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INSTALLAT,ION DE FORCE MOTRICE. COMPORTANT AU MOINS UN AUTO-GENERATEUR A
PISTONS LIBRES.
L'invention est relative à une installation de force motrice comportant au moins un auto-générateur à pistons libres qui produit, à débit et à pression variables des gaz moteurs qui servent à alimenter une turbine à gaz.
Dans ces installations, la pression des gaz moteurs fournis par l'au to-générateur ainsi que la masse de ces gaz augmentent, lorsque la charge de la turbine à gaz augmente, et diminuent, lorsque cette charge diminue.
L'adaptation de la pression et de la quantité de gaz.débitée par l'au- to-générateur à la demande de la turbine se fait automatiquement;, pour tous les régimes supérieurs à une puissance donnée, par le simple réglage de la quantité de combustible injectée par cycle dans l'auto-générateur.
Cependant, lorsque la puissance et, par conséquent, la pression des gaz débités par l'auto-généra- teur deviennent inférieures à une certaine valeur déterminée, la quantité des gaz qui peut être absorbée par la turbine devient inférieure à la quantité mi- nimum que 1-'auto-générateur doit débiter, en raison du fait que 1?équipage ou les équipages mobiles constitués par les pistons libres de 1-'auto-générateur doivent toujours accomplir une course minimum, afin d'ouvrir d'une façon suffi- sante les ouvertures d'échappement et d'admission du cylindre moteur, ouvertu- res qui sont commandées par l'équipage ou les équipages mobiles de l'auto-géné- rateur.
On a, par conséquent, déjà muni une installation du genre en question d'une ouverture d'échappement située en amont de l'entrée dans la turbine et commandée par les moyens de réglage, afin de permettre l'échappement d'une par- tie des gaz avant leur arrivée à la turbine,lorsque la puissance devant être fournie par la turbine et, par conséquent, la pression de débit du générateur descendent au-dessous d'une valeur déterminée, Dans ces installations connues, l'échappement se fait généralement directement dans l'air ambiant.
Par contre, l'installation selon l'invention est caractérisée par le fait que l'ouverture d'échappement est reliée à l'admission d'une deuxième turbine, constituée par au moins une roue de turbine, qui est entraînée ainsi par les gaz qui se sont
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échappés par cette ouverture.
Selon un mode d'exécution particulièrement intéressant et convenant surtout pour l'entraînement d'un bateau, on dispose la deuxième turbine de fa- çon telle qu'elle fournisse un couple dont le sens est opposé au sens du couple ,fourni par la première turbine, l'une de ces turbines servant pour la marche avant et l'autre turbine servant pour la marche arrière.
Dans ce dernier cas, chacune des deux turbines peut constituer, pour certains régimes, la turbine principale qui détermine le sens d'entraînement du bateau, tandis que l'autre turbine est celle qui reçoit le surplus de gaz intervenant lorsque la puissance requise est inférieure à une valeur détermi- née et que, par conséquent, une partie des gaz débités par l'auto-générateur doit s'échapper avant d'arriver à la turbine principale.
Dans ce cas, il est avantageux que les conduits qui relient l'auto- générateur à pistons libres aux entrées des deux turbines comportent un organe de commande qui est agencé de façon telle qu'il assure l'alimentation de l'une des turbines seulement et la fermeture de l'alimentation de l'autre turbine aus- si longtemps que la puissance devant être fournie par l'installation et par con- séquent la pression des gaz'débités par l'auto-générateur sont supérieures à des valeurs déterminées, tandis que cet organe provoque l'alimentation simulta- née, à des pressions variables, des deux turbines, lorsque la puissance et la pression sont inférieures auxdites valeurs déterminées.
La figure 1 du dessin ci-annexé montre, à titre d'exemple et schémati- quement, une installation établie selon l'invention et destinée à l'entraînement de l'hélice d'un bateau.
Les figures 2 et 3 montrent des diagrammes destinés à faciliter la com- préhension du fonctionnement d'une installation établie selon l'invention.
