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L'invention est relative aux installations avec turbine à gaz et à leur commande.
Des efforts considérables ont été faits, dans les der- niers temps, pour essayer d'étudier et de réaliser des moteurs avec turbine à gaz, à puissance relativement faible, pour la propulsion de véhicules terrestres. On s'est rendu compte, depuis longtemps, qu'un échangeur de chaleur serait un élément constitutif que l'on pourrait incorporer avantageusement dans des installations du genre en question et la plupart des inventeurs ont pensé inclure un échan geur de ce genre dans une installation à cycle ouvert, comprenant une turbine motrice à basse pression.
L'étude d'une variante, pour laquelle une turbine à basse pression entraîne le compresseur, alors
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que,la puissance utile est fournie par une turbine à haute pression tournant indépendamment, n'a pas été étudiée jusqu'à un point qui aurait probablement donné de bons résultats. Une raison de cette @ négligence peut être la croyance générale que, dans un cycle de ce genre, il est difficile de faire concorder les parties constituti- ves de l'installation. Cette opinion est bien moins fondée pour un moteur ayant un taux de compression faible (par exemple 3 :1) pour un moteur à taux de compression élevé (par exemple 5:1).
Toute. fois, une autre difficulté connue est, qu'avec une installation con- ventionnelle comprenant une turbine motrice à haute pression, la température à l'entrée de cette turbine reste sensiblement constan- te sur la plus grande partie de la gamme de charges et augmente même aux faibles charges jusqu'à avoir une valeur supérieure à celle at- teinte à pleine charge.
On propose maintenant de régler,.dans une disposition de ce genre, la température à l'entrée de la turbine en fonction de la charge.
L'invention a pour objet uneinstallation à cycle ouvert avec turbine à gaz qui comprend un compresseur, une turbine à basse pression entraînant le compresseur, une turbine à haute pression tour, nant indépendamment et propre à fournir la puissance utile, et un dispositif de réglage de la température à l'entrée du gaz dans la turbine, ce dispositif comportant des ailettes de guidage réglables pour la ou les tuyères de la turbine.
De préférence, les ailettes de guidage réglables des tuyè res sont établies immédiatement en amont de la turbine à haute pres- sion et la section d'écoulement est réduite par le réglage de ces ailettes dans des conditions de faible charge et, le cas échéant, quand une condition de température excessive existe à l'entrée de la turbine.
Il peut être avantageux d'incorporer un dispositif de re- tardement dans le dispositif de réglage des ailettes de guidage des tuyères et ce dispositif peut être actionné, à l'aide d'une tringle. rie, par l'organe d'étranglement réglant l'admission du combustible
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dans l'installation ou par un organe de commande sensible à la tempe rature du gaz à l'entrée de la turbine à haute pression.
Pour pouvoir adapter le fonctionnement de l'installation à des conditions différentes de température ambiante, la tringle- rie dont question plus haut, qui est reliée à l'organe d'étrangle- ment, peut comporter un dispositif de réglage dépendant de ces con- ditions. Dans plusieurs cas, un réglage suffisant des ailettes de guidage des tuyères peut être obtenu en rendant ces ailettes pivo- tantes pour pouvoir faire varier la section d'écoulement d'une quan tité de l'ordre de 20% par rapport à une section d'écoulement ser- vant de repère et prédéterminée pour obtenir le fonctionnement cal- culé à pleine charge dans des conditions de température climatologi- ques.
L'invention a également pour objet un procédé pour régler la température du gaz à l'entrée de la turbine motrice à haute pres- sion d'une installation à cycle ouvert avec turbine à gaz, cette installation comprenant aussi un compresseur et une turbine à basse pression entraînant le compresseur, ce procédé consistant à faire varier la section d'écoulement en amont de la turbine à basse pres- sion dans les cas où, sans cela, la température réglée deviendrait excessive.
