BE634363A

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Publication number: BE634363A
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Description

Turbine.

La présente invention concerne les turbines et, en par ticulier, celles convenant pour des démarreurs de moteur, par exem- ple des démarreurs du type utilisant des gaz chauds pour entraîner un rotor de turbine qui est accouplé, par une transmission multi- plicatrice de couple, à un organe rotatif d'un moteur, en particu- lier un moteur à turbine à gaz.

Il existe des démarreurs de moteur qui utilisent de l'énergie accumulée du type combustible générateur de gaz ou du type gaz comprimé, comportant des ajutages servant à diriger les gaz contre les ailettes d'un rotor de turbine pour transformer l'éner- gie potentielle accumulée dans les gaz en énergie cinétique.

Un agent propulseur solide en forme de cartouche est souvent utilisé pour produire des gaz moteurs chauds qui peuvent être à une pression de 1000 livres/pouce carré (70 kg/cm ) et à une

tempo rature de 2000 F (1093 C). Ces gaz chauds peuvent avoir sur les ailettes de la turbine dos effets nuisibles détériorant les ailette et affectant leur longévité. L'invention concerne en par- ticulier des dispositions pour le refroidissement des ailettes en vu d'augmenter leur longévité.

Suivant la présente invention, une turbine comprend un rotor comportant de= ailettes susceptibles d'être entraînées par un courant le fluide 'acteur dirigé contre les ailettes par au moins un ajutage qui est disposé et agencé de telle façon que le fluide mo- teur ne frappe qu'une surface limitée des ailettes, et un dispositif pour établir un écoulement de fluide secondaire qui entoure le cou- rant de fluide moteur débité par l'ajutage.

L'écoulement de fluide secondaire est avantageusement induit par le courant de fluide moteur, par exemple l'ajutage ou chaque ajutage est entouré par ur. tube éjecteur dont une extrémité communique avec une source de fluide secondaire et dont l'autre extrémité est placée tout près des ailettes. La seconde extrémité du tube éjecteur peut avoir une dimension radiale en substance égale à la dimension radiale des ailettes de la turbine.

Pour refroidir les racines et les pointes des ailettes de la turbine, le courant de fluide moteur, qui est normalement chaude peut être entouré par un fluide secondaire notablement plus froid. L'ajutage peut donc être disposé et agencé de telle façon que la surface des ailettes sur laquelle le courant de fluide moteur est projeté soit en substance à mi-distance entre les bords inté- rieur et extérieur des ailettes.

L'invention peut être mise en pratique-de différentes façons; on en décrira ci-après une forme d'exécution, à titre d'exemple, avec référence aux dessins annexés, dans lesquels; la fig 1 est une coupe axiale fragmentaire de la partie d'extrémité arrière d'un démarreur de turbine à gaz suivant l'inven- tion ; la fig. 2 est une vue semblable de la partie avant du démarreur représenté sur la fig, 1;

la fig. 3 est une coupe détaillée suivant la ligne III-III de la fig. 1; et, la fig. 4 est une vue schématique du démarreur et d'une conduite servant à l'alimenter de fluide comprimé à partir d'une source appropriée.

Les i'igs. 1 et 2 représentent ensemble un démarreur 20 qui comprend essentiellement deux sections principales 21, 22, la sec- @ tion 21 ,comprenant une turbine à gaz et un dispositif pour l'ali- menter de gaz, et la section 22 comprenant une transmission qui est entraînée par la turbine et qui transmet et amplifie le couple à appliquer au moteur à démarrer. L'invention concerne en particulier la section de turbine à gaz 21 et, quoiqu'une section de transmis- sion d'un type particulier ait été représentée, n'importe quelle transmission amplificatrice de couple appropriée peut être utilisée.

Les sections 21 et 22 sont contenues dans une enveloppe 23 qui peut être constituée d'un certain nombre de pièces coulées et de parties en tôle de forme appropriée pour contenir les diverses parties du démarreur.

La section turbine 21 comprend un rotor 24 comportant un arbre 25 qui s'étend d'un côté du rotor et qui tourillonne dans deux roulements à billes 26 montés dans un support 27 faisant par- tie de l'enveloppe 23,Ce support. ensemble avec d'autres parties en tôle, divise l'enveloppe en des chambres de rotor et de transmis- sion 28 et 30, respectivement, l'arbre 25 du rotor de la turbine se prolongeant dans la chambre de transmission 30.

