fluide sous
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pression, particulièrement'à des-turbines à gaz à grande vitesse et à température élevée, destinées 'à.être;employées en aviation.
L'invention a pour objet d-e's''dispositifs convertisseurs de l'éner- potentielle d'un fluide a température et pression élevées en éner- gie cinétique utile, au moyen d'appareils ayant des dimensions et
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un poids minima par unité d'énergie convertie, Elle vise la réalisation ci'un ensemble convertisseur de l'énergie d'un fluide sous pression, tel qu'une turbine, qui comporte plusieurs convertisseurs (l'énergie disposés en série sur le parcours du dit fluide et étudiés de façon telle que la chute d'énergie disponible à travers un convertisseur donné soit limitée par l'apparition de la @itesse sonique du fluide dans une section droite prédéterminée, située en aval du convertisseur considéré,
L'invention est essentiellement caractérisée en ce que l'ensemble convertisseur comporte plusieurs rotors dont chacun peut tourner indépen- damment des autres, chaque tatar entraînant une charge séparée, la chute d'énergie disponible à travers l'un des rotors étant limitée à une valeur prédéterminée par l'apparition de la vitesse sonique dans le circuit d'é- coulement du fluide dans une section droite prédéterminée, située en aval au rotor considéré.
L'invention vise en outre un convertisseur ayant un rotor étudié pour fonctionner avec sécurité et grand rendement à une vitesse maximum prédéterminée, cette vitesse étant limitée par la construction propre des passa;es de parcours du fluide en aval de ce rotor.
Conformément à l'invention, un convertisseur, tel qu'une turbine à deux rotors comporte un.-,rotor de premier étage dont la vitesse maximum est fixée, en raison de la conformation du circuit d'écoulement du lui- de, à une valeur prédéterminée du rapport total des pressions de la tur- bine, le rotor du second étae étant étudié pour fonctionner avec sécuri- té à des vitesses croissantes à mesure que le rapport total des pressions dans la turbine s'accroît au-delà de la valeur prédéterminée.
L'invention s'applique en outre à un convertisseur à deux rotors dont un premier étage peut être construit pour avoir un rendement élevé en raison du fait que l'étendue maximum des rapports des pressions à tra- vers cet est limité.
Ces caractéristiques avantageuses permettent la création de turbines à rotors indépendants entraînant des charges séparées' un premier étage étant étudiépour fonctionner avec sécurité à des températures très éle- vées des gaz et à des vitesses allant jusqu'à une valeur maximum pré- déterminée, tandis qu'un deuxième rotor en série sur le circuit
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d'écoulement du premier, fonctionne à des températures considérablement plus basses, ce qui lui permet de fonctionar à des vitesse croissantes alors que la vitesse du premier étage reste constan te. L'invention rend possible l'emploi d'un fluide moteur à un niveau énergétique initial très élevé et permet d'avoir une conversion maximum d'énergie avec des appareils d'une dimension et d'un poids donnés.
Il est bien connu que lorsqu'un gaz, maintenu à une pression cons- tante dans un réservoir supposé de volume infini, s'écoule par une tuyè re convergente bien arrondie placée dans la paroi du réservoir vers une zone de pression plus basse, la vitesse d'écoulement au point de sec- tion droite minimum de la tuyère s'accroîtra jusqu'à la vitesse du son comme valeur limite, à mesure que la chute de pression s'accroît au passage dans la tuyère. Quand cette vitesse sonique limite est atteinte, la pression statique dans la section minimum de la tuyère est déterminé( par le rapport de pression critique, qui est approximativement 0,53 pour des gaz chauds tels que ceux employés pour actionner les turbines à gaz.
Si le rapport des pressions au passage dans la tuyère s'accroît au delà du rapport critique, aucune augmentation supplémentaire de la vitesse, ni aucune diminution de la pression statique, ne se produiront au passa- ge dans l'étranglement de la tuyère. L'invention est basée sur l'éture d'un convertisseur de l'énergie élastique d'un fluide comprimé utilisant ce phénomène pour limiter le rapport des pressions dans l'un des diffé- rents appareils convertisseurs de l'énergie potentielle d'un fluide com- ppimé, disposés en série dans le circuit d'écoulement du fluide.