Pour l'étude d'une installation à cycle ouvert avec tur- bine à gaz, comprenant une turbine motrice à haute pression et un échangeur de chaleur pour la propulsion de véhicules terrestres, cer tains facteurs sont prédominants. Pour un agencement du cycle, l'ac- croissement de la température à l'entrée de la turbine, pour une char, ge décroissante, ne devient pas important jusqu'au moment où la char- ge est descendue jusqu'à atteindre 205 de sa valeur à pleine charge.
Une diminution de la charge jusqu'à 6% de la pleine charge, en l'ab- sence de moyens permettant de faire varier la section d'écoulement des tuyères, donne lieu à un accroissement de température d'environ 170 . La température sensiblement constante à l'entrée de la tur= bine à gaz, pour la plus grande partie de la gamme des charges, don-
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ne lieu à une absence relati@@ do conditions produisant un choc ther mique pendant les variations de la charge, plus spécialement dans l' échangeur de chaleur.
Un certain réglage de l'accroissement.de la température à l'entrée de la turbine, aux faibles charges, peut être réalisé en choisissant convenablement le point de départ pour le calcul,mais d'autres dispositions sont nécessaires,si l'on veut obtenir un accroissement de température tolérable pour satisfaire aux conditions nécessaires à l'accélération et à celles résultant des températures ambiantes élevées. Par exemple, un accroissement de la température ambiante de 15 à 50 peut donner lieu à une augmen- tation de la température à l'entrée de la turbine de 1000 si l'on n'y, remédie pas.
Les dessins schématiques ci-annexés montrent, à titre d'exemple, plusieurs modes de réalisation de l'invention.
La figure 1 montre le schéma du cycle d'une installa- tion établie selon un premier mode de réalisation de l'invention.
La figure-2 montre le schéma du cycle d'une installa- tion établie selon un deuxième mode de réalisation de l'invention.
La figure 3 montre le schéma du cycle d'une variante de ce deuxième mode de réalisation.
La figure 4 montre, en plan (parties en coupe et parties arrachées), le groupe'compresseur-turbine du mode de réalisation de la figure 2.
La figure 5 montre, en vue en bout, l'installation de la figure 4 avec l'agencement des échangeurs de chaleur correspondants.
La figure 6 montre le schéma d'un mode de réalisation du dispositif de réglage.
La figure 6A montre, en coupe transversale, une came fai- sant partie du dispositif de la figure 6.
La figure 7 montre le schéma d'un deuxième mode de réali- sation du dispositif de réglage.
La figure 8 est un graphique de la température maximum en fonction de la charge.
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La figure 1 montre que l'installation à cycle ouvert avec turbine à gaz comprend un conduit d'admission d'air 1, relié succes sivement à un compresseur 2, au circuit froid 3 d'un échangeur de chaleur et à une chambre de combustion 4 du type usuel. Une source de combustible 5 est reliée,par un dispositif 6 avec organe d'étran glement et avec un organe de réglage du débit de combustible (décrit avec plus de détails ci-après) à un gicleur 7 injectant le combusti, ble dans la chambre de combustion 4.
La chambre de combustion 4 est reliée., par un conduit, à l'entrée d'une turbine.motrice à haute pression 8 entraînant la charge CH et la sortie de la turbine est reliée., par des tuyères de guidage -variables 9, à un groupe compresseur-turbine d'entraînement à basse pression 10. L'échappement de la turbine à basse pression 10 passe par le circuit chaud 11 de l'échangeur de chaleur et s'échap- pe ensuite à l'air libre. Les positions des tuyères de guidage qui déterminent la section d'écoulement variable sont réglées en fonc- tion des réglages du dispositif qui agit sur le débit de combusti- ble.
Les .turbines 8 et 10 peuvent être axiales ou radiales ou de tout autre genre et leur fonctionnement peut être modifié en fai- sant varier la position des tuyères de guidage établies à l'entrée de ces turbines.
