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PERFECTIONNEMENTS APPORTES AUX INSTALLATIONS DE FORCE MOTRICE COMPRENANT
DES TURBINES A COMBUSTION INTERNE.
L'invention est relative aux machines motrices et concerne plus spécialement les turbines à gaz à combustion interne,
L'objet général de l'invention est de prévoir une structure de turbine à gaz de combustion interne spécialement appropriée, bien que non li- mitée, aux réalisations sous forme d'installations ou unités relativement pe- tites ayant un champ étendu d'applications.
La présente invention peut être utilisée pour la propulsion à réaction proprement dite, et réalisée dans des turbines à gaz destinées à actionner les propulseurs ou hélices et rotors d'avions, comme moteur d'entr aî- nement sur des véhicules et des bateaux ainsi que comme installation motrice d'usage général et comme producteur de gaz à vitesse élevée.
L'installation motrice peut ètre établie en diverses dimensions Les plus petites installations de turbine qui sont autonomes pour la produc- tion de gaz à vitesse élevée, peuvent être montées circonférentiellement, sur l'anneau de stator d'un ensemble rotor de turbine à gaz, soit isolément soit à plusieurs, à l'aide d'adapteurs appropriés. Lorsqu'on utilise plus d'une installation motrice de l'invention, diverses puissances peuvent etre obtenues du rotor de turbine actionné, en permettant le maximum d'efficacité de fonc- tionnement, Bien qué de petites modifications puissent *être désirables pour certaines adaptations, les caractéristiques du mécanisme de turbine de l'in- vention lui confèrent pratiquement une applicabilité universelle.
C'est uncobjet important de l'invention de prévoir une instal- lation motrice de turbine à gaz à combustion interne, réduite et compacte, peu onéreuse de fabrication et de fonctionnement, et qui constitue une unité autonome. L'installation motrice de l'invention est petite, de faible poids et d'une configuration qui en permet l'adaptation facile pour son installa- tion dans pratiquement toutes les situations. La puissance développée est. exceptionnellement élevée eu égard au poids et encombrement, et la disposition
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de l'installation assure une efficacité élevée de fonctionnement. L'unité est en elle-même complète, comprenant un système de démarrage et un système d'allumage, un système de lubrification, un système d'injection de combus- tible ainsi qu'un contrôle et un régulateur de vitesse simples.
Un autre objet de l'invention est de prévoir une installation motrice du genre défini comprenant un seul rotor qui porte sur sa face avant une rangée d'aubes de compresseur centrifuge se transformant en pales ou au- bages de turbine à réaction, et une rangée d'augets ou palettes de turbine sur sa face arrière, et se prolongeant en dehors des faces du rotor suivant une direction axiale.
Les pales ou aubages de turbine qui continuent les aubes du compresseur sur la face avant du rotor de la turbine sont infléchis en arrière du sens de rotation du rotor, l'air échauffé en ce point par condue- tion et contact direct à travers des ouvertures du rotor avec les gaz chauds qui viennent frapper les augets ou palettes de turbine de la face arrière du rotor, se dilatant et ceci, joint à la déviation qu'il subit en traversant les aubages ou pales de turbine, communique au rotor unepoussée tangentielle qui aide à sa rotation L'air quittant le propulseur tangentiellement élimi- ne la nécessité d'aubes de diffusion.
Le transfert de chaleur, en refroidis- sant d'une part les augets ou palettes arrière de la turbine permet l'emploi d'une température de fonctionnement bien plus élevée, et, d'autre part, ef- fectue un travail utile sur l'air lorsque celui-ci traverse les pales ou au- bages avant de la turbine, produisant une réaction, et en outre réchauffant l'air, ce qui à son tour réduit la consommation de combustible.
Un autre objet de l'invention est de prévoir une installation de force motrice de la classe définie, caractérisée par une disposition com- pacte et avantageuse des éléments, réalisant une économie de poids et de ma- tière et accroissant le rendement d'ensemble de l'installation.
La combinaison compresseur-turbine est comprise dans un seul rotor et procure ainsi une réduction de la longueur hors tout de l'installa- tion. La pompe à combustible, le propulseur ou pompe de circulation d'huile, et la griffe de démarrage sont tous montés sur un arbre commun au rotor, ce qui signifie qu'en fonctionnement, il n'y a qu'un seul organe tournant monté sur deux paliers anti-friction. Le rendement est supplémentairement accru et les dimensions et poids sont encore réduits en agençant le régénérateur ou l'échangeur de chaleur dans le canal d'écoulement d'air principal venant du compresseur et dans une position propre à lui permettre de recevoir une décharge gazeuse de la turbine. La chambre de combustion cylindrique est mon- tée dans l'alignement du rotor et concentriquement avec lui.
L'extrémité avant de la chambre de combustion est graduellement évasée vers l'extérieur en vue d'une décharge radiale à travers l'anneau de stator et la turbine.
La chambre de combustion étant montée intérieurement à l'échangeur de cha- leur et espacée de celui-ci, il en résulte une économie supplémentaire d'em- placement.
Un autre objet de l'invention est dévoir une installation motrice du genre défini ci-dessus comprenant un système de démarrage libéra- ble, Un moteur excité par un courant de batterie fait tourner l'arbre du ro- tor, ce qui donne lieu à un écoulement de combustible de la pompe à combusti- ble au pulvérisateur de combustible de la chambre de combustion, à l'excita= tion d'un corps incandescent disposé près du pulv.érisateur de combustible de manière à enflammer le mélange de combustible et d'air, et à l'écoulement de l'air à partir du compresseur centrifuge. L'opération de démarrage est ef- fectuée en amenant le levier de contrôle dans la position "marche". Ceci ouvre légèrement la valve à combustible.
