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PROCEDE DE FONCTIONNEMENT DE GENERATEURS DE GAZ MOTEURS ET DISPOSITIFS POUR
LA MISE EN OEUVRE DU PROCEDEo
Dans la technique des turbines à combustion interne à explosion, telles qu'elles sont appliquées en particulier à la production de gaz mo- teurs, il est, dans une certaine mesure, obligatoire, dans le projet,,, de partir d'un procédé de travail reconnu avantageux une fois pour toutes et considéré comme immuable, et de mettre ensuite en accord avec ce procédé les dispositifs servant à la mise en oeuvre du procédé, ou bien de les con- cevoir sous une forme appropriée à sa mise en oeuvre.
C'est vrai en parti- culier pour la structure du rotor de turbine, ou de ses aubes rotatives, que l'on devait jusqu'ici adapter - et que l'on a effectivement adaptés - aux chutes produites par le procédé de travailo On a essayé, il est vrai, de faciliter cette adaptation par subdivision des gaz de combustion produits, d'après la pression, la quantité, et aussi d'après la pression et la quanti- té, particulièrement lorsque les chutes augmentaient avec l'augmentation des pression et des températures, mais on a très vite atteint des limites fixées par la possibilité d'exécution pratique, et qui ne permettaient pas une modification essentielle des types de roues dont on disposait pour utili- ser les chutes existanteso Etant donné les conditions d'enthalpie ainsi fi- xées comme point de départ,
on a donc réalisé en général des roues Curtis à deux couronnes, tout au moins dans le cadre de la turbine à combustion in- terne à explosion elle-même, tandis que, dans les turbines utilisant les gaz moteurs, on pouvait déjà avoir recours à des aubages Parsons, après avoir réussi, par installation de chambres compensatrices de pression, à uniformi- ser - en ce qui concerne les pointes de pression et les creux de pression - les gaz moteurs fournis par le procédé de production avec de fortes oscilla- tions de pression. Toutefois, on a déjà fait la proposition - restée théori- que - de prévoir dans la turbine à combustion interne à explosions elle-même des roues à pression constante à plusieurs étages, avec aubages à une seule couronne.
Mais même dans ces cas, on disposait toujours, dans le premier
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étage de pression, une roue Curtis à deux couronnes ; en outre, on disposait, en amont de chacune des roues à pression constante, une chambre spéciale compensatrice de pression, pour uniformiser toujours, avant injection des roues à pression constante, les différences de pression existant dans le gaz moteur. Cependant, dans les réalisations pratiques, on s'en tenait le plus souvent à l'installation de deux roues Curtis à deux couronnes, la deu- xième roue Curtis utilisant les gaz de combustion que l'on avait tout d'abord amenés sous la pression maximum d'explosion du premier étage de turbine, pour pouvoir ensuite les utiliser pour l'injection de la deuxième roue Curtis, avec intercalation d'un récipient compensateur de pression.
En outre, on dis- posait en amont de la deuxième roue Curtis un deuxième dispositif à tuyères spécial , qui utilisait des gaz de combustion résiduels qui, par l'intermé- diaire d'un organe d'échappement spécial commandé, nommé soupape d'échappe- ment, avaient été expulsés des chambres d'explosion par l'action de l'air de chargement qui prenait leur place. Par contre, l'organe d'échappement com- mandé qui laissait passer, vers le premier étage de turbines, les gaz de combustion à tension maximum, était appelé soupape de tuyères.
Ceci posé, la présente invention repose sur la constatation que, si l'on peut organiser le procédé de travail en se basant sur des éléments de structure donnés, déjà reconnus avantageux, il devient possible de s'as- surer ces avantages, qui deviennent décisifs lorsqu'ils constituent les con- ditions préalables d'un rendement élevé. Parmi ces avantages, il faut citer, en tout premier lieu, un rendement de roue élevé. Mais on ne peut obtenir des rendements de roue élevés que si les roues, ou groupes de roues, sont injectés par des gaz de combustion ayant des chutes égales ou pratiquement égales. On peut parler de chutes pratiquement égales lorsque les modifica- tions maxima de la chute sont au plus de 30% au-dessus, et au plus de 15% en-dessous de la chute optimum.
De cette manière, on peut rechercher la roue la plus efficace, ou bien le groupe de roues ayant le meilleur rendement, de sorte qu'ainsi la turbine à combustion interne à explosions est mise au rang des turbines à chute constante, par rapport auxquelles elle possède l'avan- tage d'une meilleure utilisation thermique de l'agent de fonctionnement.
Toutefois, cela ne suffit pas à épuiser les conditions que doit remplir l'organisation du procédé de travail. Avec les pressions et tempéra- tures en usage aujourd'hui, et avec les propriétés des matériaux dont on dis- pose actuellement, si l'on réalise toutes les mesures connues des spécialis- tes, en particulier si l'on utilise des matériaux contenant de fortes propor- tions de nickel et de constituants d'alliage additionnels tels que le chrome, le molybdène etc., si l'on réalise le refroidissement des aubes et des roues, en particulier le refroidissement du pied des aubes et si l'on donne à la roue et à la chambre de roue une structure appropriée au but, il est possi- ble de se rendre maître des conditions de fonctionnement des aubes de roue,
de telle sorte que des aubes de ce genre accomplissent sans difficulté la durée ordinaire de vie des turbines de ce genre. Toutefois, ce but ne peut être atteint dans la même mesure pour les aubes fixes de guidage, qui sont indispensables pour les roues à deux couronnes et plus, pour diriger et gui- der le jet de gaz de combustion dans l'injection de la deuxième série d'au- bes mobiles, et des séries suivantes. En effet, on a observé que la pause dans l'injection, qui se produit, dans le cas d'une aube rotative, entre les différentes positions devant les tuyères d'injection, prolonge de manière vraiment décisive la durée de vie des aubes, bien qu'il s'agisse de temps relativement courts.
