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La présente invention se rapporte à un moteur à turbine à gaz, qui convient particulièrement à la propulsion de véhicules routiers, quoique l'invention ne soit pas limitera cette application.
L'invention a pour but principal de procurer un moteur à turbine à gaz ayant de bonnes caractéristiques de consommation, un bon rendement thermique quand une partie seulement de la puissance est utilisée, ainsi que de bonnes caractéristiques de couple, de démarrage et d'accélération.
Le moteur à turbine à gaz suivant la présente invention comprend en combinaison une turbine et un moteur à deux temps à injection de combus- tible servant principalement à entrainer un compresseur axial diagonal ou centrifuge qui l'alimente d'air, le moteur à deux temps et le compresseur jouant le rôle d'un générateur de gaz dont les gaz d'échappement servent d de fluide moteur pour la turbine, le moteur à deux temps comportant un dis- positif qui fait varier son taux de compression pour que la pression maximum dans le moteur en fonctionnement soit limitée à une valeur désirée, la tur- bine et le compreseur s'accordant à tous régimes quant aux caractéristiques d'écoulement massique,
le moteur à injection de combustible étant capable de débiter suffisamment de gaz pour n'importe quel régime et la turbine étant calculée pour ne s'étrangler à aucun des régimes de fonctionnement du dis- positif de propulsion.
Pour comprendre ce qué l'on entend par une turbine qui.ne s'é- trangle pas, il faut savoir que l'écoulement massique par un orifice est dé- terminé par la vitesse et par la densité du gaz qui s'écoule, et l'"étran- glement " se produit quand la vitesse atteint la vitesse locale du son, après quoi toute augmentation du rapport des pressions n'est plus accompagnée d'un accroissement de la vitesse. La densité du gaz dépend alors de la pres- sion à l'admission et l'écoulement massique peut être augmenté en augmentant la pression à l'admission quoique l'orifice soit alors "étranglé". Quand l' orifice est "étranglé", une réduction de pression en aval n'affecte pas l'é- coulement massique.
Une turbine s'étrangle donc quand l'écoulement des gaz dans l'une quelconque des rangées d'ailettes atteint la vitesse du son, et les bois pré- citée régissant les variations-de l'écoulement massique sont alors d'appli- cation. Le rapport des pressions auxquelles l'étranglement se produit est dit "critique" . Quand le rapport de pressions dans la turbine n'est pas critique dans une rangée quelconque d'ailettes (c'est-à-dire que la turbine n'est pas étranglée ), l'écoulement massique augmentera plus rapidement avec une augmentation du rapport des pressions ambiantes puisque la densité et la vitesse peuvent être accrues toutes deux.
De longues recherches ont permis de découvrir qu'il est impossi- ble d'accorder les caractéristiques d'écoulement massique du compresseur et du moteur à deux temps avec aucune autre turbine qu'une turbine non-étranglée, Pour obtenir une puissance élevée du moteur à turbine à gaz sans dépasser une pression de par exemple 5 à 1 au compreseur, il faut avoir un écoulement massique plus grand qu'on ne peut l'attendre normalement d'un moteur à deux temps.
" Quoique le compreseur et la turbine, puissent être calculés pour n'importe quel écoulement massique et de façon que leurs caractéristiques s'accordent à tous les régimes, l'interposition d'un moteur à deux temps, introduit des limitations. Il est nécessaire soit d'avoir un système de by- pass contournant de moteur, soit de prolonger la période de balayage et d'agrandir les lumières. Un dispositif de by-pass doit comporter un mécanis- me variable de réduction de pression (et par conséquent d'écoulement massi- que) pour maintenir la juste proportion des deux écoulements et assurer le
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remplissage des cylindres du moteur à deux temps à la pression correcte.
Ceci est toutefois difficile à obtenir et, suivant l'invention, on préfère augmenter la grandeur des lumières etprolonger la période de balayage, en t utilisant un moteur à deux temps à balayage en boucle. Les modifications nécessaires à apporter à la distribution et aux lumières du moteur à deux temps peuvent être limitées si l'on utilise une turbine non- étranglée à plusieurs étages, l'aspiration de celle-ci faisant moins varier l'air de balayage qu'avec une turbine étranglée.
Le compresseur est de préférence du type centrifuge, mais on peut utiliser un compresseur diagonal ou axial si on le désire. Les compresseurs à pistons, les compresseurs Rootes et compresseurs semblables n'entrent pas dans le cadre de la présente invention.
De préférence, la commande du taux de compression du moteur à deux temps du générateur de gaz, sensible à la pression de sortie du compres- seur est réalisée comme c'est décrit dans les brevets belges n s 534. 986 et 535.846 de la Demanderesse.