Comme le montre la fig. 1 le démarreur comporte égale- ment un premier collecteur 31 destiné à recevoir de l'air à une pression atmosphérique ambiante, ou de l'air ou d'autres gaz à de pressions supérieures à la pression atmosphérique. Le démarreur est également pourvu d'un second collecteur 32, logé dans le premier ainsi que d'un mécanisme de culasse recevant et brûlant une cartou- che de combustible solide #3, la sortie de ce mécanisme communi- quant avec le second collecteur 32 à une fin décrite ci-après.

Comme le montrent les figs. 1, 2 et 3, le rotor 24 de la turbine comporte un grand nombre d'ailettes radiales circonférentiel- lement espacées 34 sur sa périphérie, ces ailettes étant cintrées en coupe transversale pour former des godets ou des passages appro- priés pour recevoir le gaz. Le gaz qui est projeté sur les ailettes ou qui passe entre celles-ci fait tourner le rotor et ce mouvement de rotation est transmis par la transmission à un arbre de sortie 35 situé à l'extrémité avant du démarreur (fig.2), l'arbre de sortie 35 étant muni de cannelures 35a servant à l'accoupler à une partie du moteur à démarrer.

Comme décrit plus haut, la transmission peut être de nom- breux genres différents. La transmission représentée sur la fig. 2 comprend un pignon 36 fixé à l'extrémité de l'arbre 25 du rotor de la turbine et engrenant un ou plusieurs pignons satellites 37. Chaque satellite est pourvu d'un arbre 38 tourillonnant dans des roulements 40 et 41 supportés dans des parties du support ou du boîtier du démarreur.

Les arbres 38 sont également pourvus de pignons 42 de plus petit diamètre que les pignons 37 et engrenant une couronne dentée intérieure 43 supportée par un corps rotatif tubulaire 44 Le corps rotatif 44 est claveté en 45 à un disque 46 formé par une bride d'une douille 47 tournant sur un roulement 48. La douille 47 forme une partie intérieure d'un accouplement à roue libre 50 qui coopère avec un second organe 51 situé à l'ex- térieur du premier. Un prolongement tubulaire 52 du second organe 51 tourillonne dans un roulement 53 supporté dans le boîtier 23.

L'arbre de sortie 35 est solidarisé, par des cannelures ou autrement, du prolongement tubulaire 52.

Il ressort de la brève description de cette transmission que lorsque le pignon 36 est entraîné en rotation, le mouvement de rotation est transmis par l'engrenage et l'accouplement à roue libre à l'arbre de sortie 35, et par suite de la différence des dia- mètres des pignons, des satellites 37 et de la couronne dentée, le couple fourni par le pignon 36 est amplifié et transmis, au moteur

à démarrer par la roue de sortie 35. Lorsque le moteur démarre, l'accouplement à roue libre 50 permet à l'arbre 35 et aux parties qui y sont directement relises de tourner, tandis que les autre. parties du démarreur s'immobilisent.

Pour faire tourner le rotor de la turbine, on charge le mécanisme de culasse 33 d'une cartouche qui y est représentée en traits pointillés sur la fig. 1. Le gaz débité par la culasse 33 dans le second collecteur 32 est envoyé contre les ailettes du rotor par un certain nombre d'ajutages supersoniques 54 qui sont dirigés du second collecteur vers les ailettes du rotor, les ajuta- ges formant un angle aigu d'eniron 20 avec le plan de rotation du rotor Cette relation angulaire est représentée en détail sur la fig. 3.

Les ajutages 54 font corps avec le collecteur 32 ou y sont fixés de façon à être supportés à une certaine distance des ailettes du rotor, cette distance étant telle que les courants de gaz sor- tant des ajutages n'aient pas le temps de diverger dans une grande mesure avant d'attaquer les ailettes du rotor.

On remarquera sur la fig. 1 que les axes des ajutages 54 sont disposés en substance à mi-hauteur des ailettes du rotor.

Cet emplacement a été choisi à une fin qui sera décrite ci-après.

Comme le montrent les figs. 1 et 3, les extrémités de sor- t i e 55 des ajutages 54 sont placées dans les extrémités d'entrée évasées 56 d'ajutages ou.tubes éjecteurs secondaires 57, ces tubes étant supportés dans le collecteur 31 par une cloison 58 convenable- ment fixée à une partie du boîtier du démarreur. Les axes longitudi naux des ajutages secondaires 57 sont en ligne avec les axes des ajutages primaires 54 de façon que les courants de gaz sortant des ajutages primaires soient dirigés par les ajutages secondaires avant d'être projetés sur les ailettes. Cet écoulement des gaz induit un écoulement d'air ou d'un autre gaz du premier collecteur ou col- lecteur extérieur 31 vers les ailettes du rotor de la turbine.