Pendant le fonctionnement,l'air s'écoule depuis le con- duit d'admission l, est comprimé dans le compresseur 2 et passe par- le circuit froid 3 de l'échangeur de chaleur vers la chambre de com- bustion 4. Du combustible, fourni par la source de combustible 5, est brûlé dans la chambre de combustion 4 en présence d'air comprimé préchauffée provenant du circuit froid 3 de l'échangeur de chaleur et @ les gaz chauds obtenus traversent la turbine à haute pression 8, four missant la puissance utile. Les gaz d'échappement de la turbine 8 s'écoulent par les tuyères de guidage variables 9 vers le groupe compresseur-turbine d'entraînement 10 à basse pression.
Les gaz d'échappement de la turbine à basse pression s'écoulent par le cir- cuit chaud 11 de l'échangeur de chaleur et s'échappent à l'air libre
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Sur les figures 2 et 3, les organes analogues à ceux de la figure 1 sont désignés par les mêmes références. Pour le mode de réalisation de la figure 2, l'échangeur de chaleur est supprimé et le réglage des ailettes de guidage est obtenu par un dispositif 12, sensible à la température, établi dans l'entrée de la turbine à hau- te pression. A part cela, le cycle fonctionne de la même manière que celui de la figure 1.
Le mode de réalisation de la figure 3 diffère principale- ment des précédents par l'emplacement des tuyères de guidage varia- bles. Dans ce cas, les -tuyères de guidage variables sont placées immédiatement en amont de la turbine motrice à haute pression et sont réglées par un dispositif de commande 14, actionné lui-même par un dispositif 13 sensible à une température excessive et par le dispositif de réglage de l'organe d'entraînement 6. Pour ce mode de réalisation,, les tuyères variables sont réglées, à la fois, en fonc.. tion du réglage de l'organe d'étranglement à l'aide d'une tringle- rie 18 et, dans le cas où une température excessive se produit, dans l'entrée de la turbine à haute pression, un effet supplémentaire est déclenché par le dispositif 13 sensible à la température excessive.
Le dispositif montré en plan (parties en coupe) sur la figure 4, correspond au groupe compresseur-turbine de la figure 1 et les références utilisées sont les mêmes que celles de la figure 1. Le rotor 2 du compresseur est du type à écoulement mixte compre- nant une roue à aubes en forme d'hyperboloïde, ce rotor étant monté sur un arbre 20 tourillonné dans un roulement à billes 21 et dans un roulement à rouleaux 22, établis respectivement aux extrémités de cet arbre. Un carter de compresseur 23 dont une partie a une forme qui correspond de près au.pourtour du rotor 2 du compresseur, consti- tue une partie du support du diffuseur 24 du compresseur. Le roule- ment à billes 21 est monté sur un support 19 ayant une forme généra., le tronçonique.
Le rotor 8 de la turbine à haute pression est monté sur un arbre 25 et est maintenu dans sa position axiale par une vis 26.
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Des tuyères de guidage fixes 27 sont établies dans l'entrée de la turbine à haute pression et reliées entre elles par une volute 28 propre à recevoir des gaz chauds provenant de la chambre de combus- tion 4 (non montrée sur la figure 4). Le conduit d'admission 29 des gaz chauds dans la volute 28 est relié directement à une des cham- bres de combustion 4. Un support 30 est établi entre le rotor 8 de la turbine motrice et le rotor 10 entraînant le compresseur et ce support soutient les ailettes de guidage variables 9. La tringle- rie qui sert à l'actionnement et au réglage des tuyères est montrée en 31.
La turbine à basse pression 10 est reliée à l'arbre 20 par un accouplement 32 et est retenue axialement par un boulon 33Une plaqua détanchéité 34 est intercalée entre l'accouplement 32 les
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--0: dl::.!.. tes rl'échappement 35 de la turbine . basse pression et une @iaque analogue 39 est placée entre L'arbre de la turbine à haute prossion et la structure portante voisine. Des joints coulissants 36 s'étendant depuis les deux pourtours de la plaque 34 et facili- tent le mouvement du conduit 35 par rapport à la partie adjacente du carter 39 du compresseur.
