<Desc/Clms Page number 1>
GROUPES-MOTEURS MIXTES COMPRENANT UN MOTEUR A PISTONS ET UNE TURBINE ACTIONNEE PAR LES GAZ D'ECHAPPEMENT.
EMI1.1
(ayant fazi t lubjet d'ane demande de brevet déposée en Grande-Bretagne le 12 janvier 1953 conjontement a:ùe¯' B BafKyM. PI A. McKeggie et H.R, Scott - déclaratzon de 1a déPosante -Jo
Cette invention est relative aux groupes-moteurs mixtes du type comprenant un moteur à pistons à combustion interne et une turbine actionnée par les gaz d'échappement du moteur, la turbine étant destinée à entraîner un, compresseur pour comprimer la charge gazeuse fournie au moteuro Pour la facilité, on appellera le moteur à pistons et la turbine les machines motrices.
Il a déjà été proposé d'utiliser un pareil groupe-moteur pour la propulsion des avions en combinaison avec deux hélices tournant indépendamment et entraînées respectivement par le moteur et par la turbine.
Dans de pareilles dispositions, des problèmes se posent pour régler la puissance du moteur à pistons et de la turbine en fonction de la puissance absorbée par le compresseur et les hélices.
Un but de la présente invention est de fournir un groupe-moteur perfectionné de ce type comprenant deux hélices tournant indépendamment et qui réalise d'une manière simple et efficace la transmission de la puissance du moteur à l'ensemble du turbo-compresseur, de la façon requise pour donner un service satisfaisant dans toute la gamme de puissance du groupe-moteur.
Un groupe-moteur du type précité comporte donc suivant la présente invention deux hélices tournant indépendamment, l'une d'elle au moins étant à pas variable et un mécanisme de transmission différentiel, une des machines motrices étant destinée à entraîner une des hélices tandis que la seconde est accouplée à l'élément primaire du mécanisme différentiel, les éléments secondaires de celui-ci étant accouplés respective-
<Desc/Clms Page number 2>
ment à la seconde hélice et à l'ensemble comprenant la première machine motrice et son hélice associéeo
La puissance transmise dépend jusqu'à un certain point des charges de réaction respectives exercées par les deux hélices et suivant une autre caractéristique préférée de l'invention, les deux hélices sont par conséquent du type à pas variable et le groupe,
-moteur comporte un dispositif permettant de faire varier le pas des hélices pour faire var ier la relation-entre les puissances disponibles respectivement aux deux machines motrices dans toute l'étendue de leurs puissance.
La turbine est de préférence accouplée directement à une hélice et le moteur à pistons est accouplé à l'autre hélice par l'intermédiaire du mécanisme différentiel et à l'ensemble du turbo-compresseur.
Suivant une autre aspect de l'invention, les deux hélices sont du type à pas variable et le moteur à combustion interne et la turbine sont munis tous les deux de régulateurs de vitesse commandant le mécanisme d'actionnement du pas variable associé aux hélices respectives, le régulateur du moteur à pistons étant destiné à faire varier le pas de l'hélice associée directement au moteur de manière à tèndre à maintenir la vitesse du moteur en substance constante pour toute position donnée de l'appa- reil de commande principal tandis que le régulateur du turbo-compresseur est destiné à faire varier le pas de l'autre hélice et à contrôler ainsi la vitesse de la turbine de manière à maintenir, autant que possible,
une pression d9appoint constante pour toute position de l'appareil de commande principal.
Dans une disposition préférée, le mécanisme différentiel est du type épicycloidal et il comprend un premier' pignon planétaire entraîné par une des machines motrices et un second pignon planétaire coaxial et tournant indépendamment accouplé à une des hélices, un plateau accouplé à l'autre hélice et entraîné par l'autre machine motrice et au moins un ensemble de pignons satellites porté par le plateau et comprenant deux pignons coaxiaux-disposés de manière à tourner ensemble et en prise respectivement avec le premier et le second pignons planétaires.
Le groupe-moteur peut aussi comprendre un mesureur de couple associé au mécanisme différentiel et grâce auquel on peut estimer la répar- tition du couple entre les deux hélices.
L'invention peut être réalisée de différentes façons; on décrira ci-après, à titre d'exemple, une réalisation.spécifique appliquée à un groupe propulseur d'avion, avec référence aux dessins annexés dans lesquels : la figure 1 est une vue schématique d'un groupe-moteur complet y compris les éléments principaux du mécanisme de commande associé; la figure 2 est une coupe partielle d'une forme de mécanisme différentiel qui peut être utilisé avec l'invention et les figures 3 et 4 sont des coupes schématiques à échelle rédui- te de variantes de mécanismes différentiels qui peuvent être utilisées.