Le déplacement du levier ferme un circuit partant de la batterie vers le commutateur à solénoide du moteur de démarrage. Simultanément le solénoide branché aux bornes du dit moteur s'excite et fait coulisser la griffe de démarrage de l'arbre du moteur en prise avec la griffe de l'arbre de la turbine. Un corps incandescent est également branché en parallèle avec le moteur électrique et est de même exci- té. L'arbre de turbine portant la pompe à combustible et le compresseur d'air ayant atteint une vitesse convenable,un mélange de combustible et d'air est débité dans la chambre de combustion, mélange qui est enflammé par
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le corps incandescent.
Lorsque le compresseur est accéléré sous l'influen- ce des gaz chauds agissant sur la turbine, une pression d'air suffisante est créée pour actionner un commutateur sensible à la pression, qui ouvre le cir- cuit du commutateur à solénoide du moteur,lequel à son tour coupe le cou- rant du solénoïde actionnant,la griffe de démarrage et le courant du corps incandescent, .De part son énergie propre, l'arbre de turbine tourne plus vite que le moteur de démarrage et de désengage du dit moteur en repoussant en arrière la griffe de démarrage à denture hélicoïdale sur l'arbre du mo- teur.
Le moteur du démarreur, les pompes à combustible et à huile sont in- corporés dans un ensemble compact fixé de manière amovible au carter ou loge- ment de l'unité principale de l'installation, pour la facilité de montage, de service et de remplacement. Le réservoir à huile de section en forme de croissant, est fixé par brides autour de la moitié inférieure de l'ensemble comprenant le moteur du démarreur et les pompes à combustible et à huile, et coopère avec des trous pratiqués dans le carter de la pompe à huile pour recevoir l'huile balayée des logements de paliers et distribuer de l'huile filtrée du réservoir à la pompe.
Un autre objet de l'invention est de prévoir une installation motrice de la classe définie,dans laquelle la vitesse de fonctionnement est contrôlée par la pression développée par la pompe centrifuge à combustible.
Lorsque la vitesse du rotor de turbine et de ce fait la vitesse de la pompe à combustible croît, la pression du combustible croit. La valve de contrôle du combustible consiste en une valve du type à piston non équilibré. La val- ve comporte une perforation axiale pour transférer de la pression à partir du coté de mesurage de la valve vers la section arrière plus large conformée en piston, 'La valve est ouverte par un ressort interposé entre un organe as- socié au levier de commande et le piston. Pour une position de réglage don- née du levier, le ressort ouvre la valve, et lorsque la pression croit dans la pompe à combustible en raison de l'accroissement de la vitesse, le piston comprime le ressort, tendant à réduire l'ouverture de la valve, On obtient ainsi un réglage à vitesse constante.
Conformément à l'invention on prévoit dans une installation motrice à turbine à combustion interne, une turbine à écoulement comprenant deux zones de détente et un rotor à aubages d'impulsion et dé réaction, fonctionnant dans les dites zones de détente, une chambre de combustion fournissant des gaz chauds à l'entrée des dites zones de déten- te influencées par les dits gaz, pour faire tourner le rotor de la turbine.
Une réalisation type préférée, de l'invention, est illustrée par les dessins annexés, sur lesquels
Figs. 1 et la représentent une élévation de côté d'une instal- lation motrice selon l'invention;
Figs. 2 et 2a représentent une vue en coupe de l'installation motrice avec une partie du moteur de démarrage représenté en élévation la- térale;
Fig. 3 est une vue schématique d'une partie de la combinaiscn compresseur-turbine de la face avant du rotor;
Fig. 4 est une vue schématique d'une partie des pales ou auba- ge du rotor et des aubes directrices du stator de la turbine du côté arrière du-rotor;
Fig. 5 est une vue en coupe transversale du distributeur de combustible et de la valve de contrôle, Fig. 6 est un schéma des moyens de démarrage, d'allumage, de la valve de contrôle du combustible et des autres parties associées,
L'installation motrice de l'invention a un champ étendu d'ap- plications, et est susceptible de variation et de modification en vue de son adaptation à des usages particuliers.
Dans la fig. 1 on a illustré une ins- tallation principalement appropriée à la propulsion d'un avion ou semblable, et. on décrira ci-après ces réalisations et application, étant entendu que ces illustration et description sont données uniquement à titre d'exemple et ne doivent pas être considérées comme limitant l'invention soit dans sa po@tée
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soit dans ses applications.
L'installation motrice ou appareil de l'invention peut être considérée comme comportant généralement les éléments- principaux suivants une installation motrice P comprenant des moyens de compression 10, un échangeur de chaleur 11 recevant l'air comprimé des moyens de compression, une chambre de combustion 12, une turbine 13 recevant l'air et les gaz de la chambre 12 et servant à mouvoir les moyens de compression 10, une alimenta- tion de lubrifiant et une alimentation de combustible. L'appareil comprend en outre un système d'alimentation d'huile 15, un système d'alimentation de combustible 16, des moyens de démarrage 17, et des moyens de contrôle de vi- tesse 18.
L'installation motrice P comprend un ensemble-enveloppe pour contenir les divers éléments prémentionnés. Cet ensemble comprend une sec- tion intermédiaire 21, qui est un organe annulaire ou tubulaire pouvant être formé d'un moulage en dural -- un alliage contenant un pourcentage élevé d'aluminium et un faible pourcentage de cuivre - ou bien en acier coulé ou analogue. La. portion arrière de la section 21 se prolonge sous forme de , quatre nervures ou bras 22 de section en T.