Par contre, les aubes de guidage fixes, en particulier dans le cas d'injection continue, sont constamment placées dans le courant de gaz de combustion, de sorte que l'action favorable de la pause d'injec- tion disparaît ici. On peut s'abstenir d'examiner si, outre la simple in- terruption dans le temps, les effets de ventilation d'une roue mobile jouent un rôle important, étant donné que seul le résultat constaté peut être pris en considération.
Ainsi se détermine le problème que doit résoudre la présente in- vention. En partant de procédés de fonctionnement de générateurs de gaz mo- teurs produisant des gaz de combustion par des explosions, avec utilisation
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de chutes de gaz de combustion dans des dispositifs fixes à tuyères et des dispositifs rotatifs à aubages, le problème technique posé est résolu, dans le cadre de l'invention, du fait que l'on détermine la différence de ten- sion entre, d'une part, les pressions d'injection en amont de chaque disposi- tif d'aubages et, d'autre part, les contre pressions produites - de façon synchrone aux pressions et avec une caractéristique analogue - en aval de ce dispositif, en regardant dans la direction suivie par les gaz de combustion,
de telle sorte que les chutes partielles ainsi produites peuvent être utili- sées dans des roues à une seule couronne ayant des vitesses circonférentiel- les supérieures à 250 m/s, et avec des rendements compris entre 75 et 85 %
Par l'application de ce procédé, on obtient l'avantage déjà dé- crit,que, les roues étant à une seule couronne, l'aubage d'inversion est supprimé, avec les difficultés de fonctionnement déjà décrites auxquelles' il donnait lieu. Mais surtout, on obtient une forme de rotor à rendement élevé, de sorte qu'étant donné le rendement thermique avantageux de la turbine à explosions, on obtient dans l'ensemble des rendements totaux qui.ne sem- blaient pas pouvoir être atteints jusqu'ici.
Si les turbines sont à deux eta- ges, la température moyenne que les roues doivent supporter est alors sans autre voisine de celles qui peuvent être maîtrisées en toute sécurité avec la structure communément adoptée aujourd'hui pour les roues ou groupes de roues et les chambres de roue, et avec les possibilités de refroidissement dont on dispose, sans que les matériaux employés soient soumis à des condi- tions trop voisines de leur limite de résistance à l'allongement.
Etant donné que des propositions déjà faites précédemment par l'auteur de la présente invention comportaient la production de contre- pressions s'opposant aux pressions d'injection, affectant une allure syn- chrone à celles-ci et de caractéristique analogue, il suffira donc, pour réaliser le procédé.conforme à l'invention, de choisir convenablement la distance - constante ou sensiblement constante - entre les courbes de con- tre-pression et les courbes d'expansion correspondantes, autrement dit, de déterminer d'une façon générale la position des courbes de contre-pression sur le graphique, compte tenu d'une vitesse circonférentielle de roue su- périeure à 250 m/s, et de préférence voisine de 300 m/s;
si l'on se con- forme à cette prescription, la position des courbes de contre-pression est alors fixée sans ambiguïté. On a constaté qu'il était particulièrement com- mode, à cet effet, d'utiliser un graphite "Q fonction de V", correspondant au graphique usuel d'entropie "Q fonction de S", par exemple celui de Pflaum, en prenant pour abscisses le pourcentage de gaz de combustion éva- cués - si l'on appelle 100 %.la quantité totale de gaz de combustion par explosion - tandis que les ordonnées indiquent la teneur en chaleur des gaz de combustion en kcal/nm3. On a aussi utilisé un graphique de ce genre dans le dessin, pour montrer comment on peut déterminer les courbes de con- tre-pression dans le cas d'un dispositif de turbines à deux étages,
pour pouvoir réaliser des roues à une seule couronne ayant les vitesses circon- férentielles indiquées et les rendements indiqués.
Les propositions déjà faites pour la production d'une allure de contre-pression synchrone de la courbe d'expansion correspondante, et de caractéristique analogue, sont caractérisées essentiellement par le fait que, pendant la dilatation des gaz de combustion dans un dispositif à tuyè- res ou à aubages, ou à peu près à ce moment, on provoque un abaissement de la contre-pression engendrée en aval du dispositif à aubages - dans la di- rection suivie par les gaz de combustion - de telle sorte qu'il se produit, dans l'étage de turbine considéré, des chutes de gaz de combustion égales ou pratiquement égales.
