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GROUPES MOTEURS A TURBINE A COMBUSTION INTERNE.
Cette invention est relative aux groupes moteurs à turbine à combustion interne qui ne doivent fonctionner à pleine puissance que pen- dant un faible pourcentage de leur temps de service et plus particulière- ment aux groupes moteurs à turbine à combustion interne pour avions ou vé- hicules routiers ou ferroviaires.
Lorsque des véhicules et avions sont munis de turbines à combustion interne, il est désirable, mais habituellement difficile, d'in- clure entre le compresseur et la ou les chambres de combustion un échangeur de chaleur pour préchauffer l'air comprimé,la chaleur à cette fin étant, prise aux gaz d'échappement de la turbine qui traversent l'échangeur de 'char- leur avant d'être déchargés dans l'échappement.
Avec une pareille disposition, l'air aspiré par le compres- seur est comprimé par celui-ci et par conséquent subit un certain échauffe- ment et il passe ensuite d'un côté de l'échangeur de chaleur de n'importe quel type conventionnel et qui peut, par exemple, être constitué par une série de tubes traversant une enveloppe extérieure dans laquelle les gaz brû- lants d'échappement de la turbine sont forcés de circuler.. ces gaz étant dé- viés ou obligés de circuler autour des tubes pour assurer un bon échange'de chaleur. L'air comprimé traversant les tubes de l'échangeur de chaleur est préchauffé par conduction par les parois de ces tubes et l'air préchauffé pénètre dans la ou les chambres de combustion où il reçoit encore de la cha- leur par la combustion du combustible.
Les gaz sortant de la ou des cham- bres de combustion se détendent ensuite dans la turbine -pour effectuer un travail utile et ils quittent la turbine sous une pression légèrement supé- rieure à la pression atmosphérique. Au lieu d'être déchargés directement dans l'échappement, les gaz brûlés chauds sont dirigés par des conduits vers l'au- tre côté de l'échangeur de chaleur où, comme il a été décrit ci-dessus, ils @
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circulent autour des tubes à l'intérieur desquels l'air passe et après avoir cédé une grande partie de leur chaleur, ils passent à l'échappement. La cha- leur ainsi extraite des gaz d'échappement de la turbine procure une économie de combustible approximativement équivalente.
Ce système bien connu incorporant le réchauffage de l'air comprimé dans un échangeur de chaleur peut être appliqué avec succès dans des centrales ou autres installations fixes. Cependant, lorsqu'on désire appli- quer le principe de l'échangeur de chaleur aux turbines à combustion interne sur des avions ou des véhicules dans le but de réaliser une économie de com- bustible, les limitations de poids et d'encombrement deviennent très importan- tes et en général le poids et les dimensions d'un échangeur de chaleur néces- saire pour satisfaire aux conditions de marche à pleine puissance rendent douteuse la valeur de telles applications.
Suivant la présente invention, on prévoit dans un groupe moteur à turbine à combustion interne pour avion ou véhicule ou autre appli- cation dans laquelle la turbine fonctionne la majeure partie du temps de ser- vice sous charge partielle, un système échangeur de chaleur qui est conçu pour traiter d'un côté ou des deux côtés seulement la masse réduite des gaz produite dans les conditions usuelles ou de charge partielle, un dispositif étant prévu pour détourner de l'échangeur de chaleur l'excès des gaz que le système ne peut traiter.
On peut de préférence prévoir d'un côté ou des deux côtés de l'échangeur de chaleur conçu pour traiter la masse réduite de gaz un dispo- sitif pour détourner tout excès de gaz dépassant la quantité produite dans les conditions usuelles ou de charge partielle. Ceci permet de réduire consi- dérablement les dimensions de l'échangeur de chaleur soit du côté air (c'est- à-dire la partie de l'échangeur dans laquelle circule l'air) soit du côté échap- pement (c'est-à-dire du côté où circulent les gaz d'échappement) ou encore des deux côtés à la fois.
Comme un échangeur de chaleur prévu d'un côté ou de 1' autre pour les conditions usuelles ou de charge partielle aurait un rendement extrêmement réduit s'il devait fonctionner dans les conditions de pleine char- ge par suite des pertes de pression d'air et à l'échappement , en prévoyant ce dispositif de détournement on s'arrange pour que la chute de pression dans l'échangeur de pression puisse être maintenue à la valeur requise pour obte- nir un effet utile de l'échange de chaleur.
