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La présente invention concerne les moteurs à gaz à flux contins dans lesquels un flux de gaz, en général de l' air ou des gaz chauds, ci . cule dans un conduit muni à son intérieur,d'une part, de moyens pour faire varier la pression du dit gaz de façon qu'il évolue selon un cycle déterminé et, d'autre part, si nécessaire, de moyens de chauffage du dit gaz, en géné- ral par combustion, à l'intérieur du gaz, d'un combustible approprié.
Dans les moteurs de ce type connus, l'air ou les gaz chauds subis- sent ..d'abord une compression pour être portés à la pression supérieure du cycle dans un zone où leur vitesse est faible ,avant de ubir la détente qui
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accroît leur vitesse.Il-n résulte que s'il s'agit, par exemple,d'un turbo- moteur, un compresseur doit être prévu en amont de la turbine, compresseur qui# étant donné les faibles vitesses du fluide dans cette zone,doit nécessai- rement être du type rotatif.S'il s'agit d'un stato-réacteur, celui-ci ne peut, pour les mêmes raisons, donner de poussée au point fixe.
La présente invention vise à permettre précisément de supprimer le compresseur rotatif dans les turbo-moteurs ou tout au moins d'en réduire
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les dimensions, et d'obtenir une poussée au ppint fixe dans un stato-ré4eteur.
L'invention a, à cet effet, pour objet un moteur à gaz du type indiqué plus haut qui est remarquable en ce que les moyens prévus à l'intérieur du conduit
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pour e,varier la pression du gaz évoluant sont agencés pour que ce soit après la détente que le fluide subisse la compression nécessaire au passage' de la pression basse du cycle à une pression supérieure, et dans une zone où sa vitesse a été volontairement maitenue à une valeur suffisamment gran- de, au minimum de l'ordre de 150 m/s.
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Dans les machines du type usuel à circuit ouvert,la pression irifé- rieure du cycle étant la pression atmosphérique, il est possible dé fonction- ner entre deux isobares sans qu'il soit prévu nécessairement de moyens par- ticuliers destinas- à prélever des calories au fluide pendant son évolution sur l'isobare inférieure, celle-ci s'effectuant dans l'atmosphère, à laquelle les dites calories sont, en général cédées.Quand,..on applique l'invention a une machine à circuit ouvert,celle-ci est établie pour que la pression basse du cycle soit inférieure à la pression atmosphérique, et il est nécessaire de prévoir des moyens de réfrigération à l'intérieur du conduit, destinés à évacuer la chaleur cédée par le gaz au cours de son évolution à la dite pression basse ;
moyens seront de préférence,.constitués, soit par un échangeur thermique multitubulaire par exemple, qui transmettra,par exemple, les calories devant être cédées par le gaz, en amont de 'l'orifice de sortie au gaz circulant en aval de l'orifice d'entrée, de façon à permettre de rédui- re la quantité de chaleur extérieure à fournir à ce gaz, soit par échangeur thermique à source froide, ou les deux en combinaison.
Dans le cas des turbo-moteurs à cycle ouvert ou à cycle fermé, l'in- vention revient, en somme, 4 conserver une importante fraction de l'énergie cinétique du gaz après la détente et le travail dans la,turbine, ce qui per- met de réduire considérablement les dimensions du compresseur rotatif utilisé et, par suite, la part de l'énergie à lui fournir par la turbine, donc,égale-
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ment, les dim4msions de celle-ci, et même de supprimer totalement le dit com- presseur roatif nécessairement prévu en amont de la turbine, et d'utiliser comme moyens de compression, en aval de la turbine, un simple compresseur statique, diffuseur ou vortex par exemple,
du fait que la vitesse du gaz évo-
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l'cmnt dans la zone correspondante est maintenue suffisamment ande pour que l&compression,jusqu'à la pression haute, en circuit fermé, ou la pression extérieure, en circuit ouvert, par ce diffuseur, soit possible.Cette réduc- tion ou suppression du compresseur rotatif, et éventuellement la réduction de
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la turbine, permettent de réaliser une maxàuùei-rolativement simple, légère et d'un prix de revient assez bas.
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L'invention permet également de réaliser une machine complexe à tur- bine alimentée par les gaz d'échappement d'un moteur classique dont on uti- lise les calories résiduelles et où l'échappement à l'air libre s'opère sans contre-pression.