En particulier, on peut procéder à un abaissement de la contre-pression de telle manière que la courbe de contre-pression sur le graphique "Q fonction de V" déjà mentionné, suit un tracé équidistant, ou approximativement équidistant, de la courbe d'expansiono Etant donné la possibilité d'utiliser, pour produire la contre-pression, des gaz de com- bustion produits par le procédé à explosions lui-même, on fait généralement en sorte que les gaz de combustion produits dans la chambre de prélèvement avec une tension supérieure à la tension de prélèvement agissent, jusqu'au
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début de chaque prélèvement, sur le dispositif à tuyères et à aubages en aval duquel les gaz de combustion des chambres de prélèvement sont utili- sés avec des pressions plus faibles et inférieures à la tension de pré- lèvement,
pour produire une contre-pression qui s'abaisse pendant la dilata- tion du gaz moteur injecté dans le dispositif à tuyères et à aubages.
Il est avantageux, dans ce cas, de faire appel à un décalage dans la succession des cycles de travail de plusieurs chambres d'explosion adjointes aux mêmes dispositifs à tuyères et à aubages, en ce sens que, pen- dant le laps de temps où les gaz de combustion prélevés dans une chambre d'explosion se dilatent dans le dispositif à tuyères et à aubages, des gaz dé combustion prélevés dans une autre chambre d'explosion sont utilisés à la production de la contre-pression abaissée.
Dans la mise en oeuvre du procédé, il est efficace de donner, à l'air de chargement qui doit être amené dans les chambres d'explosion comme air de combustion, une pression minimum d'environ cinq atmosphères (surpres- sion), pour obtenir des modifications adéquates d'enthalpie dans les dispo- sitifs à tuyères et à aubages, et maintenir la tension des gaz de combustion résiduels à une valeur telle que la teneur en énergie des gaz moteurs pro- duits assure une utilisation économique. On peut se reporter à l'exemple d'exécution pour avoir de plus amples détails sur le procédé et les dispo- sitifs permettant d'obtenir l'équidistance ou les chutes pratiquement égales.
Les dispositifs servant à la mise en oeuvre du procédé proposé dans le cadre de l'invention se caractérisent de préférence par le fait qu'ils se composent d'une série de chambres d'explosion qui sont reliées sur le tra- jet du gaz de combustion, par des tuyères, à plusieurs dispositifs à aubages comportant chacun une seule couronne, des dispositifs étant prévus pour pro- duire une contre-pression qui varie de façon synchrone et avec la même carac- téristique que la pression des gaz de combustion dans le dispositif à tuyè- res et à aubages en aval duquel la contre-pression est engendrée, si l'on regarde dans la direction suivie par les gaz de combustion.
Il en découle la possibilité de prévoir des aubages sur au moins deux dispositifs de roue, et de mettre chaque dispositif de tuyères adjoint aux dispositifs de roue en relation avec au moins un organe d'échappement de chambre d'explosion. On a constaté qu'une forme d'exécution particulièrement avantageuse comportait des rotors munis de deux roues à une seule couronne sur l'arbre de rotor.
Naturellement,il y a aussi possibilité d'utiliser des rotors ayant plus de deux roues à une seule couronne sur l'arbre de rotor. Mais dans ces cas, on se trouve privé de l'avantage, obtenu sans difficulté dans le dispositif mentionné précédemment, dans lequel les températures moyennes engendrées conduisaient, avec la structure communément adoptée aujourd'hui pour les éléments de structure considérés, à des conditions de fonctionnement n'appro- chant pas encore de la limite dangereuse de résistance à l'allongement des matériaux utilisés.
On doit donc avoir recours, dans ces cas, à des dispo- sitions spéciales telles qu'un refroidissement renforcé, à moins d'employer, pour la fabrication des éléments de structures, des matériaux possédant des qualités particulièrement bonnes, sans toutefois que cette question - fabri- cation de matériaux résistant à des températures élevées et élimination des effets causés par des contraintes de température et de chaleur trop considé- rables - puisse, en principe, restreindre en aucune façon les possibilités d'utilisation de l'idée d'invention..
Le dessin représente des réalisations de l'idée d'invention, dans le cas de générateurs de gaz moteurs fonctionnant à l'huile, avec des dispositifs à deux et trois étages de turbines.
Fig. 1 représente un générateur de gaz moteurs fonctionnant à l'huile, à deux étages de turbine, sous forme de coupe longitudinale verti- cale de la turbine et de l'une des chambres d'explosion.
Fig. 2 est le graphite "Q fonction de V" correspondant,
Fige 3 représente un générateur de gaz moteurs fonctionnant à l'huile, avec trois étages de turbine, en coupe longitudinale schématique, ,
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tandis que
Fig. 4 montre une autre forme d'exécution du dispositif suivant fig. 3, en coupe semblable. '
Sur la fig. 1, 1 désigne l'une des chambres d'explosion servant à produire les gaz de combustion. Elles sont munies, comme de coutume, de - soupapes d'admission d'air de chargement 2, qui reçoivent, à l'intérieur, les soupapes d'injection de carburant 3. Une conduite d'arrivée d'air de chargement 4 fournit de l'air de chargement aux organes d'admission d'air de chargement 2 des chambres de combustion, tandis que des conduites de car- burant 5 conduisent à une pompe à carburant non représentée.
