<Desc/Clms Page number 1>
POWER JETS (RESEARCH & DEVELOPMENT) LIMITED, résidant à LONDRES.
PERFECTIONNEMENTS APPORTES AUX INSTALLATIONS AVEC TURBINE A GAZ.
L'invention est relative aux installations avec turbine à gaz pour la propulsion par réaction.
Le problème de l'accroissement temporaire de la puissance normale d'une installation avec turbine à gaz, utilisée pour la propulsion par réac- tion d'unavion, est bien connu et des méthodes pour obtenir ce résultat ont été proposées. Une méthode consiste à introduire un fluide refroidisseur dans l'entrée d'air du compresseur. Un liquide volatil est généralement uti- lisé, ce liquide devant, idéalement ,avoir une chaleur latente élevée de vaporisation, un point d'ébullition réduit et, de préférence, également un pouvoir calorifique élevé. En pratique, on adopte ordinairement un compro- mis sous la forme d'un mélange eau-méthanol.
,Ce mélange permet d'obtenir une température effective plus basse de l'air d'admission et, par conséquent, une diminution de la puissance né- cessaire pour entraîner le compresseur ou bien, à puissance égale, un taux de compression, un débit massique et une vitesse du jet plus élevés.-On ob- tient ainsi une poussée fortement accrue à l'aide de la même installation.
Un genre d'une installation avec turbine à gaz pour la propul- sion par réaction, qui a, jusqu'ici, été utilisé à peine bien qu'il ait été proposé depuis plusieurs années, est celui pour lequel deux courants gazeux contribuent à former le jet propulseur, l'énergie étant prélevée à un des courants et fournie à l'autre. On peut obtenir ainsi un accroisse- ment de la poussée et de l'effet propulseur. On propose maintenant d'incor- porer l'injection d'un fluide refroidisse,ur dans une installation avec tur- bine à gaz de ce genre, et cela d'une manière particulièremert avantageuse.
<Desc/Clms Page number 2>
L'invention a pour objet une installation avec turbine à gaz, pour la propulsion par réaction,dans laquelle passent deux courants ga- zeux qui contribuent tous deux à la formation du jet propulseur, des moyens de compression, un dispositif de combustion et des moyensavectrbineétantétablis sur le trajet suivi par le courant principal et de l'énergie étant fournie à l'autre courant par lesdits moyens à turbine, ladite installation compre- nant, en outre, des moyens propres à injecter un fluide refroidisseur et à introduire ce fluide seulement dans ledit courant principal à l'entrée desdits moyens de compression.
Un exemple d'une installation du genre spécifié plus haut est, le réacteur dénommé réacteur à by-pass.
L'invention a également pour objet une installation à by-pass avec turbine à gaz pour la propulsion par réaction, cette installation com- prenant un courant gazeux principal et un courant en by-pass qui contribuent tous deux à la formation du jet propulseur et qui sont comprimés tous deux initialement par un ventilateur établit.dans le conduit d'admission de la machine, cette installation comprenant, en outre, des moyens de compression, un dispositif de combustion et des moyens à turbine, ces derniers étant re- liés en entraînement audit ventilateur et auxdits moyens de compression et l'ensemble étant établi dans ledit courant principal, ainsi que des moyens propres à injecter un fluide refroidisseur et à introduire ce fluide dans le courant principal seulement, en amont desdits moyens de compression.
L'injection du fluide refrodisseur peut se faire immédiatement en amont des moyens de compression ou ; dansle cas du by-pass, cette injec- tion peut se faire dans le courant en un endioit adjacent au rayon intérieur du ventilateur.
Il est avantageux de faire varier la section du jet propulseur quand du fluide refroidisseur est injecté et il en est ainsi de préférence.
Quand l'installation comporte un conduit d'admission commun et en forme de fourche pour les deux courants, le fluide refroidisseur est injecté, de préférence, à l'endroit où se fait la bifurcation.
Les organes d'injection du fluide refroidisseur peuvent compor- ter une pompe entraînée, par l'intermédiaire d'engrenages, par les moyens de compression.
L'invention permet de prélever un courant gazeux sous pression à l'installation, ce courant n'étant jamais contaminé par le fluide re- froidisseur. De plus, elle permet que l'injection du fluide refroidisseur se produise en même temps que la combustion d'un combustible dans une zone qui se trouve en aval d'un ou des deux courants.
Les dessins ci-annexés montrent, à titre d'exemples, quelques modes de réalisation de L'invention.
La Fig. 1 montre, en coupe axiale schématique, un réacteur avec turbine à gaz avec by-pass.
La Fig. 2 montre, semblablement, l'extrémité d'entrée d'une tur- bine à gaz avec by-pass dans laquelle l'injection du fluide refroidisseur se fait d'une manière différente de celle montrée sur la Fig. 1.