11 doit être observé que dans des turbines à fluide sous pression, comportant de nombreuses tuyères, et de nombreuses roues à aubes, pla- cées en série sur le circuit d'écoulement, les conditions d'écoulement sont très complexes en comparaison du cas élementaire d'un gaz s'écou- lant, par une simple tuyère d'un réservoir supposé de volume infini. vans une turbine, la vitesse à l'arrivée doit être prise en considéra- tion pour déterminer la pression statique existant dans une section minimum d'écoulement où se produit la vitesse sonique. vans ce cas, cet te pression statique dans ladite section minimum, est déterminée par la pression critique du gaz et la pression totale, ou d'entrée
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immédiatement en amont de la section minimum.
Lorsqu'un gaz s'écoule à travers une conduite ayant un étranglement au passage duquel le rapport des pressions est supérieur au rapport critique, et si le fluide arrive
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à l'étranglement avec une vitesse V2 et une pression statique Pg, la pression statique à l' étr "ngle:
nent tombera une valeur Èo telle que la chute de pression de 2 à ic produira une augmentation de la vitesse du gaz, de Va à la vitesse du son à. cette température et à cette pression. il est évident que plus la vitesse d'arrivée est grande, plus petite se- ra la chute de pression statique requise pour produire la vitesse soni- que dans la section minimum.
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il faut aussi noter qu'en parlant de la "vitesse sonique ' dans le circuit d'écoulement d'une turbine comprenant des tuyères fixes, des au- bes directrices et des aubes mobiles, disposés en série sur le circuit
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u'écoulement9 la vitesse en question sera li vitesse du gaz rapportée aux parois qui définissent le chemin d'écoulement dans la section parti- culière considérée, indépendamment de la vitesse absolue que les parois du circuit peuvent elles-mêmes avoir dans l'espace.
On va décrire plusieurs exemples de mise en oeuvre de l'invention, donnés à titre non limitatif, en se référant aux figures schématiques ci-jointes
Les dispositions de réalisation qui seront décrites à propos de ces exemples devront être considérées comme faisant partie de l'invention, étant entendu que toutes dispositions équivalentes pourront aussi bien être utilisées sans sortir du cadre de celle-ci.
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Dans le dessin annexé, l: Fi#v 1 représente un convertisseur tel qu'une turbineà deux rotors entraînant des charges séparées, et réali- sée conformément à l'invention; la Fig. représente le diagramme des vitesses du fluide dans le circuit d'écoulement à travers une turbine
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construite suivant Fig. 1. la Fig. 3 représente schématiquement la répar tition de lp pression statique le long du circuit d'écoulement de la zalig. 25 la FîL. 4 représente les débits d'énergie des rotors respectifs ci'une turbine construite conformément à l'invention, lorsque le rapport
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total des pres,-ions à travers la turbine va en croissant; la 1<'ig. b représente une modification de la turbine de la Fig. 1;
la Fig. cri
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est un diagramme..représentant les vitesses pour une turbine conforme à la Fig. 5; la Fig. 7 représente la chute de pression dans une turbi- ne conforme à la Fig. 6; et la Fig. 8 montre l'application à un motyeur d'aviation, d'une turbine construite conformément à l'invention.
Vans la Fig. 1, le fluide moteur est amené par la conduite 2 dans une enveloppe 1 darnie de tuyères. Les tuyères fixes 3 dirigent le flui de moteur vers les aubes 4 du rotor 5 du premier étage. Le fluide s'é- chappant des aubes du premier étage pénètre dans les aubes directrices fixes 6 qui à leur tour le dirigent vers les aubes 7 de la roue 8 du second étage.
Le rotor 5 du premier étage est disposé pour entraîner une charge 9, par l'intermédiaire a'un arbre 10 porté par des paliers (non repré- sentés). Dans un but purement descriptif, cette charge 9 est représen- tée par une pompe à liquides ou à gaz.
Le rotor 8 du second étage entraine au moyen d'un arbre 12 une deuxième charge imdépendante 11; cette charge 11 est représentée par une génératrice électrique fournissant l'énergie électrique à un réseau approprié:: Le fluide utilisé s'échappe de la turbine par une conduite d'échappement annulaire 13.constituée par des parois cylindriques 14 et 14'.
L'exemple cité dans la Fig. 1 comporte des types particuliers d'appareils d'utilisation. il doit être bien entendu que tous autres appareils d'utilisation peuvent être employés à condition d'avoirides caractéristiques vitesse/charge telles que la charge s'accroisse en fonction de l'accroissement de la vitesse.
Dans la description ci-après, l'expression "premier étage" doit s'entendre comme englobant les tuyères 3, les aubes 4 du premier étage et l'espace libre entre les tuyères et les aubes ainsi que l'espace compris entre les aubes et l'élement qui fait suite (les aubes fixes 6 dans la Fig. 1, ou les aubes mobiles du second étage 20 dans la Fig.