On a indiqué en
6 la commande,de préférence hydraulique, des soupapes 2. Par ailleurs, les chambres d'explosion sont pourvues de dispositifs d'allumage de type courant, non dessinés. Des soupapes de tuyères 7 laissent échapper une quantité par- tielle de gaz de combustion à tension maximum, vers le dispositif à tuyères
I, disposé en amont de l'aubage rotatif 8 de la roue 9 du premier étage de turbine. Un dispositif de tuyères de captation 10 capte les gaz de combus- tion partiellement utilisés dans le premier étage de turbine 1, 8, 9, et les conduit à une chambre de remplissage 11 qui, par suite de sa faible ca- pacité, peut se loger entre les étages de turbine.
Outre les soupapes de tuyères 7, on a prévu d'autres soupapes de tuyères 12 par lesquelles des quantités partielles de gaz de combustion à tension plus faible sont amenées à agir sur le dispositif à tuyères II, les soupapes de tuyères 12 pouvant se trouver en liaison directe avec.la chambre de remplissage 11; elles pour- raient aussi agir directement sur le dispositif à tuyères II, en contour- napt la chambre de remplissage 11, ou bien être reliées tant à la chambre de remplissage 11 qu'à des tuyères spéciales disposées en amont de l'aubage 13.
Le.dispositif de tuyères II est donc disposé en amont de l'aubage 13 de la roue'14 du deuxième étage de turbine II, 13, 14. Un dispositif de tuyères de captation 15 capte les gaz de combustion qui ont traversé le deuxième étage de turbine, et les conduit à un raccord 16 qui débouche librement dans la conduite de prélèvement de gaz moteurs 17. Dans le même plan de section dé- bouche aussi un élément de tuyauterie 18 qui capte les gaz de combustion résiduels évacués dela chambre d'explosion 1 par l'intermédiaire de la sou- pape d'échappement ouverte 19 et les amène à la conduite de prélèvement de gaz moteurs 17.
Le procédé de travail d'après lequel fonctionne le générateur de gaz moteurs représenté par la fig. 1 peut être reconnu grâce au graphique "Q fonction de V' de la fig. 2. Sur ce graphique, les chutes de gaz de com- bustion sont visibles sur l'axe des ordonnées partant :de A, et les quantités de gaz de combustion évacuées, en pourcentage de la quantité total de gaz de combustion produite par,explosion et par chambre, se voient sur l'axe des abscisses. L'échelle des pressions et des températures est seulement'indi- quée, et n'est valable que pour la ligne double partant de A. Cette ligne double représente l'état des gaz pendant l'expansion.
Ces modifications ap- paraissent sur le graphique "Q fonction de S" sous forme de lignes vertica- les adiabatiques, mais seulement dans la machine idéale, dans laquelle, pen- dant l'expansion, il ne se produit pas de modifications d'entropie, donc pas de pertes de chaleur dans les parois, ni de transmissions de chaleur par frottement sur la roue du rotor et sur les aubes. Pour la machine réalisée, ces deux conditions ne sont pas remplies.
Toutefois, des enquêtes approfon- dies faites sur le transfert de chaleur du côté "gaz" des parois en contact avec les gaz de combustion, ainsi que des calculs effectués sur les pertes par ventilation sur les roues à aubes et les aubes,' montrent que, dans.les installations soigneusement construites, les procédés de fonctionnement en- visagés conduisent pratiquement à l'égalité entre la chaleur cédée et la chaleur absorbée. On est donc fondé à se baser sur des modifications adiaba- tiques d'état, et par suite sur des lignes verticales dans le graphique "Q fonction de Si!, donc aussi dans le graphique "Q fonction de V".
Le point A correspond ici à la pression maximum d'explosion produité dans les cham- bres d'explosion, qui se forme après que l'on a procédé au chargement des chambres d'explosion au moyen d'un mélange hautement- susceptible d'allumage,
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puis à l'allumage de ce mélange. Cette pression maximum d'explosion est usuel- lement désignée par P1 et, dans le cas de l'exemple d'exécution, elle est égale à 64 ata, pour une température de gaz de combustion égale à 1920 C. La chute caractérisée par la ligne double est donc caractérisée par la'distance entre le point A et le point origine 0, dont la position est donnée par la ligne d'atmosphère 1,044 ata, pour une température de gaz de combustion égale à 567 C.
Cette forte chute initiale de 522 kcal/nm3 ne peut être utilisée avec un rendement de roue élevé par aucune roue isolée, ni par aucun groupe de roues isolé, quelle que soit leur structure, tandis que, conformément à l'invention, on y a réussi, au moyen de la structure de turbines suivant fig. 1, et plus précisément au moyen des modes de construction déjà discu- tés, relatifs aux procédés et aux dispositifs, ainsi que l'on peut le voir, comme indiqué ci-après, sur le graphique de la fig. 2 :
Comme le montre le graphique de la fig. 2, on a représenté,sur la courbe d'expansion 20 partent de A, le point B auquel se produit la fermetu- re de la soupape de tuyère 7 qui s'était ouverte au point A pour laisser échapper une quantité partielle de gaz de combustion dont l'état initial était caractérisé par le point A. Au moment B, la soupape de tuyères 12 s'ou- vre, tandis que toutes les autres soupapes de la chambre d'explosion sont et restent fermées, et il s'échappe alors une quantité partielle de gaz de combustion dont l'état initial est reconnaissable d'après le point B, avec une pression intermédiaire P2 de 27,7 ata et une température de 1400 G.