La figure 4 montre une variante de l'installation représentée par la figure 1.
En-ce qui concerne l'auto-générateur de l'installation représenté par la figure 1, on'lui fait comporter, ainsi que cela est connu, un cylindre mo- teur 1 dans lequel travaille au moins un piston moteur 2, de préférence selon le cycle DIESEL à deux temps, ce piston commandant les ouvertures d'entrée 3 et d'échappement 4 du cylindre moteur 1.
On rend solidaire dudit piston moteur 2 un piston compresseur 5, l'en- semble des deux pistons constituant un équipage mobile. On fait travailler le piston compresseur 5 dans un cylindre compresseur 6 dont l'un des comparti- ments, par exemple celui situé du cêté intérieur du piston 5, sert de compres= seur proprement dit et est muni, par conséquent, de soupape d'admission 7 et d'échappement 8, tandis que l'autre compartiment sert d'accumulateur d'énergie de retour qui-.emmagasine l'énergie développée dans le cylindre moteur, pendant la course vers l'intérieur, et assure, en restituant l'énergie accumulée aux équipages mobiles,
la course vers l'intérieur de cet équipage lors de laquelle a lieu la compression de l'air aspiré dans le compartiment compresseur et le refoulement de cet air dans le carter 9 de l'auto-générateur,ainsi que la com- pression de l'air de combustion qui se trouve emprisonné dans le cylindre-mo- teur après fermeture des ouvertures 3 et 4 de ce dernier.
A la fin de la course vers l'intérieur, a lieu l'injection de combus- tible dans l'air hautement comprimé dans le cylindre moteur, cette injection ayant lieu à l'aide d'un injecteur 10 alimenté par une pompe de combustible 11 qui, elle, est entraînée par l'équipage mobile 2-5, par l'intermédiaire d'une tige 12 solidaire dudit équipage, d'une biellette 13 et d'un levier 14.
Le réglage de la quantité du combustible injecté par cycle est effectué à l'aide d'une tige de réglage 15 faisant, par exemple, tourner, ainsi que cela est con- nu, le piston de la pompe d'injection 11 autour de son axe et dont les mouve- ments sont limités par un organe comportant deux surfaces de butée 16 laissant entre elles un intervalle dans lequel peut se déplacer un organe de contact 17 qui est relié, d'une part, à la tige 15 et, d'autre part,à un piston 18 qui travaille dans un cylindre 19 à l'intérieur duquel règne la pression de l'air se trouvant dans le carter 9,cette pression étant la pression d'alimentation
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du cylindre moteur 1 et correspondant à la pression des gaz moteurs qui s'é- chappent à la fin¯de chaque course vers l'extérieur de l'équipage mobile, par les ouvertures 4, dans un réservoir intermédiaire 20.
De ce réservoir, les gaz sont amenés, à l'aide de conduits 21 et 29, à l'admission 22 d'une turbine de marche avant ayant plusieurs roues 23 et servant à entraîner, par l'intermédiaire d'un dispositif réducteur 26, l'héli- ce 27 d'un bateau..,
Les conditions de marche d'un auto-générateur à pistons libres alimen- tant une turbine sont représentées par les courbes du diagramme de la figure 2. Dans ce diagramme, les abscisses représentent les pressions et les ordonnées représentent les quantités (en poids) des gaz moteurs débités par l'auto-géné- rateur.
La courbe 1 représente le débit maximum de l'auto-générateur, en fonc- tion de la pression, et la courbe II représente le débit minimum de l'auto-gé- nérateur, en fonction de la pression, ce débit minimum étant déterminé par le fait que l'équipage mobile ou les équipages mobiles de l'auto-générateur doi- vent, de toute façon, accomplir une course suffisamment longue pour découvrir d'une façon suffisamment importante, à la fin de leur course vers l'extérieur, les ouvertures d'admission et d'échappement du cylindre moteur.