Comme mentionné plus haut, les ajutages 54, sont placés de façon que les jets de gaz ne divergent pas, de sorte qu'il ne se produit qu'un

minimum de gaz et d'air dans le passage de ces fluides dans les ajutages secondaires 57, Comme le montre la fig. 3, les ajutages secondaires se terminent tout près du côté du rotor 24. Comme les axes des ajutages 57 forment un angle aigu avec le plan de rotation du rotor, les extrémités de sortie de ces ajutages sont coupées en- sifflet pour venir tout contre les ailettes de la turbine. La fig.l montre que le diamètre ou la dimension transversale de l'extrémité de sortie de chaque ajutage secondaire est en substance égal à la longueur ou la hauteur des ailettes du rotor de la turbine.

Tout le fluide sortant des ajutages est ainsi projeté contre les ailettes pour faire tourner le rotor de la turbine.

Il a été dit qu'un des buts de l'invention est d'entourer les courants de gaz chauds d'une couche d'air ou d'autres gaz plus froids. Ces courants de gaz ont ainsi une âme à température élevée entourée d'une couche de gaz plus froids. La disposition des ajutages primaires décrits plus haut place donc les courants de gaz chauds en des points intermédiaires des ailettes du rotor de la turbine tandis que les gaz plus froids frappent les racines et les pointes des ailettes. Par suite de l'espacement circonférentiel des ajutages 54. les points du rotor attaqués par les gaz chauds sont également espacés sur la circonférence du'rotor; cela étant; à mesure que le rotor tourne, les parties médianes des ailettes passent alternativement par les gaz chauds et par des régions de gaz plus froids situées sur le même rayon.

Mais les racines et les poin- tes ne reçoivent que les gaz plus froids. On peut ainsi utiliser des gaz à la température maximum tout en maintenant les ailettes à destempératures de fonctionnement n'offrant pas de danger. En maintenant les ailettes du rotor à une température relativement peu élevée, on les empêche de s'éroder ce qui se produit couramment lors- qu'on utilise des gaz de cartouche sans agent de refroidissement.

La longévité du rotor est ainsi prolongée ainsi que celle du démar- reur.

Les cartouches utilisées pour faire fonctionner le démar- reur peuvent être conçues pour produire des pressions de gaz extré- marnent élevées, de l'ordre de 1000 livres/pouce carré (70 kg/om2) ou plus. Ces gaz peuvent également atteindre ou dépasser des températu- res de 20000F (1093 C). L'aspiration de l'air secondaire ne prend que peu ou même pas de force aux courants de gaz chauds ; cela étant, aucune puissance n'est sacrifiée.

Ce démarreur a été conçu pour un fonctionnement mixte; c'est-à-dire que la turbine peut être entraînée par les gaz d'une cartouche avec de l'air secondaire, comme décrit plus haut, ou par de l'air ou du gaz sous pression provenant d'une source appro- priée quelconque, comme une bouteille d'air ou de gaz comprimé, un autre moteur, ou un engin sur roues comportant un compresseur approprié. L'air ou le gaz des bouteilles a aussi une pression éga- le ou supérieure à celle des gaz produits par les cartouches. Il est amené au collecteur 32 et sort de l'ajutage 54 en servant, com- me les gaz de cartouche, à induire un écoulement d'air ambiant à travers les ajutages secondaires 57 et ainsi à augmenter le débit pondéral de gaz appliqué au rotor de la turbine.

Pour faire fonc- tionner le démarreur lorsqu'il est alimenté d'air sous pression provenant d'un autre moteur ou d'un engin monté sur roues, le pre- mier collecteur ou collecteur extérieur 31 est pourvu d'une entrée
60 à laquelle une conduite 61 venant de cet engin ou moteur peut être raccordée. Cette conduite, comme le montre la fig. 4, est pourvue d'une valve appropriée 62 pour commander le passage de l'air comprimé au collecteur 31. Le collecteur est également pourvu d;une autre entrée 63 qui est munie ici d'un clapet 64. Ce clapet peu' être normalement sollicité vers une position ouverte par un peti, ressort 65 qui lui permet de se fermer lorsque l'air comprimé est injecté dans le collecteur 31.