Cette quantité partielle de gaz de combustion dont la tension est déjà plus faible, suivant la pression initiale P2, subit une dilatation qui suit la portion de courbe d'expansion B-C de la courbe d'expansion 20. Car, au point C la soupape de tuyère 12 se referme déjà, et simultanément la soupape d'é- chappement 19 et la soupape d'admission d'air de chargement 2 s'ouvrent.'Les - gaz de combustion résiduels qui se trouvent encore dans la chambre d'explo- sion 1 sont donc expulsés, et ce à partir d'un moment correspondant au point C, de sorte que leur état initial est ici donné par une pression d'air de chargement pde 12 ata correspondant au point C,
et par une'-température de o o o 1100 ci les deux températures de 14000 et de 1100 étant relatives aux cham- bres des roues 9 et 14. A un moment correspondant au point E du graphique, les soupapes 2 et 19 se ferment simultanément. Auparavant, pendant que du- rait encore l'expulsion des gaz de combustion résiduels par la poussée de l'air de chargement avançant à la manière d'un piston par suite de la dispo- sition de la tuyère Venturi 21 et du diffuseur 22 de la chambre d'explosion 1, le piston de la pompe à carburant correspondante avait exécuté sa course d'alimentation, de sorte que le carburant avait été injecté, par l'intermé- diaire de la conduite 5 et de la soupape 3, dans le piston d'air encore en mouvement.
L'état de mouvement de ce piston d'air avait donc contribué à la distribution du carburant dans toute la longueur de la chambre, de sorte qu'à un moment correspondant au point E, toute la chambre 1 se trouve déjà remplie d'un mélange homogène fortement détonant, et qu'ainsi la chambre est préparée à l'accomplissement d'un nouveau cycle de travail se déroulant de la même manière. L'allumage provoqué peu de temps après cela conduit donc de nouveau, après accomplissement du processus d'explosion, à un état des gaz de combustion dans la chambre d'explosion représenté par le point A de la fig. 2.
Or, l'installation de la fig. 1 ne se compose pas seulement de la chambre d'explosion 1, mais encore d'autres chambres d'explosion non des- sinées, dont les cycles de travail sont décalés dans le temps par rapport au cycle de travail représenté de la chambre d'explosion 1. Le décalage est choisi de telle manière que, pendant la phase d'injection du premier étage de turbine 1 9 par une quantité partielle de gaz de combustion d'état ini- tial A de la fig. 2, une autre chambre d'explosion fournit à la chambre de remplissage 11, par l'intermédiaire de la soupape de tuyères 12, une quantité partielle de gaz de combustion dont l'état initial serait donné par un point correspondant au point B de la fige 2, sur le graphique "Q fonction de Vu non dessiné, qui correspondrait à cette deuxième chambre.
Du fait que la chambre
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de remplissage 11 reçoit ainsi. ,une quantité partielle de gaz de combustion. d'état initial B, et que simultanément cette même chaire de remplissage 11 reçoit, par l'intermédiaire du dispositif de tuyères de captation 10 ,des gaz de combustion qui ont déjà cédé, dans le premier étage de turbine 1, 8,9, une partie de leur puissance de travail, il se produit une pression inté- rieure dans la chambre de remplissage 11 et par suite'une contre-pression relativement au premier étage de turbine placé en amont, contre-pression dont l'allure est caractérisée par la courbe en trait mixte 23 dé la fig.l.
On voit que, par suite du décalage de temps dont il a été question entre '* les cycles de travail, cette courbe de contre-pression 23 est tout 'd'abord synchrone du tronçon de courbe d'expansion A '- Bo On voit en outre que ,les courbes 20 et 23, dans la portion du graphique caractérisée par la surface.
de travail 1a, sont absolument équidistantes, abstraction faite de la phase de remplissage 24 qui est négligeable, et que, par suite, elles sont appro- ximativement équidistantes dans l'ensemble, et que, d'ailleurs, en diminuant le volume de la chambre 11 et en augmentant les quantités partielles de gaz de combustion devant passer directement de la chambre d'explosion dans la chambre 11 par l'intermédiaire des soupapes 12, on est en mesure de réduire autant que l'on veut les écarts dans la portion 24, ou même de les faire pra- tiquement disparaître.
Pour maintenir la phase de remplissage 24 à une va- leur négligeable, on maintiendra le volume de la chambre de remplissage 11 entre un centième et quinze centièmes - et de préférence entre un et cinq centièmes' - du volume de toutes les chambres coopérant avec la chambre de remplissage ou prenant part à l'alimentation de celle-ci en gaz de combus- tiono
La surface Ia représente ici simultanément l'énergie disponible de la quantité partielle de gaz de combustion amenée à agir, par l'intermé.- diaire du dispositif à tuyères I, dans le premier étage de turbine I, 8,9.
Comme on peut le voir par la fige 2, la surface Ia du graphi- que "Q fonction de V" est déterminée par la courbe 20 qui correspond à la dilatation de la quantité partielle de gaz de combustion de tension initiale maximum, tandis que la courbe 23 est donnée par la contre-pression régnant dans la chambre de remplissage 11; d'autres grandeurs déterminantes sont les ordonnées passant par les points A et B. La distance horizontale entre cel- les-ci correspond à la quantité partielle de gaz de combustion considérée; elle est égale à 48,5 % de la quantité de gaz de combustion produite, au total, lors d'une explosion.