5, salon le cas). L'expression "second étage" s'entend comme englobant les aubes fixes 6, le cas échéant, et les aubes du second étage compre- nant l'espace entre les aubes 6 s'il y en a ainsi que les aubes mobiles du second étage et l'espace libre immédiatement au-delà
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de 1'échappement des aubes du second étage.
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La 1<'i6. ï::: est une représentation graphique des vitesses du fluide telles qu'elles se présentent dans une turbine avec un circuit d'écou-
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lement des gaz disposé comme dans la Fi. 1.
Les éà-z à la pression po et à la température Áo pénètrent dans les tuyères : une vitesse rela- tivement, faible Vo et se détendant à travers les tuyères avec une vites se absolue d'injection V1. n raison de la rotation du rotor du premier
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étage, les aubes 4 ont une vitesse linéaire -,Vl, de sorte que la vitesse relative des gaz pénétrant dans les aubes du premier étage est repré- sentée par le recteur mi, Les aubes 4 sont étudiées de telle manière que les gaz animés de la vitesse R1 pénétreront dans les passages des aubes avec un minimum de choc.
Le vecteur R2 représente la vitesse des gaz quittant les aubes de premier éloge, et est représenté comme ayant une valeur plus grande que R1, en raison de la détente subie dans les passages des aubes dupremier étage, rar suite de la vitesse ',,Il de la roue du premier étage, les gaz entrent dans les con-uits délimités par les aubes directrices 6 avec une vitesse absolue V2. Dans les ouvertures des aubes fixes 6 les gaz se détendent encore plus, la vitesse s'éle- vant du son dans une section critique C prédéterminée.
Le reste des pas. sages à travers les aubes fixes, en eval de la section minimum, peut
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éjre étudié de manière à produire une nouvelle détente, dé. manière que la vitesse 'accroisse au delà de la vitesse sonique. Le vecteur V3 re- présente la vitesse absolue des gaz s'échappant des aubes fixes 6..En raison de la vitesse W2 des aubes du rotor du second étage, la vitesse
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relative du fluide pnétrant dans les aubes du second étage est t$. Le fluide peut se détendre encore davantage dans les ouvertures entre les aubes du second étage, pour produire une vitesse relative de sortie
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m4.
FR<r une construction appropriée, la vitesse résiduelle V4 du fluide s'échappant des aubes du second étage peut être amenée à coïncider sen- siblement avec la direction axiale. Ceci peut être particulièrement avantageux lorsque l'échappement de la turbine du second étage est fi-
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nalement utilisé pour la propulsion par réaction d'un engin aérien. La Fig. J représente la manière dont la pression statique tombe le long du parcours du fluide de la Fig. 2. La valeur initiale
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P0 dans l'enveloppe garnie de tuyères tombe à P1 dans l'espace libre en- tre les tuyères et les aubes mobiles du premier étage, et tombe à nouveau en passant dans les aubes mobiles du premier étage à la valeur P2 qui représente la pression existant entre les aubes du premier étage et les aubes fixes 6.
En passant à travers les aubes fixes, la pression tombe de P2 à la pression critique rc lorsque le fluide passe par la section critique C, dans laquelle la vitesse sonique du courant gazeux est at- teinte. AU delà de la section C la pression tombe à P3, puis de P3 à la pression d'échappement P0, en passant à travers les aubes du second éta.- ge. il faut remarquer au'il peut se produire une légère baisse de pres- sion et une détente correspondante du fluide dans l'espace immédiatement adjacente à la sortie d'un tuyère ou d'une aube.
Alors que dans la Fig. 2 la section droite critique dans laquelle le. vitesse sonique limite se produit a été indiquée comme se trouvanten un point C à mi-chemin entre l'entrée et la sortie des aubes fixes 6, il doit être entendu que par une étude appropriée du trajet d'écoulement du fluide cette section pourrait tre située à l'entrée des aubes 6, ou à la sortie du passage formé par les aubes 6, ou à toute autre section située entre l'entrée et la sortie des aubes fixes.
La Fig. 4 représente la puissance produite respectivement par le ro tor du premier étage et par le rotor du deuxième étage, les abcisses re- présentant les rapports totaux P0 des pressions dans la turbine, tandis
Pe que les ordonnées représentent les unités des puissances produites par unitaire du fluide moteur passant à travers la turbine. La puissance pro- duite par le rotor du premier étage, représentée par la courbe inférieu- re 15, augmente avec le rapport total des pressions jusqu'à ce que la vitesse sonique du courant soit atteinte à la section droite critique C, représentée par le point 16 sur la courbe 15.