En appliquant l'invention aux stato-réacteurs, on peut réaliser un appareil de ce type donnant une poussée même au point fixe, aucune com- pression du gaz n'étant nécessaire en amont de la chambre de combustion, et la compression aant l'échappement étant également assurée par un compres- seur statique.
Bien entendu, l'invention a également pour objet un stato-réac- teur, ou un turbo-moteur du type indiqué, en particulier un turbo-moteur à cycle ouvert ou fermé sans compression rotatif.
Dans une réalisation préférée, applicable aux turbo-moteurs à cycle ouvert et aux stato-réacteurs, le circuit d'écoulement du gaz est replié sur lui-même et le conduit qu'il parcourt est constitué par un tube ou, de préférence un faisceau de tubes ouverts à leurs deux extrémités,dis- posés à l'intérieur d'un tube ouvert à une seule de ses extrémités en y étant .enfoncés jusqu'au voisinage du fond de ce dernier tube, de telle ma- nière que les dits faisceaux de tubes puissent servir d'échangeur thermique en assurant le refroidissement du gaz circule à leur intérieur et le réchauf- fage du gaz circulant à leur extérieur*
A titre indicatif et nullement limitatif, on a représenté au des- sin annexé deux exemples de réalisation de moteurs selon l'invention.Dans ce dessin:
la fig.1 est une vue en coupe axiale d'une turbine à gaz mans compresseur rotatif; la,fig.2 est une vue en coupe transversale selon la lgne II-II de la fig.1;
La fig.3 est une vue en coupe transversale selon la ligne III-III de la fig.1; la fig.4 représente le cycle de fonctionnement de la machine repré- sentée aux fig.1 à 3, en coordonnées° entropie, température; la fig.5 est une vue en coupe axiale d'un statoréateur fonction- nant également selon le cycle représenté à la fig.4.
La turbine à gaz représentée aux fig.1 à 3 comporte une enveloppe extérieure 1 sensiblement cylindrique dont la paroi constitue un bon iso- lant thermique.Elle est ouverte normalement à son extrémité antérieure 2 et recourbée vers l'intérieur à son extrémité postérieure 3 qui débouche donc, avec une section plus faible, à l'intérieur du tube cylindrique extérieur formé par la partie principale de cette enveloppe 1.Une roue de..,turbine 4 est montée à l'intérieur de l'enveloppe 1 dans l'axe de l'orifice 3, des aubes directrices 5 étant fixées sur la dite partie 3 de l'enveloppe 1.A la sortie de la tubine 4, débouchant un faisceau de tubes 6 munis d'ailettes 7 de refroidissement, d'axes parallèles à l'axe de la turbine 4 et de l'envelop- pe 1 ;
ce faisceau est sensiblement cylindrique et coaxial'à la dite enve- loppe 1.
A partir d'une certaine distance de la turbine 4 et sur une partie de leur longueur, les tubes 6 sont reliés extérieurement par des cloisons intermédiaires 8 destinées à partager le flux d'air entre les zones inté- rieure et extérieure aux tubes 6 à refroidira leur extrémités antérieure
9, ces tubes 6 déboucheht à la partie la plus étroite 10 d'un diffuseur 11 dont l'orifice de sortie 12 est d'un diamètre correspondant à une faible
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vitesse de sortie.A l'intérieur de ce diffuseur 11 est montée une aiguille de règlage 13 dont la queue 14 peut coulisser dans une-rainure 15 et dont les déplacements sont commandés par tout moyen approprié (non représenté sur la figure) comme connu en soi.
Sur la partie postérieure recourbée de l'enveloppe 1 est fixé, par les pattes 16, un boîtier 17 contenant,par exemple les organes de ré-
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duction de la vitesse de la turbine et les commandes dliacessoires.Llentral- nement décès organes est assuré par l'intermédiaire de l'arme 18 supporté par les paliers 19,19' du boîtier 17.Une cloison 20, sensiblement cylindri- que et à paroi épaisse, éventuellement calorifugée, délimite intérieurement le conduit d'écoulement du gaz à la partie prière de l'enveloppe 1 et des brûleurs 21 sont disposés dans le dit conduit en amont de la turbine 4
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dans des zones constituant les chambres de cDabustion de la machine.