Ce système de détournement comporte de préférence des con- duits ou des orifices incorporant un système de commande pour les mettre en action ou hors d'action suivant les nécessités. Il est clair que si l'échangeur de chaleur était simplement contourné par une conduite ou un orifice, il y aurait de façon inhérente une moindre chute de pression dans le by-pass que dans l'échangeur de chaleur à moins de dispositions spéciales et en rapport avec cela, la différence de pression entre l'entrée et la sortie de l'échan- geur de chaleur peut être maintenue approximativement à la valeur voulue dans les conditions usuelles de charge partielle quand le by-pass est en fonction, en prévoyant un dispositif réduisant le débit dans le by-pass.
Néanmoins, dans le cas d'un détournement sans étranglement il y aura un échangeur de chaleur moindre mais il y aura un gain par le fait qu'il n'y aura qu'une très faible chute de pression dans l'échangeur de pression et le by-pass en parallèle et par conséquent une puissance maximum plus élevée à pleine charge.
On décrira l'invention ci-après plus en détail en se référant aux dessins annexés, dans lesquels : la Fig. 1 est un schéma d'un groupe moteur à turbine à combus- tion interne et d'un échangeur de chaleur ; la Fig. 2 est une vue de détail montrant, schématiquement, un côté de l'échangeur de chaleur, un by-pass et une forme de réducteur de létit @
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détourné et les Figso 3 et 4 sont des vues de détail montrant, schémati-' quement, différentes formes de commande de la conduite de détournement et du dispositif réducteur de débit., la Fig.
1 montre que l'air est aspiré par le compresseur 10, est comprimé dans celui-ci et amené par la conduite 11 du côté air de l'é- changeur de chaleur 12, qu'il passe dans la rangée de tubes 13 constituant le côté air de l'échangeur de chaleur et qu'il est réchauffé dans ces tubes avant de passer par la conduite 14 dans la chambre de combustion 15 où il reçoit une autre quantité de chaleur par la combustion du combustible.
Les gaz brûlés chauds quittant la chambre de combustion 15 se détendent dans la turbine 16 en effectuant un travail utile en faisant tourner l'arbre 17 qui en plus d'être l'arbre de transmission, entraîne le compresseur 10 d'une maniè- re bien connueo
Les gaz d'échappement de la turbine 16 sont dirigés par le con- duit 18 vers l'autre côté de l'échangeur de chaleur 12 et en pénétrant dans l'enveloppe extérieure de celui-ci ils sont forcés de circuler autour des tu- bes 13 dans lesquels passe l'air et après avoir cédé de la chaleur ils vont à l'atmosphère par le conduit 29.
Dans une installation conventionnelle, l'échangeur de chaleur décrit jusqu'à présent devrait avoir une capacité suffisante pour absorber le débit maximum produit dans les conditions de fonctionnement à pleine charge, mais suivant la présente invention, l'échangeur de chaleur 12 représenté sur la figure 1 est de poids et de dimensions tels qu'il est conçu pour traiter, des deux côtés, seulement le débit réduit circulant dans les conditions usuel- les de charge partielle à laquelle la turbine fonctionne pendant la majeure partie du temps où elle est utiliséeo '
Du côté air,
un conduit 20 relie le conduit 11 directement à la chambre de combustion 15 de sorte que le conduit 20 est en parallèle avec le côté air de l'échangeur de chaleur 12 et il peut fonctionner pour contour- ner l'échangeur de chaleur et débiter directement dans la chambre de combus- tion tout excès d'air que le côté air de l'échangeur ne peut recevoir.
Un dis- positif de commande représenté par le rectangle 21 est placé dans la conduite 20 et il peut être constitué par tout mécanisme approprié dont des exemples sont décrits ci-après pour mettre ce by-pass 20 en service ou hors service sui- vant les besoinso
D'une manière similaire, du côté échappement de l'échangeur de chaleur 12, un conduit 22 relie le conduit 18 directement au conduit 19 qui débouche à l'atmosphère, de sorte que le conduit 22 est en parallèle avec le côté échappement de l'échangeur de chaleur 12 et il peut servir à contourner l'échangeur de chaleur et à décharger directement à l'atmosphère tout excès de gaz que le côté échappement de l'échangeur ne peut recevoir.