Au delà du point 16 la puissance produite par le premier étage reste constante. il faut noter qu'après que la condition de vitesse sonique a été atteinte à la section C, le diagramme des vitesses représenté par la Fig. 2 et la répartition de la pression de la Fig. 3 resteront inchangées, depuis l'entrée dans les tuyeres 3 jusqu'à la section C, quels que soient les changements
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pouvant survenir ultérieurement en aval ce cette section, lorsque le rapport total des pressions de la turbine continue à augmenter.
La puissance produite par le rotor du deuxième étage peut être re- présenté par la courbe 17, qui s'élève graduellement jusqu'à ce quelle etteingne le point 18, qui correspond au point du circuit où le fluide évacue du rotor du deuxième étage remplit complètement le passage annu- laire d'échappement 13 et atteint la vitesse sonique mesurée en direc- tion axiale et rapportée aux parois 14 et 14'. Cette condition de cites se sonique dans le conduit d'échappement de la turbine représente la limite absolue de la puissance totale de la turbine.
Toutefois, même apres que ce point a été atteint, le fluide évacué par le passage annu- laire 13 peut encore utilement être détendu dans un appareil convertis- seur d'énergie de pression placé en aval, pourvu, bien entendu, que la pression dans la conduite d'échappement 13 soit encore à une pression supérieure 8 la pression d'échappement Pe.
La Fig. 5 représente une autre forme de turbine à double rotor ccn forme à l'i vention, dans la,quelle les aubes directrices 6 sont omises. le rotor du second étaie 20 recevant directement le fluide qui s'échap pe du premier rotor 4. Ce type de turbine présente beaucoup d'avantages ¯¯ la fois du point de vue du rendement du courant de fluide, et du point de vue de la réduction de poids en raison de la simplification de la construction mécanique.
La Fig. 6 est le diagramme des vitesses dans une turbine telle que celle représentée à la Fig. b, et ce diagramme est identique à ce- lui de la Fig. 2 jusqu'à la sortie des aubes mobiles du premier étage.
La vitesse W3 des aubes 20 du second étage a pour résultat de faire pé- nétrer les gaz dans ces aubes avec une vipesse relative Rg. Le fluide continue sa détente, dans le second rotor justu'à ce qu'il atteigne la vitesse sonique à la section criLique C, indiquée dans ce cas comme étant placés exactement à la sortie des aubes du second étage. vans ce cas aussi, une étude appropriée de la vitesse résiduelle V4 rapportée au conduitd'écha pement 12 peut rendre la direction de cette vitesse sensiblement exiale.
La Fig. 7 donne la répartition de la pression statique la
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long du trajet du fluide de la Fig. 6. il y a lieu de remarquer dans ce cas que lorsque la vitesse sonique du courant se produit exactement à la sortie des aubes du second étage, la pression statique tombe de Pc à la pression d'échappement Pe, avec une détente et un accroissement de vitesse correspondants, dans la région située immédiatement au-delà de la sortie des aubes.
Des essais montrent que lorsque le parcours du fluide est étudié de telle sorte que la vitesse sonique se produit exac. tement à la sortie des aubes, la puissance débitée par le rotor con- tinue à augmenter pour un rapport des pressions croissant, au-delà du point 16 où la vitesse sonique se produit (comme figuré par la courbe 17 de la Fig. 4), la limite finale étant atteinte au point 18. il sem- ble que la détente'ultérieure du fluide tombant de la pression Pc à la sortie des aubes dans la Fig. 7, à la pression Pe d'échappement dans la région immédiatement au-delà de la sortie des aubes contribue à la pro- duction d'énergie'par le rotor du second étage;-,.
11 faut remarquer que les vitesses spécifiques, la pépartition des pressions et les formes des aubages représentés dans les Fig. 2, 3, 6 et 7 n'ont pas été calculées avec une exactitude mathématique, mais ont simplement pour but de représenter des valeurs typiques de celles qui pourraient être étudiées conformément à l'invention.