La Fig. 3 montre, en mi-coupe axiale schématique, un réacteur avec une turbine à gaz munie d'un dispositif, augmentant la poussée, à son extrémité d'aval, l'injection du fluide refroidisseur se faisant dans le compresseur principal.
La Fig. 1 montre un réacteur à by-pass dans lequel le jet est formé par deux courants propulseurs séparés. La machine comporte une in- stallation usuelle avec turbine à gaz pour former le jet propulseur, cette installation comprenant un compresseur axial 10, un dispositif de combus- tion 11 et une turbine à deux étages 12 qui est reliée, par un arbre creux
<Desc/Clms Page number 3>
13, à la partie mobile du compresseur 10. En aval de la turbine 12 est établie une turbine séparée et indépendante 14 reliée par un arbre 15 à un ventilateur 16 logé dans le conduit d'admission d'air 17. L'arbre 15 est logé dans l'arbre 13. Les gaz, qui sortent de la turbine 14, s'écou- lent par le conduit 18 vers une tuyère 19, à section variable, par laquelle ils sont détendus pour produire une poussée propulsive.
En aval du ventilateur 16, l'admission d'air 17 bifurque en deux passages annulaires distincts 20 et 21. Le passage intérieur 20 amène l'air au compresseur 10 alors que le passage annulaire extérieur 21 enve- loppe la partie restante de la machine et aboutit à une tuyère 22 établie dans la même région que la tuyère 19. L'air, qui pénètre dans le compres- seur 10 par le passage annulaire 20, est comprimé et est fourni au dispo- sitif de combustion 11 pour être détendu dans les turbines 12 et 14 avant de séchapper finalement à l'air libre par la tuyère 19.
L'air, qui traverse le passage annulaire 21, contourne en by-pass la machine principale et est détendu dans la tuyère 22. Les deux courants d'air sont dérivés de l'entrée d'air principale en 17 et sont comprimés tous deux, jusqu'à la valeur cor- respondant au taux de compression, par le ventilateur 16.
Le principe du fonctionnement d'une machine à by-pass de ce gen- re est déjà décrit, par exemple, dans le brevet français n 818.703, dépo- sé le 4 mars 1937 au nom de F. Whittle.
La tuyère à section variable, de la machine montrée sur la Fig.
1, est constituée par la paroi 23 et le corps profilé mobile 24. Ce dernier peut coulisser dans un support tubulaire 25, qui forme le prolongement du cône d'échappement 26 en aval de la turbine 14. Dans le cône d'échappe- ment est logée une tige de commande 27 qui peut coulisser axialement dans un support 28. La tige 27 peut être déplacée à l'aide d'une crémaillère 29 qui engrène avec un pignon 30 entraîné par un moteur électrique 31. En faisant fonctionner le moteur 31, le corps profilé 24 peut être déplacé axialement pour faire varier la section de la tuyère 19. Quand le moteur 31 fait tour- ner le pignon 30 dans l'un ou l'autre sens, on peut faire avancer ou recu- ler le corps 24.
Le moteur comporte des dispositifs d'arrêt automatiques pour interrompre son fonctionnement quand la tige 27 a été déplacée de manière telle que le pignon 30 soit venu en contact avec l'une ou l'autre des ex- trémités de la crémaillère-29. Les fils 32, alimentant le moteur électrique 31, sont reliés à une batterie 33 et aux contacta 34. Seuls deux de ces contacts peuvent être fermés à la fois par la partie contactrice 35 de la tige de commande 36 et le moteur 31 fonctionne dans l'un ou l'autre sens suivant les deux contacts qui ont été fermés. La tige de commande 36 est ac- tionnée par une manette 37 qui agit également, par une tringle 40, sur un robinet 38, établi dans le conduit 39 par lequel le fluide refroidisseur est débité.
On a prévu un réservoir 41 contenant le fluide refroidisseur.
Quand la manette 37 occupe sa position extrême vers la droite pour laquelle la partie contactrice 35 n'est plus appliquée sur l'une ou l'autre paire de contacts 34, le robinet 38 est fermé. Le déplacement de la manette 37 vers la gauche ouvre le robinet 38 et permet au fluide refroidisseur de couler dans le conduit 39. La manette déplace également un câble flexible 42 dont la fonction est décrite ci-dessous.
Le fluide refroidisseur, passant dans le conduit d'alimentation 39, est fourni à la pompe 43 qui est reliée, par un embrayage, à un couple d'engrenages coniques 44 entraîné par l'extrémité avant du compresseur 10.