Sur la figure 1, le groupe-moteur comprend un moteur à pistons à combustion interne 1, une turbine actionnée par les gaz d'échappement 2 à laquelle les gaz sont amenés par une conduite 3 et un compresseur à courant axial 4 monté coaxialement avec la turbine 2 et accouplé mécaniquement avec elle, le compresseur recevant l'air de l'atmosphère par une prise 5 et refoulant une charge de gaz comprimé par un conduit de suralimentation 6.
Deux hélices à pas variable tournant en sens inverses 7 et 8 (désignées ci-après respectivement par hélice antérieure et hélice postérieure) sort montées sur des arbres d'hélice concentriques intérieur et extérieur 9 et
10 placés coaxialement au vilebrequin 15 du moteur à pistons 1.
L'arbre 11 du turbo-compresseur entraîné un pignon 12 en prise avec une couronne dentée extérieurement 13 faisant corps avec le plateau
<Desc/Clms Page number 3>
EMI3.1
14 d'un mécanismeldifférentiel ép3cycloidal, le plateau 14 tournant avec l'arbre-d'hélice intérieur 9 accouplé à l'hélice antérieure 7. L'extrémité antérieure du vilebrequin 15 du moteur à pistons 1 est accouplée à un pi- gnon planétaire 16 qui est en prise avec une série de pignons satellites 17 portés par le plateau 14. Les pignons satellites 17 sont aussi en prise avec une.couronne annulaire à denture intérieure 18 qui est accouplée à l'arbre d'hélice extérieur 10 entraînant l'hélice postérieure 8. La puis- sance du vilebrequin 15 est ainsi répartie entre le plateau 14 et la couronne annulaire 18 et de là entre les deux hélices 7 et 8.
Un régulateur "à vitesse constante" 20, entraîné par un pignon 21 en prise avec le pignon 12 sur l'arbre du turbo-compresseur, est destiné à commander automatiquement le pas de l'hélice antérieure 7 au moyen d'un mécanisme de commande hydraulique du pas 22 de type connu monté dans le moyeu de l'hélice en passant par deux conduits hydrauliques 23 et 24. Un régulateur à vitesse constante analogue 25, entraîné par le vilebrequin 15 du moteur à pistons par l'intermédiaire d'un train d'engrenages 26, 27 et 28 est monté de manière analogue pour commander le pas de l'hélice postérieure 8 au moyen du mécanisme de commande de pas 29 monté dans le moyeu de l'hélice, par deux conduits hydrauliques 30 et 31.
Le réglage de la vitesse du régulateur de l'hélice antérieure, 20, cest-à-dire la vitesse de l'ensemble du turbo-compresseur qui doit être maintenue par les variations du pas de l'hélice antérieure 7 entrainée directement par cet ensemble, est effectué par un bras 32 relié par un système de tringles 33,34 et 35 à un servo-piston 36 se trouvant à l'intérieur d'un servo cylindre 37. Un fluide hydraulique sous pression est amené sélectivement aux deux extrémités du cylindre 37, depuis une source de fluide sous pression 38, par des conduits 41 et 42 raccordés à un corps de valve de commande de servo 39 contenant un piston valve réversible 40 destiné à mettre sélectivement les conduits 41 et 42 en communication avec la source de pression ou avec l'échappement.
Le piston valve 40 fait corps avec une tige 43 qui est reliée à un diaphragme flexible 44 monté dans une chambre 45, la partie supérieure de l'intérieur de la chambre au-dessus du diaphragme étant raccordée au conduit d'appoint 6 par une conduite de prise d'appoint 46. L'autre extrémité du piston valve 40 est reliée à un côté d'une capsule à vide 47 dont l'autre oôté est monté de manière rigide sur un support fixe. Le piston valve 40 est donc soumis à une charge qui varie avec la pression de suralimentation absolue fournie par le compresseur 4 au moteur 1.
La tige 43 est articulée sur un levier d'équilibre 48 dont une extrémité est articulée sur un point d'appui fixe mais réglable 49 dont la position peut varier à volonté pour satisfaire aux caractéristiques de fonctionnement du groupe-moteur tandis que l'autre extrémité du levier est reliée à une tige 50 qui est commandée en principe par une came de réglage de suralimentation 51 par l'intermédiaire d'un ressort 52. La came 51 est montée sur un arbre de commande rotatif 53 qui est actionné par un levier de commande principal 54 sous le contrôle manuel du pilote de l'avion.