Ces bras s'écartent radialement vers l'extérieur et se raccordent à une bride circulaire 23 se disposant concentriquement à l'adapteur 24 et y fixée par des boulons circonférentiel- lement espacés, dont l'enlèvement découvre le rotor R, attaché à la section 21 par l'arbre S et des paliers 27 et 28, et découvre également l'anneau de stator 14 attaché à l'adapteur 24 à l'aide de boulons 29 et des pièces d'é- cartement, à profil ën ligne de flux, circonférentiellement espacées, 30 et 31. L'extrémité avant du tube à flammes sera également découverte et exposée, ce qui procure l'accès au brûleur ou pulvérisateur de combustible 32.
L'adap- teur 24 se prolonge vers l'arrière et l'extérieur, sa surface intérieure dé- crivant un arc de 90 , en se terminant par une bride 26 à laquelle est fixée l'enveloppe externe, conique, 33, de l'échangeur de chaleur 11,à l'aide des boulons 25 circonférentiellement espacés. L'extrémité arrière de l'enveloppe externe 33 se termine par une bride circonférentielle 34 qui vient en engage- ment avec, et est assujettie à une bride analogue du déflecteur en forme de coupelle ou plateau, 35, à l'aide de boulons circonférentiellement espacés 37. Le déflecteur 35 et l'enveloppe 33 sont établis en acier inoxydable ou analogue.
Le déflecteur 35 peut être détaché de l'échangeur de chaleur 11 par l'enlèvement des boulons 37 én découvrant l'extrémité arrière du tube à flammes 12 et les extrémités avant des ajutages d'échappement 38, ensemble avec le brûleur 32 attaché. Les ajutages d'échappement 38, en acier inoxy- dable ou analogue,, sont circonférentiellement espacés et soudés en place par rapport au déflecteur 35. Les extrémités avant des ajutages d'échappe- ment ou de jet traversent également un autre organe circulaire 39 de section droite semi circulaire, et sont uniformément espacées circonférentiellement et soudées en place.
Les moyens de compression 10 comprennet 4 entrées A circonfé- rentiellement espacées, protégées par des écrans 40, qui conduisent de l'air à l'entrée axiale du compresseur centrifuge.
Les moyens de compression 10 compressant en outre un rotor prin- cipal ou central R portant des aubages de compresseur et de turbine, le rotor R étant une roue compresseur-turbine combinés portant des -ambages de compres- seur et des pales de turbine sur sa face avant et des augets en palettes de turbine sur sa face arrière. Le rotor R est disposé coaxialement dans l'en- semble-enveloppe, et. il est tourillonné à son extrémité avant. L'organe 21 procure le logement de deux paliers anti-friction 27 et 28 de disposition ap- propriée. Les paliers 27 et 28 supportent l'arbre S en alignement convena- ble avec les diverses sections et permet la rotation du rotor R qui est fixé à l'arbre S à l'aide de l'écrou 41 et des clavettes d'entraînement, voir fig.2.
La chambre de compression annulaire 47 est délimitée par la face arrière du couvercle terminal 43 du logement des paliers, lequel couver- cle est pourvu d'une gorge ou rainure propre à loger un double scellement d'hui- le 44 disposé autour de l'arbre S. En coopération avec les joints d'huile on prévoit un organe de poussée 44 en acier à haute résistance enfilé à s@@@ @@e
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ou contracté sur l'arbre s.
La portion arrière de la chambre du compresseur annulaire est délimitée par le couvercle 46 en acier embouti et la face avait du rotor R. Le couvercle terminal du logement des paliers, 43, et le couver- cle 46 de l'impulseur s'étendent vers l'intérieur et axialement l'un vers l'autre formant un passage d'étendue décroissante dans la direction de l'é- coulement de l'air. Des aubes d'impulseur 48 sont disposées sur le rotor
R pour travailler dans la chambre 47. Les aubes 48 du compresseur ont leur bord qui est situé à l'entrée axiale recourbé en avant dans le sens de la rotation du rotor afin de minimiser le choc de l'air lorsqu'il pénètre dans l'impulseur.
Les aube s,s'étendent radialement à partir du moyeu du rotor R, jusqu'à ce qu'elles se raccordent ou se transforment en pales de turbine à réaction 49, voit fig. 3. Les bords extérieurs des aubes 48 et des pales
49 s'adaptent à mais présentent un jeu approprié vis-à vis de la surface in- terne courbe de la paroi 46. L'air qui quitte la face avant du rotor R, le fait tangentiellement et, en raison de la vitesse périphérique du rotor dans' un sens opposé, cet air s'écoule dans l'enveloppe formée par l'adapteur
34 suivant une direction essentiellement radiale, en obviant ainsi à la né- cessité d'un aubage diffuseur.
Résumant la description détaillée ci-dessus, on observera que les moyens de compression 10 comprennent les ouvert-ares d'entrée A pour rece- voir de l'air dans la chambre du compresseur 47, l'aubage compresseur 48 tra- vaillant dans la chambre 47, les augets ou pales de turbine 49 coopérant pour débiter dans le passage de décharge du compresseur 50.
L'air sous pression fourni par les moyens de compression 10 traverse l'échangeur de chaleur ou régénérateur 11 en allant vers la chambre de combustion 12. L'échangeur de chaleur 11 comprend l'enveloppe tronconi- que mentionnée plus haut 33 se prolongeant vers l'arrière à partir de la bri- de 26 de l'adapteur jusqu'à la bride du déflecteur 35. Le déflecteur fait dé- vier l'air d'un angle approximativement de 182 pour pénétrer dans l'extrémi- té arrière de l'ensemble de la chambre de combustion et du tube à flammes, 12.
L'air après avoir traversé l'échangeur de chaleur 11 est en outre échauffé par son passage entre les ajutages d'échappement uniformément espacés, 38.
Ces ajutages sont de section en ligne de flux et offrent très peu de résistan- ce a l'écoulement de l'air entre et autour d'eux.