La courbe III de la figure 3 montre la demande en gaz moteurs de la turbine, pour les différentes pressions de marche dont la pression maximum est la pression Pm, ces pressions de marche indiquant en 'même -temps la puissance. que la turbine doit fournir.
On voit, d'après ce diagramme, que le débit de l'auto-générateur, ne peut être adapté à la demande de la turbine qu'entre la pression maximum Pm et une pression Pa qui correspond au point d'intersection A des courbes II et III. Pour les faibles puissances, voire pour la marche à vide de la turbine, il faut évacuer une partie des gaz fournis par l'auto=générateur, à l'aide d'un by-pasr. Ce by-pass, désigné par 30, au lieu de laisser échapper le surplus de gaz directement à l'air libre, amène, selon l'invention, ce surplus à l'admission 24 d'unedeuxième turbine 25 pouvant être constituée parune seule rouede turbine.
Selon un mode de réalisation particulièrement avantageux, la roue.de turbine 25 constitue la turbine de marche arrière pour l'hélice 27 du bateau et peut être,à cet effet, montée sur le même arbre que les roues de la turbi- ne 23
Bien entendu, avec la disposition qui vient d'être décrite, il est pos- sible non seulement d'utiliser, lors de la marche, avant à faible puissance et basse pression, la turbine 25 comme machine réceptrice du surplus de gaz qui ne peut pas être reçu par la turbine 23, mais également d'utiliser, lors de la mar- che arrière, la turbine'23 comme machine réceptrice du surplus qui, pour les basses puissances, ne peut pas être reçu par la turbine 25. Dans ce dernier cas, le conduit 29 est le conduit de by-pass pour le conduit 30.
Pour fermer, pour chacune des deux turbines, le conduit de by-pass., aussi longtemps que chacune d'elles travaille à pression relativement élevée et fournit une puissance relativement élevée et pour répartir d'une façon va- raible, pour les basses pressions et les basses puissances, les quantités de gaz qui arrivent simultanément aux deux turbines, il est disposé, à l'endroit où les deux conduits 29 et 30 sont reliés'au conduit d'alimentation. 21, un or- gane de réglage, par exemple, un clapet 31 qui, ou bien, ferme entièrement l'ar- rivée des gaz moteurs à l'une ou à l'autre des deux turbines, pour n'assurer l'alimentation que d'une seule de celles-ci,.
ou bien, assure l'alimentation si- multanée des deux turbines à des proportions variables, lorsque la puissance et la pression à fournir par l'installation sont supérieures aux valeurs corres- pondant à la pression Pa.
La courbe IV de la figure 2 montre la .consommation en gaz moteurs de l'ensemble des deux turbines 23 et 25, dans la période où le volet 31 se trouve dans une position intermédiaire qui permet aux gaz moteurs de passer à la fois par les deux turbines et de s'échapper par le conduit d'échappement commun 28.
On voit que la courbe IV coupe la ligne II du débit minimum de l'auto-générateur en un point A1 auquel correspond la pression p1a. La même courbe IV coupe la
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ligne I en un point Bl auquel correspond la pression p1m.
On voit donc qu'il n'est pas nécessaire d'ouvrir un by-pass distinct, aussi longtemps que la pression de débit du générateur est égale ou supérieure a p a. Cette près-ion est généralement suffisamment basse pour rendre super- flue la prévision d'un tel by-pass distinct, ou, au moins, si un tel by-pass existe, l'échappement des gaz, en empruntant le chemin qui, alors, est ouvert par ledit by-pass, a lieu très rarement.
En effet, pour les marches à puissan- ce réduite telles qu'elles se présentent, notamment lors des périodes de ren- versement de marche, on place le volet 31 dans une position intermédiaire,de sorte que les deux turbines de marche avant et de marche arrière sont alimentées en gaz moteurs et on détermine les quantités de gaz qui arrivent à chacune de ces turbines, de façon à ¯obtenir une différence de couple sur l'hélice 27 qui corresponde au couple voulu.