Le levier d'équilibre 48 est donc soumis dans un sens à la poussée de la tige 43 qui dépend de la pression absolue de suralimentation existant dans le conduit 6 et dans l'autre sens à l'action du ressort 52 qui est déterminée par la position de la came 51. La valve de commande 40 qui suit les mouvements du levier d'équilibre 48 se déplace donc normalement pour actionner le servo-piston 36 et, par suite,le régulateur 20 pour commander le pas de l'hélice antérieure 7 et par conséquent la charge et la vitesse de l'ensemble du turb o-compresseur de manière à maintenir la pression de suralimentation à la valeur déterminée par la came 51.
Le réglage de la vitesse du second régulateur 25 associé au moteur à combustion interne 1 et à l'hélice postérieure 8 est commandé par un bras de commande 60 actionné par l'intermédiaire d'un tringlage 61, 62 et 63 par une came 64 de réglage de la vitesse du moteur à pistons mon-
<Desc/Clms Page number 4>
tée également sur l'arbre de commande 53. Le régulateur 25 commande le p as de l'hélice postérieure 8 et fait donc varier la charge sur la couronne annulaire 18 du train épicycloïdal. Puisque la vitesse du plateau 14 est commandée par le régulateur 20, le régulateur 25 -agit par conséquent pour contrôler la vitesse du moteur à pistons.
Comme le moteur 1 est du type à injection de combustible et à allumage par compression, il est aussi nécessaire de commander la quantité de combustible admise dans chaque cylindre du moteur par cycle afin de faire varier la puissance fournie et maintenir correct le rapport combustible/air. A cette fin, une came de réglage de combustible 65 est aussi montée sur l'arbre de commande 53 et un poussoir 66 coopérant avec la came 65 est relié par une tringle 68 à un pivot 69 en un point intermédiaire d'un bras d-équilibre 70. Une extrémité du bras 70 est articulée à une biellette 71 qui a son tour est reliée à un bras 72 d'un embrayage glissant 73 qui est du type normal à friction sous surcharge, dont l'autre bras 74 est articulé à une tige 75 commandant la pompe à combustible du moteur, représentée schématiquement en 76.
L'autre extrémité du bras d'équilibre 70 est articulée en 77 à une biellette 78 et le pivot 77 est normalement maintenu fixe (sauf dans certaines conditions qui seront décrites ci-dessous). Pour tout réglage de la vitesse du moteur déterminée par la position de la came de réglage de la vitesse du moteur 64, la came de réglage du combustible 65 agit donc sur le mécanisme de la pompe à combustible 76 pour fournir une quantité de combustible appropriée au moteur 1.
Il est aussi nécessaire de prévoir un dispositif pour réduire ou couper l'arrivée du combustible au moteur et arrêter ainsi le groupe-moteur si pour une raison quelconque (par exemple la perte d'une hélice) la vitesse de l'ensemble du turbo-compresseur venait à dépasser une limite déterminée par exemple par des considérations mécaniques. A cette fin, un régulateur de survitesse de la turbine 79 est entraîné par l'arbre 11 du turbo-compresseur par un pignon 80 en prise avec le pignon 21. Lorsque la vitesse de la turbine dépasse la limite, le régulateur 79 envoie du fluide hydraulique dans le conduit 81 d'un côté du piston d'arrêt du combus- tible 82 relié à la tige 75 actionnant le mécanisme de la pompe à combustible 76.
La poussée du piston 82 est suffisante pour surmonter la résistance de frottement de l'embrayage glissant 73 de manière à actionner la tige de commande 75 même si le tringlage 72, 61, 70 et 68 est maintenu fixe par la position de la came de réglage de combustible 65.
Le mécanisme de commande comporte aussi un mécanisme correcteur de suralimentation qui entre en action pour réduire l'arrivée du combustible au moteur 1 et pour rééquilibrer le levier d'équilibre 48 si la pression réelle de suralimentation tombait en dessous de la valeur requise par la position de la came de réglage de suralimentation 51. Cette situation peut se produire par exemple à des altitudes au-dessus de l'altitude critique lorsque le servo-piston 36 atteint la limite de sa course et que l'ensemble du turbo-compresseur tourne à sa vitesse limite mais que néanmoins la pression de suralimentation obtenue dans le conduit 6 est inférieure à la pression requise pour le réglage de puissance choisi à cause de la réduc- tion de la pression atmosphérique.