Le rectangle 21 dans la conduite 22 représente le même dis- positif de commande que celui indiqué ci-dessus à propos du conduit de dé- tournement 20 du côté air de l'échangeur de chaleur.
Alors que dans la description ci-dessus et sur le schéma, les deux côtés de l'échangeur de chaleur sont conçus pour recevoir seulement la mas- se réduite de gaz et d'air produite dans les conditions usuelles de charge par- tielle, l'échangeur de chaleur pourrait être dessiné de manière que le côté échappement puisse recevoir toute la masse de gaz produite à pleine charge et qu'un conduit de détournement soit prévu uniquement du côté air, ou une disposition inverse.
La Fig. 2 montre schématiquement un côté de l'échangeur de chaleur 12 (ce peut être n'importe quel côté), la circulation des gaz se faisant depuis le conduit 23 dans l'échangeur de chaleur 12 et de là de
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le conduit 24. Le conduit 25 est un conduit de contournement comportant un dispositif de commande 21. Le conduit 25 est pourvu d'une tuyère venturi 26 débouchant dans un étranglement 27 créé dans le conduit 24.
C'est ce dispo- sitif qui modifie la perte de chute de pression dans l'échangeur de chaleur qui se produirait si le conduit de contournement en usage n'était étranglé d'aucune manière et en service, le jet de gaz sortant de la tuyère 26 du con- duit de contournement 25 dans l'étranglement du venturi 27 représente une aug- mentation de vitesse des gaz détournés, dans la tuyère 26, aux prix d'une chu- te de pression dans le by-pass et en même temps ce jet communique une partie de son énergie au gaz sortant de l'échangeur de chaleur dans le conduit 24 de manière à créer une vitesse commune dans le mélange des gaz qui se diffuse jusqu'à un certain point dans le tuyau 28 s'élargissant graduellement et par là regagnant une partie de la chute de pression nécessaire pour forcer les gaz dans l'échangeur de chaleur 12.
Par ce procédé, on réduit la chute de pression au minimum tout en utilisant l'échangeur de chaleur 12 avec son meilleur rendement même jusque dans les conditions de marche à charge maxi- mum.
La Fig. 3 représente une forme de dispositif de commande 21 du conduit de contournement constitué par un simple clapet à pivot 29 qui se déplace de la position ouvrant le conduit à celle fermant le conduit pour met- tre le conduit de contournement en service ou hors service.
La Fig. 4 montre une variante du dispositif de commande 21 du conduit de contournement,constituée par un papillon 30. Il est évident que ce papillon 30 en plus de la simple ouverture ou fermeture du conduit de détourne- ment peut servir de vanne d'étranglement variable pour maintenir la chute de pression requise dans l'échangeur de chaleur en étranglant le by-pass de ma- nière appropriée, s'ouvrant progressivement et proportionnellement à l'aug- mentation du débit total au-dessus de celui produit dans les conditions usuel- les de charge partielle.
Le dispositif de commande du by-pass décrit ci-dessus est ac- tionné de préférence automatiquement de toute manière appropriée et en concor- dance avec les conditions de marche de la turbine ou de charge et il est évi- demment complètement fermé en-dessous des conditions normales de charge par- tielle pour lesquelles l'échangeur de chaleur est construit.
Dans le cas où on utilise plusieurs échangeurs de chaleur en série, on peut appliquer le principe de fonctionnement de l'invention par étapes, premièrement en contournant un échangeur de chaleur et secondement en contournant les deux et ce système pourrait être appliqué aux côtés air uni- quement ou aux côtés échappement uniquement ou bien aux deux côtés à la fois suivant la conception de l'installation à laquelle il est appliqué.
REVENDICATIONS.
1. - Dans un groupe moteur à turbine à combustion interne pour avion ou véhicule ou autre application dans laquelle la turbine doit fonctionner sous charge partielle pendant la majeure partie de son temps de service, un échangeur de chaleur qui est construit pour recevoir d'un côté ou de l'autre ou des deux côtés à la fois la masse réduite des gaz produits dans les conditions usuelles de charge partielle, un dispositif étant incorporé pour détourner de l'échangeur de chaleur l'excès de la masse de gaz que l'é- changeur ne peut recevoir.
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INTERNAL COMBUSTION TURBINE ENGINES.
This invention relates to internal combustion turbine engine units which only have to operate at full power for a small percentage of their service time and more particularly to internal combustion turbine engine units for airplanes or vehicles. road or rail.