Le câble flexible 42 commande l'embrayage de sorte que la pompe cesse d'être entraînée par les engrenages 44 quand le débit du fluide refroidisseur, vers la pompe 43, est interrompu. Le débit de la pompe s'écoule par les tubes 45 qui aboutissent aux gicleurs 46 et 47 répartis respectivement et périphéri- quement autour des parois externe et interne de l'entrée annulaire 20 de l'air
<Desc/Clms Page number 4>
fourni au compresseur 10. Quand la pompe 43 fonctionne, le fluide refroi- disseur s'écoule vers les gicleurs 46 et 47. Le conduit 39 et le câble flexible 42 pénètrent à l'intérieur du moyeu, établi à l'extrémité avant de la machine, par des bras carénés 48 et 49.
La machine fonctionne normalement sans injection du fluide refroidisseur. Une réserve de ce fluide, qui peut être un mélange eau-mé- thanol ou de l'ammoniaque, est contenue dans le réservoir 41. Quand une surpuissance est nécessaire, on ouvre le robinet 38 à l'aide de la manet- te 37 et cette manette fait démarrer également la pompe 43. Le fluide re- froidisseur est injecté, par les gicleurs 46 et 47,dans le courant d'air qui pénètre dans le compresseur 10. Cet air a déjà subi une compression préalable jusqu'à un certain degré par le ventilateur 16 de sorte que le fluide refroidisseur agit, avec l'effet bien connu, d'un refroidissement interne entre les compresseurs.
En conservant la même alimentation en combustible pour le dispositif de combustion 11, le débit massique dans la machine est modifié par suite de l'injection du fluide refroidisseur.
Pour obtenir le fonctionnement le plus efficace, la section de la tuyère débitant le jet, est modifiée d'une manière appréciable. Ceci peut être obtenu à l'aide de la même manette 37 qui est alors déplacée vers la gauche, par rapport à la Fig. 1, la connexion entre les contacts 34 et la tige con- tactrice 35 provoquant le déplacement du corps profilé pour faire varier la section de la tuyère du jet suivant les nouvelles conditions opératoi- res. Le robinet 38 est ouvert par le déplacement de la tringle 40 et il reste ouvert jusqu'à ce que la manette 37 arrive au bout de sa course vers la droite. Par conséquent, la variation de la surface du jet peut être ob- tenue pendant que le fluide refroidisseur est injecté.
En injectant le flui- de refroidisseur de cette manière, une puissance plus grande devient immé- diatement disponible, par exemple pour le décollage de l'avion ou pour des raisons de combat.
Comme l'injection se fait seulement dans le courant principal passant dans le compresseur et non pas dans le courant en by-pass, l'air qui circule en by-pass n'est pas affecté. Il est donc possible, même si le fluide refroidisseur est injecté ; prélever une partie du courant du by-pass, pour des usages auxiliaires. Un tube, qui permet un tel prélève- ment, est montré en 50. De même, le courant d'air en by-pass peut servir à la combustion du combustible dans cet air à l'aide d'un dispositif usuel pour une post-combustion., pendant que se fait l'injection du fluide re- froidisseur dans la machine principale. Comme le fluide refroidisseur est injecté après que l'air admis a été un peu comprimé, il est injecté dans un courant d'air chaud. Par conséquent on obtient une vitesse d'évaporation plus grande.
Il ne se produit aucune perte du fluide refroidisseur par en- traînement de ce fluide et par le by-pass directement par la tuyère. La surpuissance peut être augmentée davantage, si on le désire, par un ré- chauffage du courant gazeux principal, débité par la turbine 14, avant que ce courant n'atteigne la tuyère 19. Par conséquent, la machine peut four- nir une poussée additionnelle très importante en peu de temps car l'injec- tion du fluide refroidisseur dans le courant d'air principal permet qu'une post-combustion ait lieu simultanément dans les deux courants, tout en pro- curant l'avantage inhérent à l'injection d'un fluide refroidisseur dans 1' entrée du compresseur.
La Fig. 2 montre seulement l'extrémité d'admission d'un réacteur à by-pass avec turbine à gaz et avec une injection d'un fluide refroidisseur qui est différente de celle montrée sur la Fig. 1. Dans ce cas, le fluide refroidisseur est fourni également par le tube 39 à une pompe 43 et celle- ci débite ce fluide dans le conduit de refoulement 45. Au lieu de faire aboutir ce conduit aux gicleurs 46 et 47, comme sur la Fig. 1, il sort des bras carénés 48 et pénètre dans un des bras carénés 51 qui supporte l'organe 52 formant la paroi interne de l'entrée annulaire 17.