Le mécanisme correcteur de suralimentation comporte un piston correcteur 85 logé dans un cylindre 86 dont l'extrémité supérieure est raccordée par un conduit hydraulique 87 à l'extrémité supérieure du servo cylindre 37 (c'est-à-dire l'extrémité du servo cylindre à laquelle le fluide s ous pression est admis afin d'augmenter la vitesse de l'ensemble du turbocompresseur). Un ressort raide 88 est destiné à agir entre le côté inférieur du piston-correcteur 85 et l'extrémité adjacente du cylindre 86 et une tige 89 solidaire du piston 85 est reliée par un ressort correcteur de s uralimentation 90 à la tige 50 et par conséquent au levier d'équilibre 48. La tige 89 est aussi reliée par le tringlage 91, 78 au bras d'équili- bre 70 faisant partie du mécanisme de commande du combustible.
<Desc/Clms Page number 5>
Pendant le fonctionnement normal, toute chute de la pression de suralimentation en dessous de la pression choisie force la tige 43 et par conséquent la valve 40 à monter pour admettre le fluide sous pression du côté supérieur du servo-piston 36 et augmenter ainsi le réglage de la vitesse du régulateur 20 associé au turbo-compresseur jusqu'à ce que l'aug- mentation de pression sur le diaphragme 44 ramène la valve 40 dans sa posi- tion médiane. Dans ces conditions, le ressort 88 en dessous du piston correcteur 85 maintient ce dernier dans sa position supérieure.
Toute- fois, si pour une raison quelconque, le piston 36 ne peut se déplacer pour augmenter la vitesse du turbo-compresseur (par exemple s'il a atteint le fond de sa course ou s'il rencontre un obstacle), la pression dans le ser- vo-cylindre 37 et par conséquent dans la conduite 87 et dans le cylindre
86 au-dessus du piston 85 augmente jusqu'à ce que le ressort 88 soit surmonté et la tige 89 descend. La descente de la tige 89 agir par l'intermé- diaire du tringlage 91, 78, 70,71, 72, 74 et 75 pour réduire l'arrivée du combustible au moteur jusqu'à une valeur appropriée à la pression de sura- limentation réduite.
La descente de la tige 89 agit aussi par l'intermé- diaire du ressort correcteur 90 pour fournir une poussée d'équilibrage sur le bras d'équilibre 48 en opposition à l'action du ressort correcteur 52 et par conséquent le bras 48 s'équilibre sous la pression de suralimentation réduite.
Une forme structurale de mécanisme différentiel épicycloïdal d'un type différent est représentée sur la figure 2. Sur cette figure,les éléments principaux qui correspondent aux éléments représentés sur la figure 1 sont désignés, pour la facilité, par les mêmes indices de référence. L'extrémité antérieure 15 du vilebrequin du moteur à pistons est montée coaxialement derrière les deux arbres d'hélice 9 et 10 et elle est accouplée à un pignon planétaire 16 qui est en prise avec la série des pignons satellites (dont un seul est représenté en 17) entourant le pignon planétaire et portés dans des paliers sur le plateau 14 qui est relié de manière rigide à l'arbre de l'hélice antérieure 9.
Les pignons satellites 17 sont aussi en prise avec la couronne à denture intérieure 18 qui est accouplée à l'arbre de l'hélice postérieure 10. Cependant, dans cet exem- ple, le pignon 12 sur l'arbre du turbo-compresseur 11 est disposé de manière à être en prise avec une couronne dentée 100 solidaire de la couronne 18 et l'ensemble du turbo-compresseur est donc directement accouplé à l'hélice postérieure 8 au lieu de l'hélice antérieure comme sur la figure 1.
L'hélice antérieure 7 est dans ce cas accouplée au plateau 14 et le rapport d'engrenages entre les trois principaux éléments tournants 16, 14 et 18 est donc modifié.
Les liaisons hydrauliques 23, 24, 30 et 31 entre les deux régulateurs 20 et 25 et les mécanismes de commande du pas des hélices 22 et 29 aboutissent à des gorges annulaires dans une partie fixe 101 faisant corps avec l'enveloppe 99 de la boite d'engrenages et le fluide sous pression est transmis par une série de forages radiaux dans un arbre intermédiaire 102 accouplé au pignon planétaire 16 (un de ces forages est désigné par 103) à quatre conduits concentriques à l'intérieur des arbres d'hélices formés par les pièces tubulaires 104, 105, 106 et 107 à l'intérieur de l'arbre d'hélice 9.
