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GROUPES MOTEURS A TURBINE A COMBUSTION INTERNE.
Cette invention est relative aux groupes moteurs à turbine à combustion interne qui ne doivent fonctionner à pleine puissance que pen- dant un faible pourcentage de leur temps de service et plus particulière- ment aux groupes moteurs à turbine à combustion interne pour avions ou vé- hicules routiers ou ferroviaires.
Lorsque des véhicules et avions sont munis de turbines à combustion interne, il est désirable, mais habituellement difficile, d'in- clure entre le compresseur et la ou les chambres de combustion un échangeur de chaleur pour préchauffer l'air comprimé,la chaleur à cette fin étant, prise aux gaz d'échappement de la turbine qui traversent l'échangeur de 'char- leur avant d'être déchargés dans l'échappement.
Avec une pareille disposition, l'air aspiré par le compres- seur est comprimé par celui-ci et par conséquent subit un certain échauffe- ment et il passe ensuite d'un côté de l'échangeur de chaleur de n'importe quel type conventionnel et qui peut, par exemple, être constitué par une série de tubes traversant une enveloppe extérieure dans laquelle les gaz brû- lants d'échappement de la turbine sont forcés de circuler.. ces gaz étant dé- viés ou obligés de circuler autour des tubes pour assurer un bon échange'de chaleur. L'air comprimé traversant les tubes de l'échangeur de chaleur est préchauffé par conduction par les parois de ces tubes et l'air préchauffé pénètre dans la ou les chambres de combustion où il reçoit encore de la cha- leur par la combustion du combustible.
Les gaz sortant de la ou des cham- bres de combustion se détendent ensuite dans la turbine -pour effectuer un travail utile et ils quittent la turbine sous une pression légèrement supé- rieure à la pression atmosphérique. Au lieu d'être déchargés directement dans l'échappement, les gaz brûlés chauds sont dirigés par des conduits vers l'au- tre côté de l'échangeur de chaleur où, comme il a été décrit ci-dessus, ils @
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circulent autour des tubes à l'intérieur desquels l'air passe et après avoir cédé une grande partie de leur chaleur, ils passent à l'échappement. La cha- leur ainsi extraite des gaz d'échappement de la turbine procure une économie de combustible approximativement équivalente.
Ce système bien connu incorporant le réchauffage de l'air comprimé dans un échangeur de chaleur peut être appliqué avec succès dans des centrales ou autres installations fixes. Cependant, lorsqu'on désire appli- quer le principe de l'échangeur de chaleur aux turbines à combustion interne sur des avions ou des véhicules dans le but de réaliser une économie de com- bustible, les limitations de poids et d'encombrement deviennent très importan- tes et en général le poids et les dimensions d'un échangeur de chaleur néces- saire pour satisfaire aux conditions de marche à pleine puissance rendent douteuse la valeur de telles applications.
Suivant la présente invention, on prévoit dans un groupe moteur à turbine à combustion interne pour avion ou véhicule ou autre appli- cation dans laquelle la turbine fonctionne la majeure partie du temps de ser- vice sous charge partielle, un système échangeur de chaleur qui est conçu pour traiter d'un côté ou des deux côtés seulement la masse réduite des gaz produite dans les conditions usuelles ou de charge partielle, un dispositif étant prévu pour détourner de l'échangeur de chaleur l'excès des gaz que le système ne peut traiter.
On peut de préférence prévoir d'un côté ou des deux côtés de l'échangeur de chaleur conçu pour traiter la masse réduite de gaz un dispo- sitif pour détourner tout excès de gaz dépassant la quantité produite dans les conditions usuelles ou de charge partielle. Ceci permet de réduire consi- dérablement les dimensions de l'échangeur de chaleur soit du côté air (c'est- à-dire la partie de l'échangeur dans laquelle circule l'air) soit du côté échap- pement (c'est-à-dire du côté où circulent les gaz d'échappement) ou encore des deux côtés à la fois.
Comme un échangeur de chaleur prévu d'un côté ou de 1' autre pour les conditions usuelles ou de charge partielle aurait un rendement extrêmement réduit s'il devait fonctionner dans les conditions de pleine char- ge par suite des pertes de pression d'air et à l'échappement , en prévoyant ce dispositif de détournement on s'arrange pour que la chute de pression dans l'échangeur de pression puisse être maintenue à la valeur requise pour obte- nir un effet utile de l'échange de chaleur.