On voit pour finir que la distance entre les courbes 20 et 23, autrement dit la position de la courbe de contre-pression 23 relativement à la portion de courbe d'expansion A - B, est choisie de telle manière que,dans le premier étage de turbine, on puisse réaliser un dispositif à aubages à une seule couronne 8 avec des rendements de 75 à 85%.
Si l'on voulait déplacer vers le haut la courbe de contre-pression 23, il suffirait alors d'avancer, dans le temps, le point de fermeture des soupa- pes 7 et avec lui le point d'ouverture des soupapes 12, correspondant au point B du graphique, puisque dans ce cas l'expansion partielle B - C, cor- respondant à la courbe de contre-pression 23 et déterminante pour l'allure de cette courbe et son emplacement sur le graphique, commencerait à une pression intermédiaire supérieure à la valeur P2 de la fig. 2; en outre, la. quantité partielle de gaz de combustion de mesure 52 augmenterai'! par suite de la position inchangée du point C;
le retardement dans le temps* des mo- ments de commande serait un moyen d'abaisser la courbe 23 du graphiqueo Toutefois, la position dessinée de la courbe de contre-pression, c'est-à- dire la pression intermédiaire choisie de P2 = 27,7 atem, représentent la solution optimum pour les conditions représentées par la figure 20
Ce qui a été expliqué pour le premier étage de turbine est vala- ble, de façon analogue, pour le deuxième étage de turbines..
,La surface Ib correspond à la puissance de travail disponible de la quantité partielle de gaz de combustion (48,5 %) qui s'était échappée du premier étage de tur= bine I, 8, 9 et agissant dans le deuxième étage de turbine II, 13, 14, La surface 11 représente la puissance de travail disponible de la quantité partielle de gaz de combustion (25 %) ,qui s'échappe par la soupape de tuyè-
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res 12. La surface Ib est limitée par la contre-pression 23 apparaissant dans la chambre de remplissage 11, puis par la courbe 24 de la contre-pres sion dans les chambres 15,16, 17. La limite latérale est donnée par les or- données passant par les points A et B.
La surface II est limitée par l'expansion de la deuxième quanti- té partielle de gaz de combustion (25 %) suivant courbe BC, et la courbe correspondant à la contre-pression engendrée dans les chambres 15,17, tan- dis que les ordonnées qui limitent la surface II passent par les points B et C. Comme les courbes BC et 23 présentent approximativement la même carac- téristique, on peut réunir dans la chambre 11 la quantité partielle de gaz de combustion de 25 % subissant l'expansion partielle BC, avec la quantité de 48,5% subissant l'expansion partielle AB et alimenter avec cette quantité unique le dispositif à tuyères et à aubages II.
On obtient ainsi des tracés équidistant des courbes 23 et 24 pour- la surface Ib, et BC et 24 pour la surface II. Pour utiliser cette énergie disponible, il est indiqué de recourir à des roues à une seule couronne ayant des vitesses circonférentielles de 300 m/s et des rendements de roue de 75 à 85 %
Tandis qu'il se produit, dans la chambre de remplissage 11 ou dans le dispositif à tuyères II, une telle allure de la courbe d'expansion, une troisième chambre d'explosion, non considérée jusqu'à présent, avait en- voyé dans la conduite de prélèvement des gaz moteurs 17, par l'intermédiaire de sa soupape d'échappement ouverte 19, des gaz de combustion résiduels à raison de 26,5 % de la quantité totale de gaz de combustion.
L'état initial de cette quantité partielle de gaz de combustion résiduels est donné par le point C, c'est-à-dire une pression po et une température de 1100 C ainsi que par une teneur en chaleur correspondante, conformément à la position cor- rigée du point C, relativement à l'axe des ordonnées. L'état final corres- pond au point E. On peut, à nouveau, changer à volonté l'allure de la courbe C E, par déplacement des moments de commande correspondant au point C de la fig. 2 (moment de fermeture des soupapes 12, moment d'ouverture des soupa- pes 19), conjointement avec des modifications appropriées de la pression d'air de chargement, mais, dans les conditions de la fig. 2, cette allure représente un optimum.
Comme le graphique de la fig. 2 ne reproduit pas, sur l'axe des abscisses, des temps, mais bien des volumes de gaz de combustion, la surface de travail II apparaît à côté des surfaces Ia et 1B En réalité, tous les processus considérés se produisentde façon synchrone, de sorte que, si l'on veut se faire une idé.e des quantités de travail fournies simultané- ment, on doit se représenter la surface II du graphique - située en dessous du tronçon de courbe d'expansion B - C - comme amenée par translation sur la surface du graphique située sous le tronçon de courbe d'expansion A - B, jusqu'à coïncidence approchée des courbes 23 et BC.
La fig. 2 montre, dans la surface III, la puissance de travail disponible des gaz de combustion qui pénètrent dans la conduite de prélève- ment de gaz moteurs 17. Leur quantité est égale à 100 %. Leur énergie, don- née par la chute d'expansion depuis la courbe CE et la courbe de contre- pression, peut aussi être utilisée dans un troisième dispositif de roues, de préférence ayant un plus petit diamètre de rotor.