Lorsqu'on utilise des gaz de cartou- che ou des gaz en bouteilles, l'entrée ouverte 63 permet à l'air am- biant de passer, sans étranglement notable, vers les ajutages secon- daires ou tubes éjecteurs.

Il est clair que l'on peut utiliser plusieurs entrées 63 et plusieurs clapets de retenue 64, si on le désire. Ces'clapets de retenue se ferment lorsque de l'air sous pression est amené au collecteur par la conduite 61 et cet air passe par les ajutages , secondaires et est dirigé contre les ailettes du rotor de la turbi- ne pour le faire tourner. Ainsi, de l'air sous pression provenant d'une source appropriée quelconque peut être utilisé pour faire fonctionner le démarreur sans nécessiter des gaz de cartouche.

Il est à remarquer aussi qu'en fournissant de l'air sous pression au collecteur, on peut utiliser la turbine comme moteur auxiliaire pour entraîner un générateur électrique ou un autre mécanisme action- né par force motrice.

REVENDICATIONS.

1 - Turbine comprenant un rotor à ailettes susceptible d'être entraîné par un courant de fluide moteur projeté contre ces ailettes par au moins un ajutage qui est disposé et agencé de façon que le fluide moteur ne frappe qu'une zone limitée des ailettes, et des moyens pour établir un écoulement de fluide secondaire qui en- toure le @ arant de fluide moteur de l'ajutage.

Claims

2 - Turbine suivant la revendication 1, caractérisée en ce que l'écoulementde fluide secondaire est induit par le courant de fluide moteur.

3 - Turbine suivant la revendication 2, caractériséeen ce que l'ajutage ou chaque ajutage est entouré par un tube éjecteur dont une extré..iité communique avec une source de fluide secondaire et dont la seconde extrémitéest proche des ailettes de la turbine.

4 - Turbine suivant la revendication 3. caractérisé en ce que la seconde extrémité du tube éjecteur a une dimension radiale en substance égale à la dimension radiale des ailettes du rotor de la turbine. <Desc/Clms Page number 9>

5 - Turbine suivant l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce que le courant de fluide moteur est chaud et la fluide secondaire est notablement plus froid.

6 - Turbine suivant l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce que l'ajutage est disposé et agencé de telle façon que la région des ailettes que le courant de fluide moteur frappe soit située en substance à mi-distance entre les bords intérieur et extérieur des ailettes.

7 - Turbine suivant la revendication 6, caractérisée en ce que le codant secondaire est projeté contre le restant de la surface des ailettes.

8 - Turbine suivant l'une ou l'autre des revendications précédentes, caractérisée en ce qu'elle comprend une série d'ajuta- ges pour du fluide moteur circonfrentiellement répartis autour du rotor de la turbine.

9 - Turbine suivant les revendications 3 et 8, caracté- risée en ce qu'elle comprend un collecteur annulaire communiquant avec une source de fluide secondaire, chaque tube électeur communi- quant avec le collecteur annulaire.

10 - Turbine suivant l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce que le fluide moteur est débité par une cartouche de combustible solide.

11 - Turbine suivant la revendication 8 ou 9, ou les revendications 9 et 10, caractérisée en ce que chaque ajutage part d'une chambre annulaire communiquant avec la source de fluide moteur.

12 - Turbine suivant l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce que l'ajutage ou chaque ajutage est incliné de manière à former un angle aigu avec le plan du rotor.

130 Turbine suivant la revendication 12, caractérisée en ce que cet angle est d'environ 20 .

1.4- Turbine suivant la revendication 9, caractérisée en ce qu'elle comprend deux sources de fluide secondaire, l'une étant <Desc/Clms Page number 10> l'air ambiant qui peut pénétrer dans le collecteur annulaire par une valve de retenue, et l'autre étant une source de gaz comprimé qui, si on l'utilise, ferme la valve de retenue.

15 - Turbine suivant l'une quelconque des,revendications précédentes, caractérisée en ce que le rotor de la turbine est relié à un arbre d'entraînement qui entraine à son tour un arbre de sortie par une transmission démultiplicatrice.

16 - Turbine suivant l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce qu'elle est incorporée dans un méca- nisme do démarreur de moteur.

17 - Turbine, en substance comme décrit avec référence aux figs.- 1 et 3 des dessins annexés.

18 - Démarreur de moteur à turbine à gaz, en substance coiffe décrit avec référence aux dessins annexés.