En étudiant une turbine pour l'aviation, conformément à l'inventicr il est nécessaire de chomsir en premier lieu 1'l'altitude critique" dé- finie comme étant l'altitude prédéterminée correspondant au rapport des pressions totales dans la turbine pour lequel l'écouelement à vitesse sonique se produit dans la section critique de passage C. Pour des rai- sons d'étude, il est nécessaire de supposer que la pression et la tem- pérature dans l'enveloppe des tuyères restent constantes à des valeurs prédéterminées, dépendant de la nature de la source du fluide moteur, des typesde matériaux employés pour les tuyères, boites de tuyères, etc, Dans des turbines à gaz modernes, la température à l'entrée peut attein dre et même dépasser 816 C.
Si le fluide moteur provient d'une machine à combustion interne à pistons avec surcompression, la pression dans l'enveloppe des tuyères peut être maintenue à la pression atmosphé- rique au niveau de la mer, ou à des pressions plus élevées, par
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exemple jusqu'à 153 centimètres de mercure de pression absolue. ;Si la turbine fait partie d'un groupe moteur à turbines à combustion à pres- sion constante, la pression d'entrée peut être même encore plus élevée. llest aussi nécessaire ae chosir un taux de poids du courant de fluide moteur, fonction de la production totale d'énergie désirée, En partant de ces valeurs chosies à l'avance, il est possible, d'après des princi- pes connus dans laconstruction des turbines, de déterminer les formes et les sections droites des tuyères,3.
La roue à aubes du premier étage est alors déterminée conformément aux principes connus afin de fonctionner avec sécurité à des vitesses de rotation jusqu'à un maximum prédéterminé en tenant compte de la tem- pérature à laquelle fonctionnant les divers éléments de la roue d'aubes et les caractéristiques de résistance mécanique des divers matériaux dont ces parties sont constituées. Les conduits de passage entre aubes du premier rotor sont alors déterminés par des méthodes connues afin de réaliser las vitesses désirées, t,elles que celles représentées dans le diagramme des vitesses des dessins joints.
Les sections de passais à travers les aubes fixes 6, ou les aubes 20, suivant le cas, sont ensuite déterminées par les méthodes connues pour produire es vitesses et les chutes de pression désirées et sont spédialement étudiées pour que la vitesse sonique se produise à la sec- tion critique C prédéterminée quand le rapport total des pressions de la turbinecorrespond a l'altitude critique.
Bien que, dans un but purement descriptif, la section critique C ait été représentée aux Fig. et 6 comme étant la section la plus étroite du circuit d'écoulement du flui- de à travers la turbine, les personnes familiarisées avec les questions d'étude des turbines comprendront que cette section critique peut ne pas être celle dont la section droite transversale est la plus petite géomé- triquement.Comme la pression tombe le long du parcours du fluide, la température décreit en raison de la détente, et de l'énergie motrice prélevée sur le fluide rar les rotors ces turbines et le volume spécifi- que s'accroît en raison des détentes successives.
Les relations qui re- lient les pressions, les températures, et les volumes spécifiques du fluide, sont déterminées par les lois physiques régissant le com-
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-portement des fluides élastiques. il doit bien entendu être tenu comp- te de cette interconnexion connue entre les diverses caractéristiques dL. fluide, lors du dimensionne:nent du circuit d'écoulement de ce der- nier afin que la vitesse sonique se produise à la section critique C prédéterminée lorsque le rapport total des pressions de la turbine correspond à l'altitude critique choisie.
L'énergie théoriquement disponible à un étage donné par unité de poids du fluide s'écoulent, est fonction de la pression et de la tempé- rature initiales de fluide moteur, et de la chute de pression depuis la pression initiale jusqu'à la sortie de cet étage. Conformément à l'invention, les passages d'écoulement du fluide sont détermines de telle manière que la chute de pression dans le premier étage est défi- nitivement limitée par l'apprition de la vitesse sonique dans une sec- tion du parcours en aval du premier étage. Comme le rapport des pres- sions à travers le premier étage est ainsi limité, il s'en suit que, si la température initiale reste constante, l'énergie disponible dans le premier étage est aussi limitée.
Si le rotor du premier étage entraîne une charge, telle que la pompe 9 de la Fige 1, ayant une caractéristi- que vitesse charge connue, où la charge s'accroît en fonction de l'ac- croissement de la vitesse, il est alors possible d'adapter la turbine àla charge de telle manière que la vitesse du rotor du premier étage ne s'élève pas au-dessus d'une valeur de sécurité prédéterminée. De l'exa- men de ces faits, il résulte que lacourbe 15 de la Fig. 4 peut aussi être considérée comme représentant la vitesse du rotor du premier étage et que cette vitesse ne s'élève pas au-delà de la valeur représentée par le point 16.