La paroi interne de l'échangeur de chaleur 11 est formée par une autre enveloppe tronconique 51, concentriquement espacée de l'enveloppe externe 33. Cette enveloppe 51, en acier inoxydable ou analogue, est mainte- nue en place à serrage ou coincée à l'avant sur un siège conique 52 de l'en- semble d'adapteur 24, et à l'arrière par un autre siège conique externe 53, lequel siège est formé par la lèvre avant interne.de l'organe de section se- mi-circulaire 39.
L'adapteur 24 sert en outre à localiser l'ensemble de l'anneau de stator. Des boulons résistants, allongés et prisonniers, 29, traversent l'enveloppe extérieure 24, les pièces d'écartement conformées en ligne de flux 30, l'anneau déflecteur intermédiaire 54, les secondes pièces d'écartement de section en ligne de flux, et sont vissés dans l'ensemble d'anneau de sta- tor 14, assurant l'espacement concentrique de l'ensemble d'anneau de sta- tor 14, et de l'anneau déflecteur intermédiaire 54 l'un avec l'autre et éga- lement avec l'enveloppe externe de l'ensemble d'adapteur 24.
La chanbre de combustion contient un tube à flammes de section tubulaire, concentriquement espacé, et comportant une entrée d'air rétrécie.
Environ le quart de l'air total pénètre par les aubages de tourbillonnement 56 et les petites ouvertures 57 poinçonnées dans la chicane du tube à flammes.
Du combustible est fourni au brûleur 32 par les moyens d'alimentation de com- bustible 15, étranglés dans la mesure voulue par la valve de réglage de com- bustible manuellement actionnée, ou régulateur, 18. Le mélange d'air et de combustible est enflammé par le corps incandescent ou organe d'allumage asso- cié au brûleur 32. De l'air de refroidissement est admis pour concourir à la combustion, par les ouvertures 58; de l'air de dilution est admis par les ouvertures 59 pour limiter la température du mélange à environ 900 C avant
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que la charge ne pénètre dans le logement des aubages directeurs du stator, 14, par l'ajutage 60 de la chambre de combustion.
Les gaz chauds, en s'écoulant dans les aubages directeurs du stator 61 sont déviés de manière à pénétrer sans chocs dans les augets ou pa- lettes de turbine 13. Les angles des aubes directrices 61 et des palettes on augets de turbine 13 sont calculés de manière à fournir juste assez de puis- sance pour actionner les moyens de compression d'air 10, et les dispositifs auxiliaires 15 et 16. Les gaz s'échappent du bord extérieur du rotor de tur- bine R, et forment le jet de propulsion dans l'application particulière con- sidérée de l'invention.
L'ajutage d'échappement est formé par le passage interne 62 de l'ensemble adapteur 24; à partir de ce point, les gaz s'écou- lent entre l'enveloppe tronconique externe 51 et une autre enveloppe tronco- nique 63 qui est fixée à son extrémité antérieure, par des rivets, à l'ensem- ble de l'anneau, de stator 14, et maintenue concentriquement sur l'enveloppe externe 64 de la chambre de combustion 12 par un joint à glissement.
Les gaz transmettent une certaine partie de leur chaleur à l'air plus froid s'écoulant à partir du compresseur dans le passage adja- cent, et transmettent une certaine quantité de' chaleur à l'air de refroidis- sement autour du tube à flammes 55, par conduction à travers l'enveloppe ex- terne 64 de la chambre de combustion. Les gaz passent alors en sortie sous forme d'un jet à grande.vitesse à travers l'ajutage de propulsion N constitué par les tubes évasés 38 de section en ligne de flux. Des guides 65 constitués par des pièces coulées ou par des corps matricés en tôle d'un métal résis- tant à la chaleur, et soudés en place entre les ouvertures de la section 39, servent à guider les gaz vers l'entrée des tubes 38 sans turbulence ou choc.
Le rotor R fixé à l'arbre S actionne la pompe centrifuge à huile 66 qui prélève de l'huile du réservoir à huile 67 via le filtre 68, et ramène l'huile au réservoir par les perforations et rainures 69.
L'huile est débitée dans la gorge annulaire 70,- et elle est projetée vers l'extérieur par action centrifuge, à travers les ouvertures
71 forées dans les impulseurs 66. Un brouillard d'huile est formé qui lu- brifie de.. façon adéquate les deux paliers 27 et 28. Les flancs externes des impulseurs sont également perforés radialement pour agir à la manière de pompes de balayage en assurant l'enlèvement de l'excédent d'huile. L'huile venant du logement des paliers 21, qui est mise en circulation à travers le réservoir d'huile 67, maintient les paliers froids.
Les moyens d'alimentation de combustible 16 comprennent une pompe centrifuge clavetée à l'arbre, et maintenue en place par le manchon 73 de la griffe de démarrage. L'impulseur 74 est du type à entrée radiale et décharge radiale, avec les bords extérieurs des pales inclinés en avant pour donner un léger accroissement de pression lors d'un accroissement de la vi- tesse d'écoulement. Deux organes de projection d'huile, 72, et une chicane
75 placée derrière l'impulséur 74, forment un joint entre la pompe et le lo- gement des paliers. Du combustible destiné à la pompe est aspiré par l'ouver- ture 76 et refoulé ou déchargé par l'ouverture 77 (voir Fig. 1). A partir de la décharge 77, le combustible est conduit au dispositif de contrôle de combustible 18 (voir fige 5).
L'ouverture perforée 78 de ce dispositif cons- titue l'entrée vers le filtre 79, d'où le combustible s'écoule à l'orifice de mesurage 80. Le piston et la valve de contrôle 81 sont écartés du siège ou orifice 80 sous l'influence du ressort 82 contrôlé par le manchon 83 et le téton excentrique 84 lorsque le levier 85 est amené dans la position "marche".