Le fonctionnement du moteur qui vient d'être décrit est le sui- vant :
Un flux d'air d'alimentation provenant de l'atmosphère pénètre dans l'enveloppe 1 par l'orifice antérieur'2,et circule d'abord à la pression atmosphérique dans le conduit délimité par la paroi intérieure de l'enve- loppe 1 et la pari extérieure do diffuseur 11, dans sa partie antérieure
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et simplement par l'enveloppe 1 dans sa partie postérieureeLa section de cette portion du conduit d'écoulement varie de façon que la vitesse d'air,';
qui est faible, demeure constante jusqu'après la zone des brûleurs 21.Pen- dant ce parcours, qui correspond à l'isobare supérieure a, b, c, du cycle indiqué sur la fig.4, l'air est réchauffé tout d'abord,par contact avec les
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tubes 6 de liéchangeur thermique, dans les.quels oircu1erl'air après son passage dans la turbinas -4, -part:
ir de due par la combustion du combustible injecté dans les dits bri rs 2lbA partir de la zone située un peu en aval des brûleurs 21, la section du coudait d'écoulement du-gaz, qui est déli- mitée par l'enveloppe 1 et la paroi de la cloison 20, @minue de façon à provoquer une détente du gaz jusqu'à une pression inférieure à la pression atmosphérique, correspondant à une vitesse, mesurée, en no@bre de Mach.en
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général voisine ou inférieure à 1,1, qui con ien à l'utilisation sur une turbine.C'est la partie r, e du cycle (tig04)o
Le gaz traverse ensuite les aubes directrices 5 et la roue de tur- bine 4 où il abandonne une partie de sa vitesse, donc de son énergie.Il
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parcourt ensuite les tubes 6 du refroidisseur,
bi une pression et une vitesse si possible, constantes, où sa température est abaissée, et où les calories cédées par lui sont transmises au gaz arrivant àlla pression atnospbériques à l'extérieur des tits tubes 6.On parcourt ainsi l'isobare e f du cycle (fig.4).
A la sortir des tubes 6 du refroidisseur, le gaz pénètre dans le diffuseur 11, où il sambit un ralentissement ; pression augmente donc,
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pour regagner la pression atmosphérique df origine, Cette phase correspond à laipartie ¯f b du cycle (fin.4). L'aiguille .13 permet de régler la com- pression, par son déplacement en translation, qui fait varier à volonté, les sections de passage dans le diffuseur
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Datas l'exemple représenté à la fige 5 la. machine selon l'invention est' un statoréacteur constitué de la même manière que la turbine représen- tée à la fig.1, et qui fonctionne selon le même cycle.
On y-retrouve les Wms-,organes que précédemment,qui portent les mêmes cffres de référence, à l'exception de la turbine 4 et de ses aubes directrices 5 qui sont supprimés.Il comporte, par contre, un diffuseur 22 d' admission d'air assurant, lors du déplacement du stato-réaoteur.une compres- sion statique préalable avant l'entrée dans le conduit 1.
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La vitesse de circulation dans les tubes 6 est la même que celle
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existant µ l'entrée de la tubine 4 dans le turbo-motenreAprès la compression dans le diffuseur 11, la vitesse restante du gaz fournit.'la poussée.
Un tel statp-éaoteur, pouvant ainsi fonctionner sans que l'air admis ait à surbir de compression en amont des chambres de combustion ,est donc susceptible de fournir une poussée même au point fixe.