Where vehicles and airplanes are equipped with internal combustion turbines, it is desirable, but usually difficult, to include between the compressor and the combustion chamber (s) a heat exchanger to preheat the compressed air, the heat to the combustion chamber. this end being taken from the turbine exhaust gases which pass through the charcoal exchanger before being discharged into the exhaust.
With such an arrangement, the air drawn in by the compressor is compressed by it and therefore undergoes a certain heating and then passes to one side of the heat exchanger of any conventional type. and which can, for example, be constituted by a series of tubes passing through an outer casing in which the hot exhaust gases from the turbine are forced to circulate. these gases being diverted or forced to circulate around the tubes to ensure good heat exchange. The compressed air passing through the heat exchanger tubes is preheated by conduction through the walls of these tubes and the preheated air enters the combustion chamber (s) where it still receives heat from the combustion of the fuel. .
The gases leaving the combustion chamber (s) then expand in the turbine to do useful work and they leave the turbine at a pressure slightly above atmospheric pressure. Instead of being discharged directly into the exhaust, the hot burnt gases are directed through ducts to the other side of the heat exchanger where, as described above, they @
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circulate around the tubes inside which the air passes and after having given up a large part of their heat, they pass to the exhaust. The heat thus extracted from the turbine exhaust gases provides approximately the same fuel economy.
This well-known system incorporating the heating of compressed air in a heat exchanger can be successfully applied in power stations or other fixed installations. However, when it is desired to apply the principle of the heat exchanger to internal combustion turbines on airplanes or vehicles in order to achieve fuel economy, the weight and size limitations become very severe. The weight and dimensions of a heat exchanger required to meet full power operating conditions, and in general, make the value of such applications questionable.
According to the present invention, there is provided in an internal combustion turbine engine unit for an airplane or vehicle or other application in which the turbine operates the major part of the operating time under partial load, a heat exchanger system which is designed to treat on one or both sides only the reduced mass of gases produced under usual or partial load conditions, a device being provided for diverting from the heat exchanger excess gases which the system cannot handle .
Preferably, on one or both sides of the heat exchanger designed to treat the reduced mass of gas can be provided a device for diverting any excess gas in excess of the amount produced under usual or partial load conditions. This makes it possible to considerably reduce the dimensions of the heat exchanger either on the air side (that is to say the part of the exchanger in which the air circulates) or on the exhaust side (ie. i.e. on the side where the exhaust gases flow) or on both sides at the same time.
As a heat exchanger provided on one side or the other for usual or part load conditions would have extremely reduced efficiency if it were to operate under full load conditions due to air pressure losses. and at the exhaust, by providing this diverting device, it is arranged so that the pressure drop in the pressure exchanger can be maintained at the value required to obtain a useful effect of the heat exchange.
This diversion system preferably comprises conduits or orifices incorporating a control system for putting them into action or out of action as required. It is clear that if the heat exchanger were simply bypassed by a pipe or an orifice, there would inherently be a lower pressure drop in the bypass than in the heat exchanger unless special arrangements were made and In relation to this, the pressure difference between the inlet and the outlet of the heat exchanger can be maintained approximately at the desired value under the usual partial load conditions when the bypass is in operation, providing a device reducing the flow in the bypass.
Nevertheless, in the case of a diversion without throttling there will be a lesser heat exchanger but there will be a gain by the fact that there will be only a very small pressure drop in the pressure exchanger and parallel bypass and therefore higher maximum power at full load.
The invention will be described below in more detail with reference to the accompanying drawings, in which: FIG. 1 is a diagram of an internal combustion turbine engine unit and a heat exchanger; Fig. 2 is a detail view showing, schematically, one side of the heat exchanger, a by-pass and a form of letdown reducer @
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and Figures 3 and 4 are detail views showing, schematically, different forms of control of the bypass line and the flow reducing device.
1 shows that the air is sucked in by the compressor 10, is compressed in the latter and brought through the line 11 to the air side of the heat exchanger 12, which it passes into the row of tubes 13 constituting the air side of the heat exchanger and that it is heated in these tubes before passing through line 14 into the combustion chamber 15 where it receives another quantity of heat by the combustion of the fuel.