Du combustible mis sous pression s'écoule vers le brûleur par un passage re- lié à la perforation 86. En même temps, du combustible sous- pression est envoyé à l'arrière du piston élargi 87 par le conduit perforé 88. Tout sur- croît de vitesse de la turbine se traduit par un accroissement de pression qui est transmis au piston 87; ceci comprime le ressort 82 et coupe l'ali- mentation de combustible à l'orifice de mesurage 80. Pour toute position de réglage du levier de contrôle 85, une vitesse définie est choisie pour la turbine, qui ne peut être dépassée à moins que le dispositif de contrôle ne soit amené dans une position correspondant à un nombre plus élevé de révolu-
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tions dans l'unité de temps.
Un tampon de friction 89, portant sur l'arbre excentrique, permet une sélection variable des vitesses.
Le rotor R est constitué par un moulage de précision en acier au chrome réfractaire, ou analogue. L'anneau de stator est également cons- titué par un moulage de précision en acier au chrome résistant aux températu- res élevées et ne s'écaillant pas. L'arbre 5 est établi en acier chrome-ni- ckelo Le tube à flammes 55 est fabriqué en alliage "Nimonic 80", ou analo- gue.
Le fonctionnement se comprend comme suit : Pour la mise en mar- che de l'installation le levier de contrôle 85 est amené dans la position "mar- che". Ceci ferme le commutateur principal 92 pour exciter le moteur de démar- rage 17 et fournir du courant à l'organe d'allumage 93, et au solénoide 96 destiné à engager la griffe de démarrage 94 de l'arbre du moteur de démarrage avec celle de larbre de la turbine. Le moteur de démarrage accélère le rotor de turbine, les moyens compresseurs centrifuges d'air, 10, et la pompe à combustible 16, pour débiter de l'air et du combustible au brûleur 32 dans la chambre de combustion 12. Le mélange s'enflamme lorsqu'il est amené en contact avec l'organe d'allumage 93 y monté.
Les gaz en se détendant aident le moteur de démarrage jusqu'au moment où le commutateur sensible à la pres- sion, 95, relié à 1'.ajutage de sortie du compresseur 50, rompt le circuit du moteur de démarrage, de l'organe d'allumage et du'solénoïde 96. La vitesse du dispositif est maintenant contrôlée par le mouvement de l'unité de con- trle de vitesse à action manuelle, 18. L'installation est arrê tée en ame- nant le levier de contrôle 85 de la valve à combustible dans la position "arrêt". La phase de démarrage est entièrement automatique, et pour un dé- marrage normal il suffit de mouvoir le levier 85 dans la position "marche".
La présente invention procure une installation motrice à turbine à gaz à combustion continue, de petites dimensions, qui a un rende- ment comparable aux meilleurs rendements des petits moteurs à essence à mou- vement alternatif, et produisant un plus grand nombre de chevaux par unité de poids que les moteurs à mouvement alternatif. L'installation motrice de l'invention comprend un plus petit nombre de parties, est plus compacte, et a une durée de vie plus longue que des moteurs à mouvement alterna tif; elle est parfaitement équilibrée et pratiquement exempte de vibrations. En ou- tre, l'installation motrice est bien appropriée aux méthodes de fabrication en série, et ses accessoires intégrés facilitent les montage et entretien.
L'invention n'est pas limitée à une disposition type, mais englobe les variantes ou modifications qui apparaîtront aux gens de métier ou rentrent dans la portée des revendications.
REVENDICATIONS.
1. - Une installation motrice à turbine à combustion interne comportant deux zones de détente et un rotor de turbine pourvu d'un aubage d'impulsion et d'un aubage de réaction travaillant dans les dites zones de détente, et une chambre de combustion fournissant des gaz chauds à l'en- trée des dites zones de détente pour leur passage à travers ces zones.
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IMPROVEMENTS MADE TO MOTOR FORCE INSTALLATIONS INCLUDING
INTERNAL COMBUSTION TURBINES.
The invention relates to prime movers and relates more particularly to internal combustion gas turbines,
The general object of the invention is to provide an internal combustion gas turbine structure especially suitable, although not limited, for embodiments in the form of relatively small installations or units having a wide field of applications. .
The present invention can be used for the actual jet propulsion, and carried out in gas turbines intended to actuate the propellers or propellers and rotors of airplanes, as a drive motor on vehicles and boats as well as as a general-purpose power plant and as a high-speed gas producer.
Power plant can be made in various sizes Smaller turbine plants which are self-contained for high speed gas production can be mounted circumferentially on the stator ring of a gas turbine rotor assembly , either individually or in groups, using appropriate adapters. When more than one power plant of the invention is used, various powers may be obtained from the driven turbine rotor, allowing maximum operating efficiency. Although small modifications may be desirable for some adaptations. , the characteristics of the turbine mechanism of the invention give it practically universal applicability.
It is an important object of the invention to provide a power plant for an internal combustion gas turbine which is small and compact, inexpensive to manufacture and operate, and which constitutes a self-contained unit. The power plant of the invention is small, light in weight, and of a configuration which allows it to be easily adapted for installation in virtually any situation. The developed power is. exceptionally high in view of the weight and size, and the layout
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of the installation ensures high operating efficiency. The unit is complete in itself, comprising a starting system and ignition system, lubrication system, fuel injection system as well as simple control and cruise control.
Another object of the invention is to provide a power plant of the type defined comprising a single rotor which carries on its front face a row of centrifugal compressor blades transforming into reaction turbine blades or blades, and a row of turbine buckets or vanes on its rear face, and extending outside the faces of the rotor in an axial direction.