L'invention donne donc au constructeur la possibilité de limiter la vitesse du rotor du premier étage d'une turbine à deux rotors, à une valeur de sécurité fixée d'avance, par l'étude même des passages du par cours du fluide en aval de ce rotor, sans faire usage des dispositifs habituels compliqués mécaniques et hydrauliques de régulation de vites- se.
Du :Lait que la vitesse du premier rotor peut ainsi être positive- ment limitée, il est possible de construire la turbine en toute sé- curité pour que le premier rotor fonctionne beaucoup plus près
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des limites extrêmes de résistance des matériaux qui le constituent; ré sultat qui ne pourrait être obtenu avec des machines pour lesquelles un facteur de sécurité doit être introduit pour tenir compte d'accroisse- ments fortuits de la vitesse du rotor, au-delà de la valeur maximum pour laquelle il a été étudié. En conséquence, l'invention permet un em ploi optimum des matériaux et des éléments constitutifs, en opérant à la manière ordinaire dans des conditions plus rapprochées des valeurs Extrêmes de sécurité qu'il serait possible de faire autrement.
Ceci re- vient à dire qu'une turbine construite conformément à l'invention, peut être d'un poids plus faible sour une puissance totale donnée.
11 faut aussi remarquer qu'une turbine à fluide sous pression ne peut être étudiée pour travailler au rendement maximum que pour des va- leurs particulières du rapport total des pressions, et que des conces- sions concernant le rendement doiventêtre consenties par le constructeur si le rotor doit fonctionner sur une très grande étendue de rapports totaux de pressions.
Comme l'étude des rapports de pressions dans le premier étage d'une turbine construite conformément à l'invention, est limitée, il sera possible d'étudier le premier rotor de façon à conser- ver un rendement moyen plus élevé sur cette étendue plus étroite de fonctionnement. L'examen de la répartition des pressions., représentée par les Fig. 3 et 7, montre que les températures de fonctionnement du rotor du deuxième étage dont beaucoup plus faibles que celles du premier- rotor.
Comme les caractéristiques de résistance et de durée des maté- riaux de la roue à aubes sont considérablement améliorées par une diminu- tion même faible des températures de fonctionnement, il est possible d'étudier le rotor du second étage de manière à ce qu'il travaille en toute sécurité à des vitesses dépassant considérablement la valeur à la- quelle le rotor de premier étaleest limitée.
Dans un but purement descriptif, le fonctionnement d'une turbine construite conformément à l'invention sera décrit en supposant cette turbine installée sur un appareil d'aviation, la boite des tuyeres étant alimentée par les gaz chauds à pression et température constantes et les gaz s'échappant du rotor du deuxième étage directement dans l'atmosphère, de sorte que la contre pression à la sortie corres-
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-ponde à la pression atmosphérique ambiante et diminue avec l'augmenta. tion de l'altitude.
Comme il est admis que la pression dans la boite des tuyères est constante, on voit que le rapport total des pressions de la turbine, représenté par les abcisses de la Fig. 4 sera fonction de l'altitude. Au niveau de la mer, il n'y aura d'autre chute de pres. sion dans la turbine que celle nécessaire pour vaincre les pertes par frottement dans les conduites de passage du fluide, et par suite aucu- ne puissance utile ne sera fournie par les rotors de la turbine. au fur et à mesure que l'altitude augmente, la puissance fournie par les deux rotors s'accroit suivant les courbes lb et 17 respectivement,sans que la vitesse sonique apparaisse en un point quelconque en aval du premier étage.
Le rapport total des pressions continuant de croître, la vitesse et le poids du fluide s'écoulant dans le circuit de passage du gaz croissent de la même manière jusqu'à ce que soit atteint le point 16 pour lequl la vitesse du fluide dans la section critique C, rapportée aux parois en ce point, devient égale à la vitesse du son dans le fluide pour la température et la pression règant en ce point.
Lorsque ce résultat est atteint, aucun nouvel accroissement de poids du courant gazeux ne peut se produire dans le circuit tant que les con ditions initiales Po, To, restent constantes. De plus, pour des rap- ports totaux de pressions plus élevés la pression statique Pcà la sec tion C restera constante, et la répartition de la pression et de la vitesse du fluide sur le parcours aval de la section C restera constan. te. Par conséquent, l'énergie disponible au premier étage de la turbi- ne est fixée définitivement; et, si le premier rotor est relié directe ment à une charge qui croit comme une fonction de la vitesse, la vites se du premier rotor sera également limitée.