Le fluide refroidis- seur est fourni, sous pression, à un anneau 53, logé dans l'organe 52 et est fourni, depuis celui-ci, à des gicleurs 54 répartis périphériquement dans
<Desc/Clms Page number 5>
la, paroi de l'organe 52, immédiatement en amont du ventilateur 16 établi dans l'entrée annulaire 17. Le débit du fluide refroidisseur par ces gi- cleurs 54 est tel que, lorsque la machine fonctionne, le courant d'air entraîne le fluide refroidisseur, injecté par les gicleurs, seulement dans le courant qui pénètre dans le passage annulaire 20 aboutissant au compresseur principal 10. Aucune partie du fluide refroidisseur injecté ne passe dans le courant annulaire de by-pass 21. La chaleur pour la vapo- risation du fluide refroidisseur est fournie quand le courant traverse le ventilateur 16 et pénètre dans le compresseur principal.
Les gicleurs
54 occupent des emplacements tels qu'ils puissent être aisément nettoyés.
Sur la Fig. 3, la poussée, produite par le réacteur usuel avec turbine à gaz, est augmentée par la compression d'un deuxième courant d'air, cette compression étant ici encore obtenue par un ventilateur établi dans ce courant. Dans ce cas,toutefois, ce vpntilateur est établi à l'extrémité aval de la machine. Un dispositif de ce genre, pour augmenter la poussée, a été décrit dans le brevet belge n 461. 930 déposé le 20 décembre 1945 au même nom.
Le réacteur principal avec turbine à gaz est constitué par un compresseur axial 10, un dispositif de combustion 11 et une turbine 1'2.Cet- te dernière est reliée, par l'arbre 55, directement à la partie mobile du compresseur 10. Le courant gazeux, qui sort de la turbine 12, se détend dans une turbine à deux étages 56 et s'écoule ensuite vers la tuyère 57 dé- bitant le jet propulseur. Sur les extrémités externes des aubes 58 de la turbine 56 sont montées des ailettes de compresseur 59 pour former ainsi un dispositif duplex. De l'air frais pénètre dans le compresseur de la machine principale par l'admission 60 et un courant séparé pénètre, par l'entrée annulaire 61, dans le passage annulaire aboutissant aux ailettes de compression 59.
Cette entrée annulaire 61 est montrée comme entourant la machine principale mais la paroi externe peut être prolongée vers l'amont, comme montré par des traits interrompus en 62, afin qu'il existe une entrée commune 63 pour les deux admissions 60 et 61. Il est à noter, toutefois, qu'il existe néanmoins une différence avec le cas du by-pass en ce sens que l'air, admis dans le compresseur 10 ou entre les ailettes de compression 59, n'a pas été comprimé par un ventilateur encagé comme celui désigné par 16 sur les Figs. 1 et 2.
Le fluide refroidisseur est débité, comme expliqué plus haut,par le conduit 39 et un câble 42 commande l'embrayage établi entre la pompe 43 et les engrenages 44 qui l'entraînent. Le débit de la pompe s'écoule par les tubes 45 vers les anneaux tubulaires 64 et 65 qui se trouvent respec- tivement et radialement à l'intérieur et à l'extérieur de l'entréeannulai- re du compresseur principal 10. L'anneau 64 est relié à des gicleurs 66 ré- partis périphériquement autour de la paroi interne de l'entrée d'air et 1' anneau 65 est, d'une manière similaire, relié à des gicleurs 67 réparais autour de la paroi externe.
Ces gicleurs 66 et 67 débitent le fluide refroi- disseur dans le courant d'air pénétrant dans le compresseur 10 et un accrois- sement de la poussée, produite par le moteur, peut être obtenu d'une manière analogue à celle décrite ci-dessus à propos de la Fig. 1.
Le fluide refroidisseur injecté permet d'obtenir un débit massi- que plus grand de l'air traversant la machine principale et il en résulte que le taux de compression obtenu par les ailettes 59 du compresseur est aug- menté. La poussée du jet débité par la tuyère 57 et celle du jet débité par le passage annulaire 61 vers la tuyère externe 68 sont toutes deux augmen- tées de sorte que la poussée totale est accrue.
Il est à noter que pour les deux dispositifs à by-pass des Figs.
1 et 2 et, pour le dispositif qui augmente la poussée de la Fig. 3, le flui- de refroidisseur, injecté dans le courant d'air, qui traverse le compres- seur de la machine principale, a, en définitive, un effet sur le deuxième courant d'air si l'on considère l'ensemble de l'installation. Dans le cas
<Desc/Clms Page number 6>
de la machine à by-pass, le fluide refroidisseur, injecté dans l'air tra- versant le compresseur de la machine principale, permet à la turbine de four- nir une puissance plus grande avec la même quantité de combustible prin- cipal, de sorte que le taux de compression du ventilateur.encagé 16 augmente Par conséquent; le courant en by-pass produit également une poussée plus grande.
Une interaction similaire a été décrite à l'aide de la Fig. 3.Dans les deux cas, le deuxième courant ne véhicule pas du fluide refroidisseur de sorte que la poussée accrue est obtenue d'une manière particulièrement avantageuse.