Dans les dessins annexés :
La figure 1 est une vue de côté d'un véhicule à moteur comportant un moteur à turbine à gaz suivant la présente invention, une partie du véhi- cule, étant omise pour plus de clarté; la figure 2 est une coupe longitudinale détaillée de la turbine représentée sur la figure 1; la figure 3 est une coupe montrant une partie du générateur de gaz comportant un moteur à deux temps à injection de combustible et un com- presseur,faisant partie du moteur à turbine à gaz montré sur la figure 1; la figure 4 est une coupe suivant la ligne 4-4 de la figure 3; la figure 5 est une graphique représentant les caractéristiques d'écoulement massique de la turbine non-étranglée à plusieurs étages du vé- hicule représenté sur la figure 1;
la figure 6 est un graphique semblable montrant la différence de caractéristiques d'écoulement massique entre une turbine étranglée et une turbine non-étranglée. les figures 7 et 8 sont respectivement un diagramme de distribu- tion et un diagramme des sections d'ouverture des lumières du moteur à tur- bine à gaz représenté sur la figure 1.
La figure 1 montre un châssis 10 de véhicule à moteur équipé d' un moteur à deux temps 11 à injection de combustible qui entraine un compres- seur à deux étages 12 ainsi que les accessoires habituels tels que la dyna- mo et le vertilateur, Le emoteur 11 n'est pas prévu pour entrainer l'arbre de transmission comme c'est le cas pour un moteur conventionnel, mais essen- tiellement pour entrainer le compreseur, 12. Le débit du compresseur 12 ali- mente le moteur 11 d'air comprimé.
Les gaz produits par le moteur 11 passent par un conduit 13 pour aller à une turbine 14 qui, par l'intermédiaire d'engrenages de réduction 15 entraine les roues 16. Les détails du véhicule sont conformes à la descrip- tion faite dans le brevet belge n 534.985 de la Demanderesse.
La figure 2 montre le détail de la turbine 14 qui comprend trois carters principaux, un carter de turbine 17 et un carter d'échappement 18 tous deux boulonnés à un carter d'entrée 19 par des boulons 20 dont un seul est représentéo
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Trois rayons creux 21 font corps avec le carter d'entrée 19 ainsi qu'un logement pour un roulement avant 22 lubrifié par un conduit d'huile
23, et le carter d'échappement 18 porte un roulement arrière 24 lubrifié par un conduit d'huile 25. Les roulements 22 et 24 portent un arbre de turbine sur lequel sont montés plusieurs moyeux de rotors 27 serrés entre des disques ou épaulements 28 sur l'arbre 26 par des boulons de retenue 29. Les moyeux de rotors 27 portent des ailettes 30 entre les aubes de stator 31.
Les rayons creux 21 permettent à l'air de refroidissement d'atteindre le logement du roulement avant 22.
Les figures 3 et 4 montrent une partie du moteur à deux temps à injection de combustible 11. Un seul des quatre cylindres en ligne 32 est représenté sur la figure . Un piston 33 en mouvement alternatif dans le cylindre 32 entraine le vilebrequin 35 par l'intermédiaire d'une bielle 34.
Le vilebrequin 35 entraine par-'l'intermédiaire d'engrenages 36, 37, 38 et 39 le compresseur 12 qui comporte une entrée d'air 40 et une sortie d'air 41.
La sortie d'air 41 du compresseur est reliée par un conduit 42 à une chambre 43 qui à sont tour est reliée par un conduit incliné 44 aux lu- mières d'admission agrandies 45 s'ouvrant dans la paroi du cylindre 32. Des lumières d'échappement agrandies 46 (dont -une seule est représentée sur la figure 4) s'ouvrent aussi dans la paroi du cylindre 32 et sont reliées par un conduit 47 à un collecteur 48 recevant les gaz :; produits par le généra- teur. Les deux lumières d'échappement 46 de chaque cylindre 32 s'ouvrent en mêmetemps, et ceci s'applique aussi à toutes les lumières d'admission 45.
Pour limiter le taux de compression du moteur à une valeur de sécurité et pour l'augmenter au démarrage, un plongeuru 49 qui peut coulisser verticale- ment,mais sans tourner, dans un alésage 50 de la culasse 51, fait varier ce taux de compression en dépendance de la pression de sortie du compresseur.
Un organe fileté 52, fixé au plongeuru 49, est vissé dans un manchon taraudé 53 qui est empêché de se déplacer axialement. Le manchon 53 est denté exté- rieurement et attaqué par une vis sans fin 54 entrainée par un arbre 55 (fi- gure 4). L'arbre 55 est actionné, pour lever ou abaisser le plongeur 49,par un dispositif sensible àlàapression de sortie du compresseur. Ce dispositif est décrit dans le brevet belge n 535846 de la Demanderesse.