Toutefois, à mesure que le rapport total des pressions de la tur- bine augmente au delà de la valeur au point 16 de la Fig 4, le poids fixe de fluide passant dans le circuit à travers la turbine délivrera une quantité croissante d'énergie au rotor du second étage en raison du fait que le rapport des pressions depuis la pressions fixe Pc jus- qu'à la pression d'échappement Pe s'accroît à mesure que la pres-
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-sion en arrière de la turbine décroît. Ainsi le second rotor est en me- sure de produire une quantité d'énergie croissante, au-delà du point 16 pour lequel la puissance débitée par le premier étage devient constante.
Si alors le rotor du second étage est directement relié à une charge ayant une caractéristique vitesse-charge croissante, la vitesse de ce ro tor s'accroîtra jusqu'à ce que la vitesse et la puissance fournie attei-
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gnent toutes deux les valeurs maximum au point 1b E11 raison de l'appari- tion rie la vitesse sonique dans la conduite oe décharge la.
On peut remarquer que lorsque l'invention est appliquée à une turbi-
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zre sans aubes directrices intermédiaires, comme indiqué à la Fig. 9 la vitesse et la puissance du premier rotor peuvent ne pas être exactement constantes, mais peuvent varier légèrement à mesure que la vitesse du
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deuxième rotor àlaccroit au-dessus àe 1'altitude critique. Le raison de ce fait ressort de l'examen ae la 1<'i&, , 6. Le vecteur vitesse Rg représen' tant la vitesse relative d'entrée dans les aubes du second étage est en effet la "vitesse d'approche" par rapport, à la section étranglée C.
Com- me la vitesse du deuxième rotor augmente pu-dessus ae l'altitude criti- que, le vecteur vitesse WE de la roue augmentera en grandeur et par sui- te produira une modification de la grandeur du vecteur résultant R3 re- présentant la vitesse d'entrée. Cette modification ae la "vitesse a'ap- proche" à la section C aura pour résultat une légère retouche aux vites- ses et aux pressions statiques en amont de la section étranglée @@ Ainsi
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avec la disposition de la turcine représentée .1:"16' o, 11 n'est pas ri- goureU2ellent exact que la vitesse et la pression statique restent abso- luirrent constantes sur tout le parcours vers la section critique C à me- sure que le r;:yj:or.1. total Ge nessions augmente au-delà de la valeur critique.
N68.nrnoÍ':1::", l'effet produit par une modification de la vitesse du second rotor, sur les conditions de la vite,:se et de la pression en amont de la section C est insignifiant et, peut être négligé pour la
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pius-part trs applications pratiques.
La description donnée ci-dessus du mode de fonctionnement suppo-
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=ait que lorsque le rapport total des pressions de la turbine augmente, la vitesse sonique se produit en premier lieu à la section critique
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C. Cependant, dans certaines turbines étudiées conformément à l'invention il peut arriver que la vitesse sonique se produit d'abord. aans une sec- tion à l'intérieur du premier étage, c'est à dire dans les tuyères 8 , ou les intervalles entre les aubes . Dans cette éventualité, le poids du courant de gaz à travers le circuit d'écoulement devient constant malgré les augmentations ultérieures du rapport total des pressions (en supposait que la pression et la température à l'entrée restent constantes).
Cepen- dant' cette apparition de la vitesse sonique dans le premier étage n'affec. te ni la puissance ni la vitesse du rotor du premier étage, lesquelles continuent de croitre le long de la courbe 15 jusqu'à ce que le point 16 soit atteint, pour lequel la vitesse sonique se produit également dans la section C, limitant ainsi la vitesse.et la puissance du premier étage, comme auparavent.
On remarquera que l'invention rend possible la réalisa- tion d'une turbine à double rotation, dont un premier étage entraîne une première charge qui est limitée d'une maniere bien définie envitesse et en puissance par la production de la vitesse sonique dans une section pré- déterminée du parcoursdes gaz et avec un rapport'total, également pré- déterminé des pressions dans la turbine; tandis qu'un second rotor indé- pendant, entraine une charge séparée et est libre de tourner à des vites- ses croissantes pour fournir une puissance croissante à mesure que le rap- port total des pressions de la turpine s'accroît au-delà de la valeur pour laquelle la vitesse et la puissance du premier étage deviennent constan- tes.