Le fonctionnement de l'installation qui vient d'être décrit est illus- tré par le diagramme de la figure 3. Dans ce diagramme, on a indiqué, sur les abscisses à partir du point 0 vers la gauche les puissances Par en marche arriè- re et, vers la droite, les puissances Pav en marche avant. Les ordonnées indi- quent les pressions. La courbe V indique les pressions de gaz débitées par l'auto-générateur.
Lorsque le bateau est en marche avant et nécessite, pour sa propulsion, des puissances relativement élevées, les pressions de débit du générateur .sont pratiquement identiques aux pressions d'alimentation de la turbine 23 et se si- tuent entre la pression maximum pm et la pression pa qui limite vers le bas la zone à l'intérieur de laquelle la turbine 23 peut recevoir la totalité des gaz fournis par l'auto-générateur. Les puissances correspondant auxdites pressions pm et pa sont indiquées, dans la figure 3, par Pm et Pa. Aussi longtemps que les puissances demandées à la turbine 23 se trouvent comprises entre Pa et Pm, le volet 31 ferme entièrement le conduit 30 et n'ouvre que le conduit 29.
Lorsque la puissance demandée à la turbine 23 devient inférieure à la puissance Pa, on ouvre le volet 31 de sorte qu'une partie des gaz débités par l'auto-générateur à une pression inférieure à pa peuvent s'échapper, à travers le conduit 30, vers la turbine 25. Cette turbine est ainsi alimentée en gaz et fournit un contre-couple qui s'oppose au couple produit par la turbine 23, ce qui permet de réduire rapidement la puissance avec laquelle l'hélice 27 est entraînée. Par suite de l'ouverture du conduit 30 et de l'effet de laminage provoqué par le volet 31, les pressions d'admission dans les turbines 23 et 24 ne sont plus .égales à la pression de débit de l'auto-générateur mais sont in- férieures à cette dernière pression.
Les pressions d'alimentation des deux tur- bines, lorsque les deux conduits 29 et 30 sont simultanément ouverts, sont re- présentées, pour ce qui est de la turbine 23, par la courbe VI et, pour ce qui est de la turbine 25,par la courbe VII.
Entre les points Px et Py, les puissances des deux turbines s'équili- brent au frottement près, de sorte que la puissance d'entraînement de l'hélice 27 est-pratiquement zéro dans cette zone; au point-0 qui se trouve au milieu entre Px et Py, les couples desdeux turbines sont identiques, Dans la zone, entre Py et px,la pression des gaz fournis par l'auto-générateur est égale à Pal. La totalité des gaz débités peut donc passer toujours par les deux tur- bines 23 et 25, sans qu'il soit nécessaire d'ouvrir un by-pass particulier.
Si, après un arrêt entre Px et Py, on veut partir en marche arrière, on continue àdéplacer le volet 31 dans le sens d'une fermeture progressive du conduit 29 et d'une ouverture progressive du conduit 30. C'est maintenant la puissance de la turbine 25 qui devient prépondérante et c'est le conduit 29 qui constitue le by-pass qui laisse échapper, vers la turbine 23, le surplus des gaz moteurs que la turbine 25 ne peut pas recevoir aussi longtemps que la puis- sance demandée à la turbine .de marche arrière n'est pas devenue au moins égale à la puissance Pal correspondant à la pression de débit pa du générateur,
Lorsque la puissance demandée à la turbine de marche arrière devient encore supérieure à Pals le volet 31 ferme entièrement le conduit 29 et n'ouvre que le conduit 30,
tandis que la pression de débit de l'auto-générateur peut monter jusqu'à la pression Pm qui correspond à la puissance maximum Pm1 de la
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turbine de marche arrière.