Le conduit 35 porte une série d'ailet- tes 37 qui servent à raidir le conduit tout en aidant à l'échange de chaleur entre le gaz d'échappement et l'air sortant du compres- seur. Les ailettes 38, pour la sortie du diffuseursont montées à la sortie de la turbine à basse pression.
Sur la figure 5, la forme générale de l' enveloppe exté- rieure du groupe compresseur-turbine est montrée en 40. Des conduits d'admission d'air 41 sont prévus pour une aspiration horizontale.
L'air comprimée qui a absorbé une certaine quantité de chaleur de- puis l'enveloppe de la turbine quitte l' enveloppe extérieure 40 en 43 et s'écoule, par les. conduits 44, vers les échangeurs de chaleur jumelés 45. Un conduit (non montré),partant de chaque échangeur de chaleurest relié à une chambre de combustion 46 qui,à son tour, est reliée au conduit 29 (figure 4) établi dans l'enveloppe extérieu re 40.
Un conduit d'échappement 47 est relié à la sortie de la
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turbine à basse pression et à l'entrée du circuit chaud de l'écha- geur de chaleur.
Les gaz d'échappement sortent de chaque échangeur de cha- leur par un conduit d'échappement 48. Le mécanisme; réglant le fonctionnement des échangeurs de chaleur, est logé dans une boite 49 montée sur l'enveloppe 40.
Les chemins, suivis par les gaz dans les différents con- duits,sont indiqués par des flèches et sont, en général, les mêmes que ceux décrits à l'aide de la figure l, mais l'unique échangeur de chaleur de la figure 1 est remplacé par les échangeurs de chaleur ju mêlés 45.
Les échangeurs de chaleur jumelés 45 peuvent être du type à piston comme décrit dans le brevet belge 540.129 du 27 juillet 1955, ou être constitués de toute autre manière appropriée.
L'efficacité totale des tuyères de guidage réglables ne peut être obtenue qu'en faisant intervenir des commandes appropriées Les figures 6 et 6A montrent un dispositif qui comprend une comman- de manuelle fonctionnant en relation avec le réglage de l'accéléra- teur,avec un dispositif compensateur de la variation de la tempé- rature ambiante,avec un contrôle de la température excessive à l' entrée.de la turbine à haute pression et avec un dispositif de con- trôle de l'accélération.
Un accélérateur 60 commande un organe d'étranglement 61, établi dans un conduit de combustible 62 relié au gicleur 7 injec- tant du combustible dans la chambre de combustion 4 (non montrée sur la figure 6). Un pivot 63 est relié à une tige 64 sur laquelle peut coulisser une came 65 sollicitée faiblement par un ressort hélicoï- dal 66. Une section transversale typique de la came 65 est montrée sur la figure 6A, son profil étant tel que, pour la gamme des char- ges élevées, aucun mouvement de l'organe commandé par la came n'ait lieu.
Au-dessous de 30%, par exemple, de la pleine charge, il .se produit une réduction progressive de la section utile du gicleur.
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La came est, en réalité, formée par une série de cam 3 de largeur infiniment petite dont les dimensions augmentent progressivement, chaque petite came correspondant à une condition prédéterminée de la température ambiante.
La came 65 coopère avec un galet 70 sollicité par un res sort 80, de manière telle que ce galet reste en contact avec la ca- -ne. Le galet 70 est monte sur une tige 71 dont l'autre extrémité a la forme d'une crémaillère 77. Un pignon 78 est monté sur un arbre 79 servant à régler les positions des tuyères de guidage variables 9. Des mécanismes pour régler les positions des ailettes des tuyères; disposées en couronne,, sont bien connus et, pour l'exemple montré Lui mécanisme de ce genre n'est indiqué que schématiquement par une boîte 81.