La Fig. 8 représente l'application d'une turbine, construite confor- mément à l'invention, à un groupe moteur pour aviation, consistant en un moteur ordinaire à combustion interne à pistons 30, entraînant l'hélice 31, et une turbine à gaz, à deux étages, à double rotation 32. Le rotor au premier étage 33 de la turbine fournit sa puissance à l'arbre à mani- velles (Se la machine 30 par l'intermédiaire d'une transmission appropriée tel qu'un accouplement, hydraulique 34. Le rotor du deuxième étage 35 en- traîne un compresseur 36 qui aspire l'air par une conauite 37 et le ren- voie par une conduite 38, un refroidisseur intermédiaire 39 et un carbure- teur 40 au moteur 30.
Les gaz chauds d'échappement de la machine 30 sont amenés, depuis le collecteur annulaire 41, par une conduite 42,
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à la boite à tuyères 43 de la turbine. une dérivation à clapet 44 action- née par un type approprié'- de régulateur (non figuré) permet l'échappe- ment d'une partie des gaz chauds directement dans l'atmosphère par l'ori- fiee 46, de manière à maintenir une pression constante dans la boite tuyères 43. La turbine peut être munie d'aubes directrices intermédiaires comme dans le dispositif de la Fig. 1, ou bien celles-ci peuvent être omises comme dans la turbine de la Fig. 5.
Immédiatement à la suite des aubes du second étage peut être instal- lée une rangée annulaire d'aubes 47 qui pourront être, soit des aubes di- rectrices pour redresser vers la sortie le courant de gaz s'échappant du deuxième étage., sans amener a cun changement de pression, soit des aubes taillées pour constituer les diffuseurs convertissant une partie de la vitesse résiduelle en énergie de pression statique. A partir des aubes 47, le fluide passe à travers des conduits annulaires de décharge 48 à la buse de propulsion 49.
Ce dispositif est particulièrement avantageux dans un groupe moteur pour aviation, car le rotor de turbine du premier étage à vitesse limi- tée est couplé à une charge qui normalement fonctionne aussi à une vites- se sensiblement constante, pendant que le rotor du deuxième étage entraî- nant le sur.compresseur 36 est libre de tourner à des vitesses croissantes à mesure que l'altitude augmente, pour fournir la surcompression nécessai re et maintenir aussi constante que possible la pression variable à l'en- trée dE la machine. au sujet du groupe moteur de la Fig.
8, il faut remarquer que les aubes 47 peuvent être aussi étudiées avec une section d'écoulement criti- que pour limiter la chute de pression à traversa rotor du second étage, exactement comme la, section C limite la chute à travers le premier étage.
Avec une telle disposition, la vitesse sonique se produirait d'abord à la section C, limitant la puissance et la vitesse du premier ,rotor, en- suite, l'altitude augmentant encore, la vitesse sonique se produirait aus si dans la section critiqua des aubes47 ouf limiter la puissance et la vitesse du second étage; et à des altitudes encore plus élevées toute chute de pression ultérieure se produirait oans le conduit 48 et dans la buse de propulsion 49.
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8'autres applications:, que celle décrite ci-aessus viendront à l'es- prit des hommes de l'art. Par exemple, au lieu d'être utilisée en coopé- ration avec un moteur du type classique à pistons, comme représenté à la Fig. 8, une turbine conforme à l'invention peut être incorporée dans une installation de force motrice comportant une turbine à gaz à pression constante, le premier étage entraînant un compresseur fournissant de l'air à une ou plusieure chambres de combustion.
L'invention peut égale- ment être appliquée à des compresseurs à plusieurs étages, avec deux étages mécaniquement indépendants entrainés par les étages respectifs de la turbine. il est aussi évident que le premier étage de la turbine pour- rait entraîner une génératrice pour produire la puissance électrique au- xiliaire sur un appareil d'aviation tandis que le second étage entraîne- rait un compresseur pour alimenter en air une cabine sous pression, ou un moteur, où tout autre appareil consommateur d'air.
Bien que les exemples donnés ci-dessus représentent un groupe de turbines ayant des étages indépendants à rotors tournants en sens oppo- sés, il est évident pour toute personne familiarisée avec la construc- tion des turbines, que par une construction appropriée les rotors pour- raient être amenés à tourner dans le même sens à des vitesses aifféren- tes. il est également évident que les formes et les positions relatives des courbes de débit de la Fig.
4 peuvent être amenées à s'adapter aux nécessités d'une application particulière, pour autant que la transforma- tion de l'énergie dans le premier étage atteint une valeur maximum cons- tant quand le fluide atteint la vitesse sonique dans une section du cir- cuit en aval du premier étage, tandis que le débit du second convertis- seur d'énergie en aval de la section critique peut continuer à croître au-delà ou se produit la vitesse sonique.