Il est à noter que le fait que Pm est plus grand que Pm1, que Pa est, plus grande que Pal et que le point d'intersection entre les courbes VI et VII est décalé vers la droite, est dû au meilleur rendement de la turbine 23 par rapport à celui de la turbine 25. On réalise donc ainsi trois zones de réglage la première entre les puissances Pa et Pm de la turbine de marche avant, dans laquelle la turbine de marche.avant reçoit la totalité des gaz débités par l'auto=générateur et dont la pression se trouve entre les valeurs pa et Pm, la deuxième entre les puissances Pal et Pm1 de la turbine de marche arrière et dans laquelle cette dernière turbine reçoit également la totalité des gaz débités,
gaz dont la pression se trouve également entre les valeurs pa et pm et la troi- sième entre les puissances Pal et Pa et dans laquelle les deux turbines sont alimentées simultanément par les gaz débités par l'auto-générateur, les pressions de débit de l'auto-générateur dans cette dernière zone se trouvant entre les va- leurs pal et pa et dans laquelle l'une ou l'autre des deux turbines sert à re- cevoir le surplus des gaz.
L'installation selon l'invention permet des transitions rapides de la marche avant vers la marche arrière et inversement. Pour les courts arrêts, on n'a pas besoin d'arrêter l'auto-générateur mais on règle les quantités de gaz alimentant les deux turbines de marche avant et de marche arrière de façon telle que les couples exercés par les deux turbines soient égaux, et, par consé- quente le couple résultant égal à zéro.
Les manoeuvres sont ainsi de beaucoup facilitées et sont exécutées avec un rendement de l'installation très favorable.
En ce qui concerne les moyens à l'aide desquels on commande,d'une part le volet 31 èt, d'autre part, la tige de réglage 15 de la pompe d'injection 11 de 1'auto=générateur, ces moyens peuvent être séparés., ainsi que cela a été in- diqué dans la figure 1 selon laquelle le volet 31 est actionné par une tringle- rie comportant une tige filetée 32 qui peut tourner à l'intérieur d'un écrou 33, sous réaction d'un volant 34, tandis que la tige de réglage 15 est action- née par un volant 35 qui commande une tige filetée 36 reliée à ladite tige 15.
Il est cependant préférable d'avoir recours à un seul organe de commande qui ac- tionne à la fois le volet 31.et la tige de réglage 15. La variante représentée par la figure 4 est munie d'un tel organe de commande unique.
Dans cette figure, on a désigné par les mêmes chiffres les éléments qui sont utilisés d'une façon analogue dans l'installation représentée par la figure 1.
Pour actionner la tige de réglage 15 et une soupape 31a qui a exacte- ment le même fonctionnement que le volet 31 de la figure.l, l'installation se- lon la figure 2 comporte une came 46 dont l'axe 47 peut être mis en rotation à partir d'un volant 48 par l'intermédiaire d'une vis sans fin 49 et d'un sec- teur denté 50. Cette came agit,d'une part, par l'intermédiaire d'un levier à sonnette 51, d'une tige 52, d'un deuxième levier à sonnette 53 et d'un dispo- sitif élastique 37 (dont il sera plus explicitement parlé ci-après), sur ladite tige de réglage 15 et, d'autre part, par l'intermédiaire d'un levier à sonnette 54, d'une tige 55 et d'un levier basculant 56, sur la tige 57 de la soupape. 31a.
Des ressorts 58 et 59 assurent l'appui, contre le bord de la came 46, des rou- leaux qui sont montés aux extrémités respectives du levier 51 et du levier 54.
Lorsque la came 46 est dans la position moyenne telle que représentée par la figure 4, le levier 51 coagit avec la zone "a" du bord de la came, zone qui cons- titue un arc de cercle autour de l'axe 47, et pour laquelle la tige de réglage 15 de l'auto-générateur se trouve dans une position correspondant à l'injection minimum de combustible.