The turbine blades or vanes which continue the compressor vanes on the front face of the turbine rotor are bent backwards from the direction of rotation of the rotor, the air heated at this point by condue- tion and direct contact through openings of the rotor with the hot gases which strike the turbine buckets or vanes of the rear face of the rotor, expanding and this, together with the deflection which it undergoes when passing through the blades or turbine blades, communicates to the rotor a tangential thrust which Helps in its rotation The air leaving the thruster tangentially eliminates the need for diffusion vanes.
The heat transfer, by cooling the rear buckets or vanes of the turbine on the one hand, allows the use of a much higher operating temperature, and, on the other hand, does useful work on the turbine. air as it passes through the front blades or vanes of the turbine, producing a reaction, and further heating the air, which in turn reduces fuel consumption.
Another object of the invention is to provide a motive power installation of the defined class, characterized by a compact and advantageous arrangement of the elements, achieving a saving in weight and material and increasing the overall efficiency of the unit. installation.
The compressor-turbine combination is included in a single rotor and thus provides a reduction in the overall length of the installation. The fuel pump, the propellant or oil circulation pump, and the starter claw are all mounted on a shaft common to the rotor, which means that in operation there is only one rotating member mounted on two anti-friction bearings. Efficiency is further increased and dimensions and weight are further reduced by arranging the regenerator or heat exchanger in the main air flow channel from the compressor and in a position suitable for allowing it to receive a gas discharge of the turbine. The cylindrical combustion chamber is mounted in alignment with the rotor and concentrically with it.
The front end of the combustion chamber is gradually flared outward for radial discharge through the stator ring and turbine.
The combustion chamber being mounted internally to the heat exchanger and spaced therefrom, this results in an additional saving in space.
Another object of the invention is to develop a power plant of the type defined above comprising a releasable starting system. A motor excited by a battery current turns the rotor shaft, which gives rise to a flow of fuel from the fuel pump to the fuel pulverizer in the combustion chamber, to the excitation of an incandescent body disposed near the fuel pulverizer so as to ignite the fuel mixture and air, and the flow of air from the centrifugal compressor. The starting operation is carried out by moving the control lever to the "on" position. This opens the fuel valve slightly.
Movement of the lever closes a circuit from the battery to the starter motor solenoid switch. Simultaneously the solenoid connected to the terminals of said motor is energized and slides the starting claw of the motor shaft into engagement with the claw of the turbine shaft. An incandescent body is also connected in parallel with the electric motor and is likewise energized. The turbine shaft carrying the fuel pump and the air compressor having reached a suitable speed, a mixture of fuel and air is delivered into the combustion chamber, mixture which is ignited by
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the incandescent body.
When the compressor is accelerated under the influence of hot gases acting on the turbine, sufficient air pressure is created to actuate a pressure sensitive switch, which opens the circuit of the solenoid switch of the engine, which in turn cuts the current of the actuating solenoid, the starter claw and the current of the incandescent body,. From its own energy, the turbine shaft rotates faster than the starting motor and disengages said motor in pushing the helical starting claw back onto the motor shaft.
The starter motor, fuel and oil pumps are incorporated in a compact assembly that is removably attached to the housing or housing of the main unit of the installation, for ease of assembly, service and maintenance. replacement. The oil tank of crescent-shaped section is fixed by flanges around the lower half of the assembly comprising the starter motor and the fuel and oil pumps, and cooperates with holes made in the pump housing to receive the oil swept from the bearing housings and distribute filtered oil from the reservoir to the pump.
Another object of the invention is to provide a power plant of the defined class, in which the operating speed is controlled by the pressure developed by the centrifugal fuel pump.
As the speed of the turbine rotor and hence the speed of the fuel pump increases, the fuel pressure increases. The fuel control valve consists of an unbalanced piston type valve. The valve has an axial perforation to transfer pressure from the measuring side of the valve to the wider rear piston-shaped section. The valve is opened by a spring interposed between a member associated with the control lever. control and piston. For a given lever adjustment position, the spring opens the valve, and when pressure increases in the fuel pump due to the increase in speed, the piston compresses the spring, tending to reduce the opening of the fuel pump. the valve, A constant speed adjustment is thus obtained.
According to the invention there is provided in a power plant with an internal combustion turbine, a flow turbine comprising two expansion zones and a rotor with impulse and reaction blades, operating in said expansion zones, a combustion chamber supplying hot gases to the inlet of said expansion zones influenced by said gases, in order to turn the rotor of the turbine.
A preferred typical embodiment of the invention is illustrated by the accompanying drawings, in which
Figs. 1 and 1a are a side elevation of a power plant according to the invention;
Figs. 2 and 2a show a sectional view of the power plant with part of the starter motor shown in side elevation;
Fig. 3 is a schematic view of part of the compressor-turbine combination of the front face of the rotor;
Fig. 4 is a schematic view of part of the rotor blades or vane and of the guide vanes of the turbine stator on the rear side of the rotor;
Fig. 5 is a cross-sectional view of the fuel distributor and the control valve, FIG. 6 is a diagram of the starting and ignition means, the fuel control valve and other associated parts,
The power plant of the invention has a wide field of applications, and is susceptible of variation and modification with a view to its adaptation to particular uses.
In fig. 1 there is illustrated an installation mainly suitable for propelling an airplane or the like, and. these embodiments and application will be described below, it being understood that these illustration and description are given by way of example only and should not be considered as limiting the invention either in its scope
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either in its applications.
The power plant or apparatus of the invention can be considered as generally comprising the following main elements: a power plant P comprising compression means 10, a heat exchanger 11 receiving the compressed air from the compression means, a pressure chamber. combustion 12, a turbine 13 receiving the air and gases from the chamber 12 and serving to move the compression means 10, a lubricant supply and a fuel supply. The apparatus further comprises an oil supply system 15, a fuel supply system 16, starting means 17, and speed control means 18.