Bien que, dans l'exécution du procédé suivant fig. 2, les tem- pératures moyennes produites, voisines de 1400 C, produisent dans le pre- mier étage de turbine des conditions encore tout à fait supportables pour les aubes mobiles, ainsi que l'on peut le voir par les courbes de tempéra- ture de la fig. 2, néanmoins le refroidissement de ces aubes, des roues et de l'arbre, doit être effectué très soigneusement, pour pouvoir rester à une distance suffisante de la limite de résistance à l'allongement des ma- tériaux utiliséso En ce qui concerne les aubes mobiles, on a constaté les avantages particuliers du refroidissement applique au pied de celles-ci, ainsi qu'il a déjà été proposé précédemment.
L'amenée et l'évacuation de
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l'agent refroidisseur produit aussi,,simultanément, un refroidissement suffi- sant des roues. Par contre,jusqu'à présent, le refroidissement de l'arbre n'a pas été poussé aussi loin que l'a montré l'exemple d'exécution de la fige 1. On reconnaît en 25 l'entrée de l'agent de refroidissement, pour le- quel on peut adopter principalement du glycol, ayant un point d'ébullition de 200 à 300 , avec refroidissement secondaire par eau. L'agent de refroi- dissement parcourt tout d'abord, par l'intermédiaire de la tête 26 et de la pièce évasée 27, le conduit intérieur 31 d'un tube central 28 qui, de son côté extérieur, est pourvu de renflements 30 s'ajustant exactement à l'alésage 29 de l'arbre.
Puis, l'agent de refroidissement parvient dans le creux 32 du bouchon 33, pour être dirigé, par le canal annulaire 34, vers l'interstice annulaire compris entre le tube central 28 et l'alésage 29 de l'arbre. Le bouchon 32 est prévu, dans l'accouplement d'arbre 35 par l'in- termédiaire duquel est transmise la puissance extérieure du générateur de gaz moteurs. Les renflements 30 contiennent, en 38 et 37, d'autres canaux de dérivation pour l'agent de refroidissement, et ces canaux conduisent ce- lui-ci, avec des résistances minima à l'écoulement, dans les conduits d'adduc- tion 40 et 39 des corps de roue 14 et 9.
Puis, l'agent de refroidissement parcourt les rainures annulaires de refroidissement 42 et 41 disposées sur les circonférences des roues, suivant la périphérie, en touchant les pieds des aubes 13 et 8, pour parvenir aux conduits d'évacuation 43 et 44. Ceux-ci aboutissent à des déviations offrant une faible résistance à l'écoulement, prévues dans les renflements 30 et débouchant dans les interstices 47 et 46 situés entre l'alésage 29 de l'arbre et le tube central 28. L'interstice 46 est relié au tuyau d'évacuation 48 de l'agent de refroidissement, tuyau qui peut conduire à l'installation de refroidissement secondaire. Celle-ci rame- ne à nouveau l'agent de refroidissement, après refroidissement secondaire, au raccord d'adduction 25.
De cette manière, il se produit un refroidisse- ment efficace, sur toute la longueur et sur toute la matière du rotor, y com- pris celle des roues et du dispositif d'aubages, et ce refroidissement est entièrement suffisant pour permettre de résister aux conditions de fonction- nement représentées par la fige 2, en toute sécurité, avec une durée de vie suffisante des pièces intéressées, et sans qu'il se produise des sollicita- tions dangereuses.
Des formes d'exécution différentes sont représentées par les fig. 3 et 4. LespLèces de même désignation correspondent ici à celles de l'exemple d'exécution suivant fig. 1. Toutefois, la différence est qu'aux soupapes d'échappement 19 est adjoint un dispositif à tuyères spécial III qui, conjointement avec la roue 49 et l'aubage à une seule couronne 50, for- me un troisième étage de turbine.
Un troisième étage analogue de turbine a été réalisé dans l'exemple d'exécution suivant fig. 4, avec une disposition structurale différente, en ce sens qu'outre le premier dispositif de cham- bre de remplissage 11 on a prévu un deuxième dispositif de chambre de rem- plissage 51; les gaz de combustion sortant de celle-ci, et qui ont fourni du travail dans les étages de turbine 1, 8, 9 et II, 13, 14, sont utilisés en même temps que des gaz de combustion évacués par l'organe d'échappement ouvert 19.
Tous les gaz de combustion ayant subi une expansion partielle sont amenés à la conduite de prélèvement 17. La quantité partielle de gaz de combustion évacuée par la soupape d'échappement 19, et qui est conduite au dispositif de tuyères III suivant la fig. 4, peut aussi être' introduite dans le dispositif de chambre de remplissage 51, comme on l'avait montré sur la fig. 1 pour la soupape de tuyères 12 en liaison avec le dispositif de cham- bre de remplissage 11.