Ce système de détournement comporte de préférence des con- duits ou des orifices incorporant un système de commande pour les mettre en action ou hors d'action suivant les nécessités. Il est clair que si l'échangeur de chaleur était simplement contourné par une conduite ou un orifice, il y aurait de façon inhérente une moindre chute de pression dans le by-pass que dans l'échangeur de chaleur à moins de dispositions spéciales et en rapport avec cela, la différence de pression entre l'entrée et la sortie de l'échan- geur de chaleur peut être maintenue approximativement à la valeur voulue dans les conditions usuelles de charge partielle quand le by-pass est en fonction, en prévoyant un dispositif réduisant le débit dans le by-pass.
Néanmoins, dans le cas d'un détournement sans étranglement il y aura un échangeur de chaleur moindre mais il y aura un gain par le fait qu'il n'y aura qu'une très faible chute de pression dans l'échangeur de pression et le by-pass en parallèle et par conséquent une puissance maximum plus élevée à pleine charge.
On décrira l'invention ci-après plus en détail en se référant aux dessins annexés, dans lesquels : la Fig. 1 est un schéma d'un groupe moteur à turbine à combus- tion interne et d'un échangeur de chaleur ; la Fig. 2 est une vue de détail montrant, schématiquement, un côté de l'échangeur de chaleur, un by-pass et une forme de réducteur de létit @
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détourné et les Figso 3 et 4 sont des vues de détail montrant, schémati-' quement, différentes formes de commande de la conduite de détournement et du dispositif réducteur de débit., la Fig.
1 montre que l'air est aspiré par le compresseur 10, est comprimé dans celui-ci et amené par la conduite 11 du côté air de l'é- changeur de chaleur 12, qu'il passe dans la rangée de tubes 13 constituant le côté air de l'échangeur de chaleur et qu'il est réchauffé dans ces tubes avant de passer par la conduite 14 dans la chambre de combustion 15 où il reçoit une autre quantité de chaleur par la combustion du combustible.
Les gaz brûlés chauds quittant la chambre de combustion 15 se détendent dans la turbine 16 en effectuant un travail utile en faisant tourner l'arbre 17 qui en plus d'être l'arbre de transmission, entraîne le compresseur 10 d'une maniè- re bien connueo
Les gaz d'échappement de la turbine 16 sont dirigés par le con- duit 18 vers l'autre côté de l'échangeur de chaleur 12 et en pénétrant dans l'enveloppe extérieure de celui-ci ils sont forcés de circuler autour des tu- bes 13 dans lesquels passe l'air et après avoir cédé de la chaleur ils vont à l'atmosphère par le conduit 29.
Dans une installation conventionnelle, l'échangeur de chaleur décrit jusqu'à présent devrait avoir une capacité suffisante pour absorber le débit maximum produit dans les conditions de fonctionnement à pleine charge, mais suivant la présente invention, l'échangeur de chaleur 12 représenté sur la figure 1 est de poids et de dimensions tels qu'il est conçu pour traiter, des deux côtés, seulement le débit réduit circulant dans les conditions usuel- les de charge partielle à laquelle la turbine fonctionne pendant la majeure partie du temps où elle est utiliséeo '
Du côté air,
un conduit 20 relie le conduit 11 directement à la chambre de combustion 15 de sorte que le conduit 20 est en parallèle avec le côté air de l'échangeur de chaleur 12 et il peut fonctionner pour contour- ner l'échangeur de chaleur et débiter directement dans la chambre de combus- tion tout excès d'air que le côté air de l'échangeur ne peut recevoir.
Un dis- positif de commande représenté par le rectangle 21 est placé dans la conduite 20 et il peut être constitué par tout mécanisme approprié dont des exemples sont décrits ci-après pour mettre ce by-pass 20 en service ou hors service sui- vant les besoinso
D'une manière similaire, du côté échappement de l'échangeur de chaleur 12, un conduit 22 relie le conduit 18 directement au conduit 19 qui débouche à l'atmosphère, de sorte que le conduit 22 est en parallèle avec le côté échappement de l'échangeur de chaleur 12 et il peut servir à contourner l'échangeur de chaleur et à décharger directement à l'atmosphère tout excès de gaz que le côté échappement de l'échangeur ne peut recevoir.