The power plant P comprises an envelope assembly for containing the various elements mentioned above. This assembly comprises an intermediate section 21, which is an annular or tubular member which can be formed of a casting of dural - an alloy containing a high percentage of aluminum and a low percentage of copper - or of cast steel or similar. The rear portion of section 21 is extended in the form of four ribs or arms 22 of T-section.
These arms move radially outward and connect to a circular flange 23 which is concentrically disposed with adapter 24 and secured thereto by circumferentially spaced bolts, the removal of which uncovers the rotor R, attached to the section. 21 by the shaft S and the bearings 27 and 28, and also uncovers the stator ring 14 attached to the adapter 24 by means of bolts 29 and spacers, with a streamline profile , circumferentially spaced, 30 and 31. The forward end of the flame tube will also be uncovered and exposed, providing access to the burner or fuel atomizer 32.
The adapter 24 extends rearward and outward, its interior surface describing an arc of 90, terminating in a flange 26 to which is attached the outer, conical shell 33 of the adapter. heat exchanger 11, using circumferentially spaced bolts 25. The rear end of the outer casing 33 terminates in a circumferential flange 34 which engages with, and is secured to a similar flange of the cup or plate-shaped baffle, 35, by circumferentially bolts. spaced apart 37. The baffle 35 and the casing 33 are made of stainless steel or the like.
The baffle 35 can be detached from the heat exchanger 11 by removing the bolts 37 revealing the rear end of the flame tube 12 and the front ends of the exhaust nozzles 38, together with the burner 32 attached. The exhaust nozzles 38, of stainless steel or the like, are circumferentially spaced and welded in place with respect to the baffle 35. The front ends of the exhaust or jet nozzles also pass through another circular member 39 of the nozzle. semicircular cross section, and are evenly spaced circumferentially and welded in place.
The compression means 10 comprises 4 circumferentially spaced inlets A, protected by screens 40, which conduct air to the axial inlet of the centrifugal compressor.
The compression means 10 further compressing a main or central rotor R carrying compressor and turbine blades, the rotor R being a combined compressor-turbine wheel carrying compressor legs and turbine blades on its side. front face and turbine pallet buckets on its rear face. The rotor R is arranged coaxially in the envelope assembly, and. it is journaled at its front end. The member 21 provides the housing for two anti-friction bearings 27 and 28 of suitable arrangement. The bearings 27 and 28 support the shaft S in suitable alignment with the various sections and allow the rotation of the rotor R which is fixed to the shaft S by means of the nut 41 and the drive keys, see fig. 2.
The annular compression chamber 47 is delimited by the rear face of the end cover 43 of the housing of the bearings, which cover is provided with a groove or groove suitable for accommodating a double seal of oil 44 disposed around the housing. shaft S. In cooperation with the oil seals there is provided a thrust member 44 in high resistance steel threaded through s @@@ @@ e
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or contracted on the tree s.
The rear portion of the annular compressor chamber is bounded by the stamped steel cover 46 and the side face of the rotor R. The bearing housing end cover, 43, and impeller cover 46 extend towards inside and axially towards each other forming a passage of decreasing extent in the direction of the air flow. Impeller vanes 48 are arranged on the rotor
R to work in the chamber 47. The blades 48 of the compressor have their edge which is located at the axial inlet curved forward in the direction of rotation of the rotor in order to minimize the shock of the air when it enters the chamber. 'impeller.
The vanes, extend radially from the hub of the rotor R, until they connect or transform into reaction turbine blades 49, see fig. 3. The outer edges of the vanes 48 and the blades
49 adapt to but have an appropriate clearance with respect to the curved internal surface of the wall 46. The air which leaves the front face of the rotor R does so tangentially and, due to the peripheral speed of the rotor in an opposite direction, this air flows into the envelope formed by the adapter
34 in an essentially radial direction, thus obviating the need for a diffuser blading.
Summarizing the detailed description above, it will be observed that the compression means 10 comprise the inlet openings A to receive air in the chamber of the compressor 47, the compressor blading 48 working in the chamber. chamber 47, the buckets or turbine blades 49 cooperating to discharge into the discharge passage of the compressor 50.
The pressurized air supplied by the compression means 10 passes through the heat exchanger or regenerator 11 going towards the combustion chamber 12. The heat exchanger 11 comprises the frustoconical casing mentioned above 33 extending towards back from adapter bridle 26 to baffle flange 35. The baffle deflects air at an angle of approximately 182 to enter the rear end of the adapter. the entire combustion chamber and flame tube, 12.
The air after passing through the heat exchanger 11 is further heated by its passage between the uniformly spaced exhaust nozzles, 38.
These nozzles are in-line section of flow and offer very little resistance to the flow of air between and around them.
The internal wall of the heat exchanger 11 is formed by another frustoconical casing 51, concentrically spaced from the outer casing 33. This casing 51, made of stainless steel or the like, is held in place by clamping or clamped in place. 'front on a conical seat 52 of the adapter assembly 24, and at the rear by another outer conical seat 53, which seat is formed by the inner front lip of the section member half. -circular 39.
The adapter 24 further serves to locate the entire stator ring. Strong, elongated, captive bolts 29 pass through the outer casing 24, the flow line shaped spacers 30, the intermediate deflector ring 54, the second flow line section spacers, and are threaded into the stator ring assembly 14, ensuring the concentric spacing of the stator ring assembly 14, and the intermediate deflector ring 54 from each other and also - Lement with the outer casing of the adapter assembly 24.
The combustion chamber contains a flame tube of tubular section, concentrically spaced, and having a constricted air inlet.
About a quarter of the total air enters through the swirl vanes 56 and the small openings 57 punched into the baffle of the flame tube.