Mais dans les deux cas, la quantité partielle de gaz de combustion évacuée provoque l'apparition d'une contre-pression relative- ment à l'étage de turbine disposé en amont sur le trajet des gaz de combus- tion, et cette contre-pression varie de façon synchrone à la,tension des gaz de combustion servant à injecter cet étage de turbine, et possède en outre la même caractéristique que l'expansion des gaz de combustion dans cet étage de turbine, de sorte que l'on peut utiliser, dans celui-ci, des . chutes d'enthalpie approximativement égales.
Dans l'exemple d'exécution sui- vant fig. 3, les gaz de combustion résiduels du troisième étage de turbine
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III, 49, 50, provoquent également l'apparition d'une contre-pression corres- pondante, mais toutefois dans une mesure un peu moindre, de sorte qu'ici en- core, la chute d'enthalpie affectée à l'aubage 13 peut être considérée com- me approximativement constante.
On voit par les explications qui précèdent que l'on peut créer, conformément à l'invention, une structure de turbines extrêmement simple, avec des roues de rotor à une seule couronne dans chaque étage de turbine, de sorte qu'on est entièrement débarrassé de la nécessité de prévoir des au- bes d'inversion fixes entre les séries d'aubes rotatives. Par suite, les frais occasionnés par ces aubes d'inversion disparaissent, donc aussi le pro- blème du refroidissement suffisant de ces aubes d'inversion. Par la subdivi- sion de la chute totale d'enthalpie en chutes partielles d'enthalpie, on ob- tient en outre une réduction de l'ampleur des modifications de vitesse, que présenteraient les gaz de combustion dans les divers étages si l'on utilisait la quantité totale, de sorte que l'on obtient aussi, de cette manière, un rendement de roue accru.
En outre, on avait signalé le fait que, si 1'on adjoint plusieurs chambres d'explosion à un seul rotor, - auquel cas il faut préférer quatre chambres d'explosion ou quatre groupes de chambres d'explosion, les chambres étant actionnées suivant des cycles de travail concordant au sein de chaque groupe si elles sont disposées en groupe - il y a possibilité de décaler les cycles de travail des différentes chambres ou des différents groupes de cham- bres de telle manière que les roues de rotor soient injectées continuelle- ment.
Des propositions de ce genre figurent en particulier dans le brevet n pv 404.177...., demandé le 22.12.1952 au nom de la demanderesse et ayant pour titre: "Procédé de fonctionnement de générateurs de gaz moteurs produi- sant des gaz de combustion par des explosions, et dispositifs pour la mise en oeuvre du procédé".
Si l'on installe trois étages de turbines, ou un nombre encore plus grand d'étages de turbines, comme le montrent les fig. 3 et 4, il peut se faire que les chutes de pression apparaissant dans le dernier étage ou dans les derniers étages, et affectant les gaz de combustion résiduels qui sont évacués par les soupapes d'échappement 19 pendant que l'air de charge- ment pénètre simultanément dans les chambres d'explosion, ne sont pas suffi- santes pour atteindre des vitesses circonférentielles de 250 m/2 dans le dispositif d'aubage des turbines.
Pour éviter que, dans ces cas, le ou les rotors de cet étage ou de ces étages jouent le rôle de freins, il est possible sans inconvénient de faire en sorte que le diamètre de l'aubage 50 et éventuellement des au- bages suivants, soit plus petit que le diamètre des aubages des étages pré- cédents. De cette manière, avec une vitesse absolue moindre des gaz de com- bustion dans les dispositifs de tuyères disposés en amont, on peut arriver, sans difficulté, à ce que les gaz de combustion résiduels développent tout leur effet,dans le dernier étage de turbine ou dans les derniers étages de turbines. De telles possibilités entrent particulièrement en ligne de compte lorsque les gaz moteurs doivent être fournis, par l'intermédiaire de la con- duite 17, avec une tension relativement élevée.
La commande des organes d'admission et d'échappement décrits, qui ont été représentés sous forme de soupapes, mais à la place desquels on peut aussi mettre, sans difficulté, des tiroirs, des orifices d'échappe- ment et d'admission commandés par membranes, etc..., peut s'effectuer des manières les plus diverses, que ce soit par voie mécanique, pneumatique, hy- draulique, électrique, magnétique, électromagnétique, hydro-mécaniques, hy- dro-électrique, pneumo-mécanique, pneumo-électrique, ou de toute autre ma- nière appropriée. De telles commandes et de tels dispositifs de réglage des processus commandés sont connus et ne font pas diréctement l'objet de la présente invention.
De tels dispositifs de commande et de réglage ont déjà été montrés, par exemple, dans les brevets américains suivants:
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EMI11.1
<tb> No <SEP> 1,756.139 <SEP> demandé <SEP> le <SEP> 22 <SEP> juin <SEP> 1927
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<tb> No <SEP> 1,763,154 <SEP> " <SEP> " <SEP> 11 <SEP> mars <SEP> 1927
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<tb> No <SEP> 1,786.946 <SEP> Il <SEP> " <SEP> 13 <SEP> mai <SEP> 1927
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<tb> No <SEP> 1.933.385 <SEP> " <SEP> " <SEP> 23 <SEP> janvier <SEP> 1932
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<tb> No <SEP> 2.010.019 <SEP> " <SEP> " <SEP> 5 <SEP> juillet <SEP> 1929
<tb> No <SEP> 2.063.928 <SEP> " <SEP> " <SEP> 21 <SEP> décembre <SEP> 1933.
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