Le réglage en fonction de la température excessive com- prend une ampoule 83 contenant du mercure et établie dans l'entrée de la turbine à haute pression, cette ampoule étant constituée de manière pouvoir fonctionner seulement quand une température de sé- curité de fonctionnement est dépassée. L'ampoule 83 est agencée de sorte qu'elle puisse ouvrir un clapet 84 formé par une demi-bille et monté sur un levier 85 articulé à une paroi d'une boîte 86. L' ampoule 83 est reliée à un tube 87, en forme de S, qui agit directe- ment sur le levier 85.
Une pression est maintenue dans un tube 88 à l'aide d'une source 89 d'un fluide sous pression et, aussi long- temps que la pression est maintenue par la fermeture du clapet 84, constitué par la demi-bille, un pointeau 90 est empêché de pénétrer dans le conduit de combustible 62 par un servo-piston sollicité par un ressort et logé dans une boîte de commande 91.
A l'extrémité, écartée de l'accélérateur 60, de la tige 64 est prévu un dispositif formant un pont, qui est fixé par deux sup- ports 92 sur la came, ce dispositif comportant un bilame 93 faisant fonction d'organe de réglage dépendant de la température ambiante.
Le bilame 93 est sensible à la température ambiante dans une zone comprise, par exemple, entre 15 et 50 et il sert, en fléchissant, à déplacer la came 65 le long de.son axe longitudinal.
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Il peut être nécessaire d'intercaler une transmission amplificatrice mécanique entre le bilame et la came.
Un dispositif contrôlant l'accélération, désïgné d'une manière générale par 100, comprend un pointeau 101 propre à pénétrer dans le conduit à combustible 62 en étant commandé par une membrane 102 et un ressort 107. La face supérieure (par rapport à la figure 6) de la membrane est soumise à la pression atmosphérique agissant par un trou 103, alors que sa face inférieure est sollicitée par la pression régnant à la sortie du compresseur, cette pression étant transmise par un trou 104. Pour diminuer les battements,. on a re- cours à un dash-pot à air 105 muni d'un piston 106 relié au pointeau 101.
Le dispositif de commande de la figure 7 fonctionne en re, lation directe avec la température régnant à l'entrée de la turbine à haute pression. Le rotor 8 de la turbine à haute pression, les ai- lettes des tuyères réglables 9 et leur mécanisme de réglage 81 ainsi que la turbine à basse pression 10 sont agencés comme pour le mode de réalisation du dispositif de la figure 6.
Pour ce mode de réalisation, le même dispositif sensible à la température, muni d'une ampoule à mercure 83, est utilisé mais, au lieu d'être réglé de manière à empêcher la production d'une tempé rature maximum excessive pour le cycle, ce dispositif est réglé de manière à maintenir le fonctionnement de l'installation à une tempé- rature maximum pour le cycle.., qui correspond approximativement à cel le intervenant à pleine charge même aux charges réduites. A la place d'un clapet 84, en forme de demi-bille., on monte sur le levier 85 un pointeau conique engagé dans l'extrémité supérieure d'un conduit 88 relié à un servo-cylindre 95 dans lequel peut coulisser un piston 96 solidaire d'une crémaillère 97 coopérant avec un pignon 98.
La crémaillère 97 est sollicitée par un ressort de compression 99 logé dans un guide 110. Un prolongement 111 du guide 110 agit comme une butée coopérant avec des rainures ménagées dans les faces latérales dé la crémaillère 97. Le pignon 98 agit à l'aide du mécanisme 81
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pour modifier le réglage des tuyèras 9.
Le mode de fonctionnemnt du dispositif de la figure 6 est le suivant. Pendant la gamme normale des charges, c'est-à-dire celles supérieures à la charge à laquelle la température tend à aug- menter à mesure que la charge diminue une modification de la posi- tion de l'organe d'étranglement n'exerce aucun effet sur la position des tuyères 9 puisque la carne 65 a un rayon constant sur à peu près les trois quarts de son pourtour, comme visible sur la figure 6A.