Le rectangle 21 dans la conduite 22 représente le même dis- positif de commande que celui indiqué ci-dessus à propos du conduit de dé- tournement 20 du côté air de l'échangeur de chaleur.
Alors que dans la description ci-dessus et sur le schéma, les deux côtés de l'échangeur de chaleur sont conçus pour recevoir seulement la mas- se réduite de gaz et d'air produite dans les conditions usuelles de charge par- tielle, l'échangeur de chaleur pourrait être dessiné de manière que le côté échappement puisse recevoir toute la masse de gaz produite à pleine charge et qu'un conduit de détournement soit prévu uniquement du côté air, ou une disposition inverse.
La Fig. 2 montre schématiquement un côté de l'échangeur de chaleur 12 (ce peut être n'importe quel côté), la circulation des gaz se faisant depuis le conduit 23 dans l'échangeur de chaleur 12 et de là de
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le conduit 24. Le conduit 25 est un conduit de contournement comportant un dispositif de commande 21. Le conduit 25 est pourvu d'une tuyère venturi 26 débouchant dans un étranglement 27 créé dans le conduit 24.
C'est ce dispo- sitif qui modifie la perte de chute de pression dans l'échangeur de chaleur qui se produirait si le conduit de contournement en usage n'était étranglé d'aucune manière et en service, le jet de gaz sortant de la tuyère 26 du con- duit de contournement 25 dans l'étranglement du venturi 27 représente une aug- mentation de vitesse des gaz détournés, dans la tuyère 26, aux prix d'une chu- te de pression dans le by-pass et en même temps ce jet communique une partie de son énergie au gaz sortant de l'échangeur de chaleur dans le conduit 24 de manière à créer une vitesse commune dans le mélange des gaz qui se diffuse jusqu'à un certain point dans le tuyau 28 s'élargissant graduellement et par là regagnant une partie de la chute de pression nécessaire pour forcer les gaz dans l'échangeur de chaleur 12.
Par ce procédé, on réduit la chute de pression au minimum tout en utilisant l'échangeur de chaleur 12 avec son meilleur rendement même jusque dans les conditions de marche à charge maxi- mum.
La Fig. 3 représente une forme de dispositif de commande 21 du conduit de contournement constitué par un simple clapet à pivot 29 qui se déplace de la position ouvrant le conduit à celle fermant le conduit pour met- tre le conduit de contournement en service ou hors service.
La Fig. 4 montre une variante du dispositif de commande 21 du conduit de contournement,constituée par un papillon 30. Il est évident que ce papillon 30 en plus de la simple ouverture ou fermeture du conduit de détourne- ment peut servir de vanne d'étranglement variable pour maintenir la chute de pression requise dans l'échangeur de chaleur en étranglant le by-pass de ma- nière appropriée, s'ouvrant progressivement et proportionnellement à l'aug- mentation du débit total au-dessus de celui produit dans les conditions usuel- les de charge partielle.
Le dispositif de commande du by-pass décrit ci-dessus est ac- tionné de préférence automatiquement de toute manière appropriée et en concor- dance avec les conditions de marche de la turbine ou de charge et il est évi- demment complètement fermé en-dessous des conditions normales de charge par- tielle pour lesquelles l'échangeur de chaleur est construit.
Dans le cas où on utilise plusieurs échangeurs de chaleur en série, on peut appliquer le principe de fonctionnement de l'invention par étapes, premièrement en contournant un échangeur de chaleur et secondement en contournant les deux et ce système pourrait être appliqué aux côtés air uni- quement ou aux côtés échappement uniquement ou bien aux deux côtés à la fois suivant la conception de l'installation à laquelle il est appliqué.
REVENDICATIONS.
1. - Dans un groupe moteur à turbine à combustion interne pour avion ou véhicule ou autre application dans laquelle la turbine doit fonctionner sous charge partielle pendant la majeure partie de son temps de service, un échangeur de chaleur qui est construit pour recevoir d'un côté ou de l'autre ou des deux côtés à la fois la masse réduite des gaz produits dans les conditions usuelles de charge partielle, un dispositif étant incorporé pour détourner de l'échangeur de chaleur l'excès de la masse de gaz que l'é- changeur ne peut recevoir.