Fuel is supplied to the burner 32 by the fuel supply means 15, throttled to the extent desired by the manually operated fuel control valve, or regulator, 18. The air and fuel mixture is ignited by the incandescent body or ignition device associated with the burner 32. Cooling air is admitted to assist combustion, through the openings 58; dilution air is admitted through the openings 59 to limit the temperature of the mixture to about 900 C before
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that the charge does not enter the housing of the stator guide vanes, 14, through the nozzle 60 of the combustion chamber.
The hot gases, flowing in the guide vanes of the stator 61 are deflected so as to penetrate without shocks into the turbine buckets or vanes 13. The angles of the guide vanes 61 and of the turbine vanes or vanes 13 are calculated. so as to provide just enough power to actuate the air compression means 10, and the auxiliary devices 15 and 16. The gases escape from the outer edge of the turbine rotor R, and form the jet of gas. propulsion in the particular application considered of the invention.
The exhaust nozzle is formed by the internal passage 62 of the adapter assembly 24; From this point, the gases flow between the outer frustoconical envelope 51 and another frustoconical envelope 63 which is fixed at its anterior end, by rivets, to the whole of the ring. , stator 14, and held concentrically on the outer casing 64 of the combustion chamber 12 by a sliding seal.
The gases transfer some of their heat to the cooler air flowing from the compressor in the adjacent passage, and transfer some heat to the cooling air around the flame tube. 55, by conduction through the outer casing 64 of the combustion chamber. The gases then pass at the outlet in the form of a high speed jet through the propulsion nozzle N formed by the flared tubes 38 with a flow line section. Guides 65, formed by castings or by stamped bodies of sheet of heat-resistant metal, and welded in place between the openings of section 39, serve to guide the gases to the inlet of the tubes 38. without turbulence or shock.
The rotor R attached to the shaft S actuates the centrifugal oil pump 66 which takes oil from the oil tank 67 via the filter 68, and returns the oil to the tank through the perforations and grooves 69.
The oil is discharged into the annular groove 70, - and it is projected outwards by centrifugal action, through the openings
71 drilled in the impellers 66. An oil mist is formed which adequately lubricates the two bearings 27 and 28. The outer flanks of the impellers are also radially perforated to act in the manner of scavenging pumps ensuring removal of excess oil. The oil coming from the housing of the bearings 21, which is circulated through the oil reservoir 67, keeps the bearings cold.
The fuel supply means 16 comprise a centrifugal pump keyed to the shaft, and held in place by the sleeve 73 of the starter claw. Impeller 74 is of the radial entry radial discharge type, with the outer edges of the blades tilted forward to give a slight increase in pressure with increasing flow rate. Two oil projection units, 72, and a baffle
75 placed behind the impeller 74, form a seal between the pump and the bearing housing. Fuel for the pump is drawn in through opening 76 and discharged or discharged through opening 77 (see Fig. 1). From the discharge 77, the fuel is conducted to the fuel control device 18 (see fig 5).
The perforated opening 78 of this device constitutes the entrance to the filter 79, from where the fuel flows to the measuring orifice 80. The piston and the control valve 81 are separated from the seat or orifice 80. under the influence of the spring 82 controlled by the sleeve 83 and the eccentric pin 84 when the lever 85 is brought into the "on" position.
Pressurized fuel flows to the burner through a passage connected to the perforation 86. At the same time, pressurized fuel is sent to the rear of the enlarged piston 87 through the perforated duct 88. All further. increasing turbine speed results in an increase in pressure which is transmitted to piston 87; this compresses the spring 82 and cuts off the fuel supply to the metering port 80. For any adjustment position of the control lever 85, a defined speed is chosen for the impeller, which cannot be exceeded unless the control device is brought into a position corresponding to a higher number of revolutions.
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tions in the unit of time.
A friction pad 89, bearing on the eccentric shaft, allows variable selection of speeds.
The rotor R is made by precision casting of refractory chrome steel, or the like. The stator ring is also made from a high temperature resistant, non-chipping chrome steel precision casting. Shaft 5 is made from chrome-nickel steel. Flame tube 55 is made from “Nimonic 80” alloy, or the like.
The operation is understood as follows: To start the installation, the control lever 85 is brought to the "on" position. This closes the main switch 92 to energize the starter motor 17 and supply current to the ignition member 93, and to the solenoid 96 for engaging the starter claw 94 of the starter motor shaft with that. of the turbine shaft. The starter motor accelerates the turbine rotor, the centrifugal air compressor means 10, and the fuel pump 16, to deliver air and fuel to the burner 32 into the combustion chamber 12. The mixture s' ignites when brought into contact with the ignition member 93 mounted therein.
The expanding gases assist the starter motor until the pressure sensitive switch, 95, connected to the compressor outlet nozzle 50, breaks the starter motor circuit, the component. ignition and solenoid 96. The speed of the device is now controlled by the movement of the manually operated speed control unit, 18. The installation is stopped by actuating the control lever 85 of the fuel valve in the "off" position. The starting phase is fully automatic, and for normal starting it suffices to move lever 85 to the "on" position.
The present invention provides a continuous combustion gas turbine power plant of small dimensions which has an efficiency comparable to the better efficiencies of small reciprocating gasoline engines, and producing a greater number of horsepower per unit. of weight than reciprocating motors. The power plant of the invention comprises a smaller number of parts, is more compact, and has a longer life than reciprocating motors; it is perfectly balanced and practically free from vibrations. In addition, the power plant is well suited to mass production methods, and its integrated accessories facilitate assembly and maintenance.
The invention is not limited to a typical arrangement, but encompasses variations or modifications which will be apparent to those skilled in the art or fall within the scope of the claims.
CLAIMS.
1. - A power plant with an internal combustion turbine comprising two expansion zones and a turbine rotor provided with an impulse vane and a reaction vane working in the said expansion zones, and a combustion chamber providing hot gases at the entrance to said expansion zones for their passage through these zones.