Bien entendu, l'invention n'st nullement limitée aux détails
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de réalisation représentés ou dprits,lesquels n'ont été donnés qu'à titre dieàemple.C'est ainsi notamment que la recompression des gaz 'à l'orifice de sortie pour leur faire reprendre la pression atmosphérique pourrait être assurée par un compresseur statique d'un autre type qu'un diffuseur,par exemple par vortex, ou même par un compresseur rotatif de type quelconque;
qu'il pourrait être prévu aussi un diffuseur d'entrée dans le cas de turbo-
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moteurs à déplacementip.i.de. que le cycle de fonctionnement de la machine pourrait être différent et comporter,par exemple,une détente et une compres-
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sion isothermique, comme représenté en pointillé sur la fig.4, au lieu d' isentropiques, comme représenté en trait plein ; le chauffage du gaz é-
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voluant pourrait être"assuré par un apport thermique extérieur,au lieu d' une combustion interne ; que le de d'apport du combustible pourrait être d'un type quelconque; que la réfrigération du gaz à la pression basse pour- rait être assurée par un réfrigérateur de type quelconque;
que ,Dette réfri- gération pourrait être effectuée en partie par échange thermique avec l'air
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d'admission( sur la portion e f cx.oyc7.e de la fig4) et en partie par un réfrigéraient d'un type quelconque monté à la suite (selon la.porj,Ón ! S- en pointillé du cycle de la fig.4);
que l'échange thermique avec les gaz d'ad- mission pourrait être ndirect au lieu d'être direct , et utiliser un véhi- cule de chaleur intermédiaire;qu'alors le conduit d'écoulement pourrait être droit, au lieu d'être replié sur lui-même que l'on pourrait superposer au qycle de la machine un autre cycle obtenu par une compression,dynamique par exemple, à l'entrée de l'air avec des rapports de compression inférieurs
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ou égaux au taux de détente choisi ;
que le moteur pourrait être alitsentê par une source de gaz chauds quelconque, par exemple provenant de l'échap- pement d'un moteur à explosion ou à combustion classique, ou de turbines
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à gaz usuelles, de cheminées de ohanfferies, et, dans ce cas,l'origine du cycle, effectivement parcouru dans la machine proprement dite, serait en±.
(fig.4) ou entre a et c si les gaz chauds introduits contenant encore de l'oxygène peuvent encore subir une rechauffe, que la machine pourrait-même
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comme on l'a déjà fait, fonctionner en circuit fermé,c'est#à-dire que les gaz d'échappement portés par compression à la pression haute du cycle pour- raient être réadmis dans la machine, et chauffés par tout apport thermique extérieur au circuit, la :chambre de combustion étant alors un échangeur thermique.
REVENDICATIONS.
**ATTENTION** fin du champ DESC peut contenir debut de CLMS **.
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The present invention relates to continuous flow gas engines in which a flow of gas, generally air or hot gases, is present. cule in a duct provided inside, on the one hand, with means for varying the pressure of said gas so that it evolves according to a determined cycle and, on the other hand, if necessary, with means for heating said gas, in general by combustion, within the gas, of a suitable fuel.
In engines of this known type, the hot air or gases are firstly compressed in order to be brought to the upper cycle pressure in a zone where their speed is low, before increasing the expansion which
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increases their speed. It follows that if it is, for example, a turbo-engine, a compressor must be provided upstream of the turbine, which compressor # given the low speeds of the fluid in this zone , must necessarily be of the rotary type. If it is a stato-reactor, it cannot, for the same reasons, give thrust at the fixed point.
The present invention aims to make it possible precisely to eliminate the rotary compressor in turbo-engines or at least to reduce it.
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dimensions, and to obtain a thrust at the fixed ppint in a stato-ré4eteur.
The invention has, for this purpose, for object a gas engine of the type indicated above which is remarkable in that the means provided inside the duct
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for e, to vary the pressure of the evolving gas are arranged so that it is after the expansion that the fluid undergoes the compression necessary for the passage 'from the low pressure of the cycle to a higher pressure, and in an area where its speed has been voluntarily controlled at a sufficiently large value, at least of the order of 150 m / s.
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In machines of the usual open-circuit type, the iriferous pressure of the cycle being atmospheric pressure, it is possible to operate between two isobars without necessarily providing special means intended to take calories. to the fluid during its evolution on the lower isobar, the latter taking place in the atmosphere, to which the said calories are, in general, given up. When, .. the invention is applied to an open-circuit machine, that -It is established so that the low pressure of the cycle is lower than atmospheric pressure, and it is necessary to provide refrigeration means inside the duct, intended to remove the heat given up by the gas during its evolution to said low pressure;
means will preferably be constituted either by a multitubular heat exchanger for example, which will transmit, for example, the calories to be transferred by the gas, upstream of the outlet to the gas flowing downstream of the orifice inlet, so as to make it possible to reduce the quantity of external heat to be supplied to this gas, either by a cold source heat exchanger, or both in combination.