Un dispositif est également prévu pour obtenir une indication de la répartition du couple entre les différents éléments du mécanisme et dans le présent exemple puisque le rapport d'engrenages du mécanisme épicycloïdal est connu (c'est-à-dire le rapport du gain mécanique entre le vilebrequin 15 et le plateau 14 au gain mécanique entre le vilebrequin 15 et la couronne annulaire 18) il suffit simplement d'obtenir une indication du couple du vilebrequin.
A cette fin, l'extrémité antérieure du vilebrequin 15 est pourvue d'un flasque radial 108 constituant le plateau arrière d'un second train épicycloldal dont le plateau antérieur 109 est monté librement dans les paliers 110 supportés par une partie fixe de l'enveloppe
<Desc/Clms Page number 6>
et relié de manière rigide, par exemple au moyen de boulons ou de colonnettes, au plateau arrière 108. Un certain nombre de pignons satellites 111 sont espacés angulairement autour de cet ensemble de plateaux, chaque pignon satellite étant en prise avec un pignon planétaire 112 sur l'arbre intermédiaire 102 et par conséquent accouplé au pignon solaire 16 et aussi en prise avec une couronne de réaction 113 à denture intérieure.
Cette couronne de réaction 113 est reliée au moyen d'un boulon 114 à une tige de piston 115 reliée à un piston (non représenté) se trouvant dans un cylindre hydraulique 116. La pression créée dans ce cylindre 116 est amenée à tout mécanisme approprié indicateur ou de contrôle et comme ce mécanisme peut être de n'importe quel type connu, il ne sera pas décrit en détail.
Il est clair que le mécanisme différentiel peut prendre différentes formes suivant les conditions dans lesquelles doit fonctionner le groupe-moteur, les caractéristiques des machines motrices, le compresseur, les hélices et d'autres facteurs. Deux variantes simplifiées de mécanismes différentiels épicycloïdaux sont représentés à titre d'exemple sur les figures 3 et 4. Sur la figure 3, l'arbre 11 du turbo-compresseur est accouplé à un pignon 12 qui est en prise avec une couronne dentée 120 ac- couplée à un plateau 121 qui à son tour est accouplé de manière à tourner avec l'hélice postérieure 8. L'ensemble du turbo-compresseur est donc accouplé mécaniquement directement à l'hélice postérieure.
L'extrémité antérieure du vilebrequin du moteur 15 est accouplée à un premier pignon solaire 122 tandis qu'un second pignon solaire coaxial 123, dont le diamètre du cercle primitif est supérieur, est accouplé à l'hélice antérieure 7. Une série d'ensembles de pignons satellites tournent sur des arbres portés par un plateau 121, chaque ensemble de satellites comprenant une paire de pignons planétaires coaxiaux 124 et 125 de diamètres de cercle primitif différents faisant corps l'un avec l'autre et en prise respectivement avec les pignons planétaires 123 et 122. La puissance transmise par le vilebrequin 15 est donc répartie, suivant le gain mécanique du train d'engrenages, entre le pignon solaire 123 et le plateau 121 et par conséquent entre les deux hélices 7 et 8.
La disposition représentée sur la figure 4 correspond à la disposition de la figure 2 dans laquelle l'arbre 11 du turbo-compresseur et le pignon associé 12 sont en prise avec une couronne 100 accouplée à l'anneau denté 18 tandis que le vilebrequin 15 est accouplé au pignon planétaire 16.
REVENDICATIONS.
1. Groupe-moteur comprenant deux machines motrices,à sav oir un moteur à pistons à combustion interne et une turbine destinée à être actionnée par les gaz d'échappement du moteur à combustion interne, la turbine étant destinée à entraîner un compresseur qui fournit au moteur à pistons une charge gazeuse comprimée, caractérisé en ce qu'il comporte deux hélices tournant indépendamment dont l'une au moins est à pas variable, et un mécanisme de transmission différentiel, une des machines motrices étant destinée à entrâiner directement une des hélices tandis que la seconde machine motrice est accouplée à l'élément primaire du mécanisme différentiel dont les éléments secondaires sont accouplés respectivement à la seconde hélice et à l'ensemble comprenant la première machine motrice et l'hélice associée.