Pour cette même position moyenne, le levier 54 est en contact avec la zone "a1" du bord de la came pour laquelle la soupape 31a ouvre à la fois les deux conduits 29 et 30. Aussi longtemps que les zones "a" et "a1" de la came 46 agissent sur les leviers 51 et 54, on se trouve dans la zone entre les puis- sances Pa et Pal, zone dans laquelle la quantité de combustible injectée dans l'auto-générateur reste constamment maintenue à sa valeur minimum, tandis que
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les deux conduits 29 et 30 sont ouverts simultanément, les sections d'entrée li- bres de ces deux conduits étant pourtant variables, selon les diverses positions de ladite soupape.
Si on tourne la came 46 de façon telle que le levier 51 coopère avec la zone "b" de la came, tandis que le levier 54 coopère avec la zone bl, l'ins- tallation fonctionné'dans la zone de puissance entre Pa et Pm (figure 3) pour laquelle le conduit 29 est complètement ouvert et le conduit 30 est complètement fermé, tandis que la tige 15 est déplacée dans le sens d'une augmentation de lin- jection du combustible, au fur et à mesure qu'on tourne la came 46 dans le sens contraire au sens des aiguilles d'une montre, afin d'augmenter la puissance.
Si on tourne,par contre la came 46 de façonà mettre l'extrémité du levier 51 en contact avec la zone "c" et l'extrémité du levier 54 en contact avec la zone ci de la came, l'installation fonctionne dans la zone de puissan- ce Pal à Pml (figure 3), c'est-à-dire que dans cette dernière zone, le conduit 29 est entièrement fermé, tandis que la quantité du combustible injecté augmen- te au fur et à mesure qu'on tourne la came dans le sens des aiguilles d'une mon- tre.
Le dispositif élastique 37 qui est inséré, dans les deux installations représentées respectivement par les figures 1 et 4, entre l'organe de réglage 15 de la pompe d'injection et son organe d'actionnement est nécessaire, pour que les limites qui sont imposées aux mouvements de la tige 15 par les surfaces de butée 16 soient'respectées. Ce dispositif élastique peut être constitué par une douille 37 solidaire de la tige 36 en ce qui concerne ses mouvements longi- tudinaux seulement. A l'intérieur de la douille 37, se trouve un ressort à boudin 38 dont les extrémités s'appuient contre des disques 39-40 dont le mouve- ment vers l'extérieur, sous la pression du ressort, 38, est limité par des bu- tées 41, 42 de 13. douille 37.
Deux autres butées 43, 44 sont fixées sur une ti- ge 45 qui, d'une part, traverse les disques 39, 40 et le ressort à boudin 38 et, d'autre part, est reliée à la tige 15. De cette façon, chaque fois que la tige 15 se trouve arrêtée par les surfaces de butée 16, dans l'un ou dans l'autre sens,le ressort 38 se trouve comprimé, si on donne à la tige filetée 36 (figure 1) ou à la tige 52 (figure 4) un mouvement axial qui dépasse le mouvement admissible de la tige 15.
Comme il va de soi et comme il résulte d'ailleurs déjà de ce qui pré- cède, l'invention ne se limite nullement à celui de ses modes d'application non plus qu'à ceux des modes de réalisation de ses diverses parties ayant été plus spécialement envisagés; elle en embrasse, au contraire, toutes les variantes.
REVENDICATIONS.
1. - Installation de force motrice comportant au moins un auto-généra- teur à pistons libres qui produit, à débit et pression variables., des gaz mo- teurs qui servent à alimenter une turbine à gaz, cette installation comportant en outre une ouverture d'échappement située en amont de l'entrée dans la turbi- ne et commandée par des moyens de réglage, cette ouverture permettant de laisser échapper une partie des gaz avant leur arrivée à la turbine lorsque la puissan- ce devant être fournie par la turbine et, par conséquent, la pression de débit du générateur descendent au-dessous d'une valeur déterminée, caractérisée par le fait que l'ouverture d'échappement est reliée à l'admission d'une deuxième turbine constituée par au moins une roue de turbine qui est entraînée ainsi par les gaz qui se sont échappés par cette ouverture.