In the case of open cycle or closed cycle turbo-engines, the invention amounts, in short, to conserving a large fraction of the kinetic energy of the gas after expansion and work in the turbine, which allows to considerably reduce the dimensions of the rotary compressor used and, consequently, the part of the energy to be supplied to it by the turbine, therefore, also
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ment, the dim4msions thereof, and even to completely eliminate the said rotary compressor necessarily provided upstream of the turbine, and to use as compression means, downstream of the turbine, a simple static compressor, diffuser or vortex for example,
due to the fact that the speed of the gas
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the cmnt in the corresponding zone is maintained sufficiently ande so that the compression, up to the high pressure, in closed circuit, or the external pressure, in open circuit, by this diffuser, is possible. This reduction or elimination of the compressor rotary, and possibly the reduction of
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the turbine, make it possible to achieve a maxàuùei-rolatively simple, light and at a fairly low cost price.
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The invention also makes it possible to produce a complex machine with a turbine fed by the exhaust gases of a conventional engine, the residual heat of which is used and where the exhaust in the open air takes place without counter- pressure.
By applying the invention to stato-reactors, it is possible to produce an apparatus of this type giving a thrust even at the fixed point, no compression of the gas being necessary upstream of the combustion chamber, and the compression before the combustion chamber. exhaust is also provided by a static compressor.
Of course, the subject of the invention is also a statoreactor, or a turbo-engine of the type indicated, in particular an open-cycle or closed-cycle turbo-engine without rotary compression.
In a preferred embodiment, applicable to open-cycle turbo-engines and stato-reactors, the gas flow circuit is folded back on itself and the duct that it runs through consists of a tube or, preferably, a bundle. of tubes open at both ends, placed inside a tube open at only one of its ends, being inserted therein to the vicinity of the bottom of the latter tube, in such a way that the said bundles of tubes can serve as heat exchangers ensuring the cooling of the gas circulating inside them and the heating of the gas circulating outside them *
By way of indication and in no way limiting, the appended drawing shows two embodiments of motors according to the invention.
FIG. 1 is an axial sectional view of a gas turbine with a rotary compressor; the, Fig.2 is a cross-sectional view along line II-II of Fig.1;
Fig.3 is a cross sectional view along the line III-III of Fig.1; FIG. 4 represents the operating cycle of the machine shown in FIGS. 1 to 3, in ° entropy, temperature coordinates; FIG. 5 is a view in axial section of a ramorator also operating according to the cycle shown in FIG. 4.
The gas turbine shown in Figs. 1 to 3 comprises a substantially cylindrical outer casing 1, the wall of which constitutes a good thermal insulator. It is normally open at its front end 2 and curved inwards at its rear end 3 which therefore opens, with a smaller section, inside the outer cylindrical tube formed by the main part of this casing 1. A wheel of .., turbine 4 is mounted inside the casing 1 in the axis of the orifice 3, guide vanes 5 being fixed on said part 3 of the casing 1. At the outlet of the tubine 4, opening out a bundle of tubes 6 provided with cooling fins 7, with axes parallel to the axis of the turbine 4 and of the casing 1;
this bundle is substantially cylindrical and coaxial with said envelope 1.
From a certain distance from the turbine 4 and over part of their length, the tubes 6 are connected externally by intermediate partitions 8 intended to share the air flow between the areas inside and outside the tubes 6 to. will cool their anterior extremities
9, these tubes 6 open out at the narrowest part 10 of a diffuser 11 whose outlet orifice 12 has a diameter corresponding to a small
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output speed. Inside this diffuser 11 is mounted an adjusting needle 13, the shank 14 of which can slide in a groove 15 and whose movements are controlled by any suitable means (not shown in the figure) as known in self.
On the rear curved part of the casing 1 is fixed, by the tabs 16, a housing 17 containing, for example the retaining members.
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reduction of the speed of the turbine and the controls of the accessories. The transfer of the components is ensured by means of the weapon 18 supported by the bearings 19,19 'of the housing 17. A partition 20, substantially cylindrical and with thick wall, possibly insulated, internally delimits the gas flow duct at the prayer part of the casing 1 and burners 21 are arranged in said duct upstream of the turbine 4
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in areas constituting the cDabustion chambers of the machine.