The hot burnt gases leaving the combustion chamber 15 expand in the turbine 16 doing useful work by rotating the shaft 17 which in addition to being the transmission shaft, drives the compressor 10 in a similar manner. well known
The exhaust gases from the turbine 16 are directed through the duct 18 to the other side of the heat exchanger 12 and by entering the outer casing of the latter they are forced to circulate around the tubes. bes 13 in which the air passes and after giving up heat they go to the atmosphere through duct 29.
In a conventional installation, the heat exchanger described so far should have sufficient capacity to absorb the maximum flow rate produced under full load operating conditions, but according to the present invention, the heat exchanger 12 shown in FIG. Figure 1 is of such weight and dimensions that it is designed to handle, on both sides, only the reduced flow circulating under the usual partial load conditions at which the turbine operates for most of the time it is in use. '
On the air side,
a duct 20 connects the duct 11 directly to the combustion chamber 15 so that the duct 20 is in parallel with the air side of the heat exchanger 12 and it can function to bypass the heat exchanger and directly discharge in the combustion chamber any excess air that the air side of the exchanger cannot receive.
A control device represented by the rectangle 21 is placed in the pipe 20 and it can be constituted by any suitable mechanism, examples of which are described below to put this bypass 20 into service or out of service according to the requirements. needso
Similarly, on the exhaust side of the heat exchanger 12, a duct 22 connects the duct 18 directly to the duct 19 which opens to the atmosphere, so that the duct 22 is in parallel with the exhaust side of the heat exchanger. heat exchanger 12 and can be used to bypass the heat exchanger and discharge directly to the atmosphere any excess gas that the exhaust side of the exchanger cannot accommodate.
Rectangle 21 in duct 22 represents the same control device as shown above for bypass duct 20 on the air side of the heat exchanger.
While in the description above and in the diagram, both sides of the heat exchanger are designed to receive only the reduced mass of gas and air produced under the usual part load conditions, the The heat exchanger could be designed so that the exhaust side can receive all the mass of gas produced at full load and that a bypass duct is provided only on the air side, or a reverse arrangement.
Fig. 2 schematically shows one side of the heat exchanger 12 (it can be any side), the gas flow being from the duct 23 into the heat exchanger 12 and from there from
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the duct 24. The duct 25 is a bypass duct comprising a control device 21. The duct 25 is provided with a venturi nozzle 26 opening into a constriction 27 created in the duct 24.
It is this device which modifies the loss of pressure drop in the heat exchanger which would occur if the bypass duct in use were not throttled in any way and in service, the gas jet coming out of the heat exchanger. nozzle 26 of the bypass line 25 in the throat of the venturi 27 represents an increase in the velocity of the diverted gases, in the nozzle 26, at the cost of a pressure drop in the bypass and at the same time. time this jet communicates a part of its energy to the gas leaving the heat exchanger in the duct 24 so as to create a common velocity in the mixture of gases which diffuses to a certain point in the widening pipe 28 gradually and thereby regaining part of the pressure drop necessary to force the gases into the heat exchanger 12.
By this method, the pressure drop is reduced to a minimum while using the heat exchanger 12 with its best efficiency even up to the operating conditions at maximum load.
Fig. 3 shows a form of control device 21 of the bypass duct constituted by a simple pivot valve 29 which moves from the position opening the duct to that closing the duct in order to put the bypass duct into service or out of service.
Fig. 4 shows a variant of the control device 21 of the bypass duct, constituted by a butterfly 30. It is obvious that this butterfly 30 in addition to the simple opening or closing of the bypass duct can serve as a variable throttle valve for maintain the required pressure drop in the heat exchanger by throttling the bypass in an appropriate manner, opening gradually and in proportion to the increase in total flow above that produced under usual conditions partial load.
The bypass control device described above is preferably actuated automatically in any suitable manner and in accordance with the operating conditions of the turbine or load and it is of course completely closed below. normal part load conditions for which the heat exchanger is built.
In the case where several heat exchangers are used in series, the operating principle of the invention can be applied in stages, first by bypassing one heat exchanger and secondly by bypassing both and this system could be applied to the united air sides. - only or to the exhaust sides only or to both sides at the same time depending on the design of the installation to which it is applied.
CLAIMS.
1. - In an internal combustion turbine engine unit for an airplane or vehicle or other application in which the turbine must operate at partial load for the major part of its service life, a heat exchanger which is constructed to receive from a on either side or on both sides of both the reduced mass of gases produced under the usual partial load conditions, a device being incorporated to divert from the heat exchanger the excess mass of gas which the changer cannot receive.