Dès que la charge descend au-dessous de la gamme mormale, la came
65 permet à la tige 71 de descendre (comme visible sur la figure 6) et, par conséquent, de réduire la section utile des tuyères de la quantité nécessaire à l'aide de la crémaillère 77, du pignon 78 et du mécanisme de réglage 81. Si la température ambiante varie, le bilame 93 déplace la came longitudinalement;, de sorte que la posi- tion des tuyères est modifiée légèrement sur toute la zone du fonc- tionnement. Pour des conditions exceptionnelles de la température ambinate, par exemple pour le fonctionnement dans les régions arc- tiques, la came peut être remplacée par une came ayant des dimensions généralement différentesmais une forme géométrique analogue.
Le dispositif de réglage en fonction d'une température excessive fonctionne seulement quand on s'approche d'une température maximum dangereuse pour le cycle et ce dispositif sert à interrom- pre l'écoulement du combu.stible vers le moteur à l'aide de l'aiguil- le 90 établie dans le conduit de combustible 62 01, suivant une va.- riante, en ouvrant un conduit (non montré) propre à recueillir le ' combustible en excès. Si le moteur accélérait trop brutalement, une quantité trop grande de combustible s'écoulerait vers la chambre de combustion si un contrôle de l'accélération n'était pas prévu.
Un effet de l'accélération brusque est une chute de la pression de sor- tie du compresseur et, à l'aide du ressort 107, la pression atmosphé- rique agissant sur la membrane 102 refoule le pointeau 107 dans'le conduit de combustible 62 et réduit ainsi le débit du combustible.
Dès que la pression de sortie augmente, elle refoule la membrane vers
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le haut, ce qui permet au débit du combustible de reprendre en con- cordance avec la position de l'accélérateur.
Le dispositif de commande, montré sur la figure 7, sert à modifier les réglages du gicleur en relation directe avec la tem- pérature régnant à l'entrée de la turbine à pression élevée. L'am- poule 83, contenant le mercure, est constituée de manière à écarter de peu le pointeau conique de son siège à la température à laquelle la température maximum du cycle doit être limitée. Le fluide sous pression fuit alors légèrement et les tuyères sont partiellement fer. mées. Si la charge continue à descendre, le levier 85 est déplacé davantage et on obtient une fuite plus grande et un étranglement supplémentaire de la section d'écoulement des tuyères. De cette ma- rière. le cycle maximum peut être maintenu sensiblement constant sur toute la gamme des charges réduites.
Quel que soit le dispositif utilisé pour déclencher le réglage, l'effet de la réduction de la section des tuyères à l'en- trée de la turbine à basse pression est d'augmenter le taux de com- pression de la turbine à basse pression et, comme cette turbine doit encore, en substance, effectuer le même travail la templérature des gaz admis diminue. Cette condition agit, à son tour sur la turbine motrice à haute pression et il en résulte une diminution de la tempé- rature à l'entrée de cette dernière.
Sur les graphique de la figure 8, la température maximum relative du cycle (T.M.R.) est indiquée en ordonnées et la puissance relative (P.R.) en abscisses. Une courbe 130, concernant le cycle de la turbine motrice à basse pression, est montrée en contraste avec une courbe 131 concernant le cycle de la turbine motrice à haute pression. L'avantage de la température maximum de cycle élevée pour le cycle de la turbine motrice à haute pression est montré claire- ment en contraste avec le cycle de la turbine motrice à basse pres- sion. Toutefois, aux faibles charges, la température est trop éle- vée pour que le fonctionnement soit satisfaisant, mais en réduisant la section des tuyères,à l'entrée de la turbine. de 10%, on obtient
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la courbe 132 en traits mixtes.
En utilisant les dispositifs de réglage tels que décrits., la chute brusque de la température maximum du cycle, résultant de la réduction de la section d'écoulement des tuyères de 10% est évi- tée et on suit la courbe 133 en traits interrompus. Il en résulte que le rendement thermique peut être maintenu à une valeur corres- pondant approximativement au rendement à pleine charge, même aux charges réduites. Ceci est,évidemment, particulièrement important pour des applications à des véhicules terrestres.