The operation of the engine which has just been described is as follows:
A flow of supply air from the atmosphere enters the casing 1 through the anterior orifice '2, and first circulates at atmospheric pressure in the duct delimited by the inner wall of the casing. 1 and the outside bet of diffuser 11, in its front part
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and simply by the casing 1 in its posterior part The section of this portion of the flow duct varies so that the air speed, ';
which is low, remains constant until after the burner zone 21. During this path, which corresponds to the upper isobar a, b, c, of the cycle indicated in fig. 4, the air is heated while d 'first, through contact with
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tubes 6 of the heat exchanger, in which the air will be collected after it has passed through the turbine -4, -part:
ir due by the combustion of the fuel injected into the said bri rs 2lb From the zone situated a little downstream of the burners 21, the section of the gas flow elbow, which is delimited by the casing 1 and the wall of the partition 20, @minue so as to cause an expansion of the gas to a pressure below atmospheric pressure, corresponding to a speed, measured, in Mach number.
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generally close to or less than 1.1, which con ies to use on a turbine. This is the r, e part of the cycle (tig04) o
The gas then passes through the guide vanes 5 and the turbine wheel 4 where it gives up part of its speed, and therefore of its energy.
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then runs through the cooler tubes 6,
bi a pressure and a speed if possible, constant, where its temperature is lowered, and where the calories given up by it are transmitted to the gas arriving at the atmospheric pressure outside the small tubes 6. We thus go through the isobar ef of the cycle (fig. 4).
On leaving the tubes 6 of the cooler, the gas enters the diffuser 11, where it slows down; pressure therefore increases,
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to regain the original atmospheric pressure, This phase corresponds to the part ¯f b of the cycle (end 4). The .13 needle is used to adjust the compression, by its translational movement, which varies at will, the passage sections in the diffuser
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Datas the example shown in fig 5 la. The machine according to the invention is a ramjet made in the same way as the turbine shown in FIG. 1, and which operates according to the same cycle.
We find there the Wms-, bodies as before, which bear the same reference cffres, with the exception of the turbine 4 and its guide vanes 5 which are removed. It comprises, on the other hand, an inlet diffuser 22 of air ensuring, during the displacement of the stator-reactor, a preliminary static compression before entering the duct 1.
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The speed of circulation in the tubes 6 is the same as that
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existing µ the inlet of the tubine 4 in the turbo-motor After compression in the diffuser 11, the remaining gas speed provides the thrust.
Such a statp-éaoteur, thus being able to operate without the intake air having to surbir compression upstream of the combustion chambers, is therefore capable of providing a thrust even at the fixed point.
Of course, the invention is in no way limited to the details.
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embodiments shown or dprits, which have been given only as an example. It is thus in particular that the recompression of the gases' at the outlet orifice to bring them back to atmospheric pressure could be provided by a static compressor d another type than a diffuser, for example by vortex, or even by a rotary compressor of any type;
that it could also be provided for an inlet diffuser in the case of turbo-
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displacement motors. that the operating cycle of the machine could be different and include, for example, an expansion and a compression
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isothermal ion, as shown in dotted lines in fig.4, instead of isentropics, as shown in solid lines; gas heating e-
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voluting could be "provided by an external thermal input, instead of internal combustion; that the fuel input could be of any type; that the refrigeration of the gas at low pressure could be ensured by a refrigerator of any type;
that, Debt cooling could be carried out in part by heat exchange with air
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intake (on the ef cx.oyc7.e portion of fig4) and partly by a refrigeration unit of any type subsequently mounted (according to la.porj, Ón! S- dotted cycle of fig. 4);
that the heat exchange with the inlet gases could be ndirect instead of direct, and use an intermediate heat vehicle; that then the flow duct could be straight, instead of being folded in on itself that one could superimpose on the cycle of the machine another cycle obtained by compression, dynamic for example, at the air inlet with lower compression ratios
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or equal to the chosen expansion rate;
that the engine could be powered by any hot gas source, for example from the exhaust of a conventional combustion or combustion engine, or turbines
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with usual gases, from ohanfferie chimneys, and, in this case, the origin of the cycle, actually traversed in the machine itself, would be in ±.
(fig. 4) or between a and c if the hot gases introduced still containing oxygen can still undergo heating, that the machine could itself
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as we have already done, operate in a closed circuit, that is to say that the exhaust gases brought by compression to the high pressure of the cycle could be re-admitted into the machine, and heated by any thermal input outside the circuit, the: combustion chamber then being a heat exchanger.
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