Les autres détails mécaniques, comprenant les injecteurs de combus- tible 56, du moteur sont conventionnels et ne seront pas décrits en détail.
La disposition des lumières ainsi que la distribution du moteur suivant la présente invention seront décrites avec référence aux figures 7 et 8.
Dans le schéma de distribution de la figure 7, la ligne V représen- te le point mort bas, la ligne T le point mort haut, la ligne S le point auquel le combustible est injecté, tandis que l'ouverture des lumières d'é- chappement est indiquée par la ligne N et celle des lumières d'admission par la ligne 0. Les lumières d'échappement sont représentées ouvertes sur 182 et les lumières d'admission sur 147 du cycle. Les lumières d'échappement s'ouvrent 17 avant l'ouverture des lumières d'admission.
En pratique:., il n'est pas essentiel de respecter exactement ces chiffres mais il est préférable que l'ouvertùre des lumières d'admission s' étende sur 1420 à 152 du cycle et que les lumières d'échappement s'ouvrent sur 177 à 187 du cycle. Quand on désire que les lumières d'échappement restent ouvertes sur plus de 180 , on fait én sorte qu'elles s'ouvrent plus de 90 avant le point mort bas et se ferment plus de 90 après le point mort bas.
Sur le diagramme d'ouverture des lumières (figure 8) les sections d'ouvertures des lumières sont portées en ordonnées et les angles de rotation
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du vilebrequin, calculés dans chaque cas à partir du point mort bas représen- té en J, sont portés en abscisses. Les graduations en ordonnées représentent chacune 6,45 cm carrés de section d'ouverture des lumières et les gradua- tions en abscisses représentent chacune un angle de 10 de la rotation du vilebrequin. K représente la section d'ouverture des lumières d'échappement et L la section d'ouverture des lumières d'admission.
La partie hachurée M représente l'avance à l'échappement. le maximum L1 de la courbe L d'admis- sion représente une ouverture maximum d'une section de 44 cm carrés et le maximum K1 de la courbe d'échappement K représente une ouverture maximum d' une section de 39 cm carrés.
Les courbes sur la figure 5 se rapportent aux caractéristiques d' écoulement massique d'une turbine non étranglée à plusieurs étapes. Les vi- tesses de rotation du générateur de gaz sont portées en abscisses et l'écou- lement massique en ordonnéeso La courbe A montre la capacité maximum d'a@- sorption d'une turbine non étranglée à l'arrêt, la turbine étant -calculée pour fournir la puissance nécessaire à la vitesse maximum, la courbe B re- présentant l'écoulement total maximum à travers la turbine à vitesse maxi- mum. Le compresseur allant avec cette turbine aurait un débit dont l'allure est indiquée par la courbe C et l'écoulement dans ce compreseur devrait dépasser ce minimum, d'une marge raisonnable sur toute la gamme de fonction- nement pour éviter l'instabilité.
Les besoins normaux du moteur à deux temps sont indiqués par la courbe D basée sur le volume total des cylindres, et la différence entre la courbe D et la courbe A représente le supplément à fournir par de l'air de balayage additionnel. (La différence entre ces deux courbes pourrait aus- si représenter le supplément à fournir par un système de by-pass contournant le moteur si l'on utilisait un tel système.
Sur la figure 6, les valeurs portées en abscisses et en ordonnées sont les mêmes que sur la figure 5 et les deux courbes C et D sont aussi semblables à celles de la figure 5. Le graphique est destiné à montrer la différence existant entre l'écoulement massique d'une turbine étranglée (courbe B) et d'une turbine non-étranglée (courbe F), ces deux courbes re- présentant l'écoulement massique nécessaire dans chaque cas quand la turbine donne sa puissance maximum'.L'écoulement par les lumières du moteur à deux temps convenant à ces turbines est représenté par les courbes G et H, la courbe G se rapportant à la turbine étranglée et sa courbe H à la turbine à plusieurs étages non-étranglée".
Il est à remarquer que l'écoulement par les lumières à une vitesse spécifique du moteur à deux temps détermine la grandeur nécessaire des lu- mières et la durée de la période de balayage. Comme ces grandeurs se rappro- chent des limites possibles de la pratique pour admettre la variation d'é- coulement massique représentée à la courbe H, il est évidemment très diffi- cile d'encore les augmenter pour respecter la courbe G.
Une turbine non étranglée à plusieurs étages a aussi les avanta- ges suivants sur une turbine étranglée: a) Un rapport de couple total plus élevé, et b) un meilleur rendement thermique à charge partielle.