Installation à turbine à gaz. La présente invention a pour objet une installation à turbine à gaz comprenant un compresseur d'ail, une turbine et des cham bres de combustion dans lesquelles la com bustion a. lieu par intermittence avec augmen tation .de la pression.
Cette installation est ca ractérisée en ce que les chambres de combus tion sont librement ouvertes du côté de l'échappement, l'agencement étant tel que les combustions se suivent dans ces chambres à un rythme fonction de la. fréquence acousti- du.e de ces dernières, et en ce que la turbine comprend une roue précédée d'-un distribu teur fixe agencé et disposé de telle manière qu'une partie au moins de l'énergie cinétique des bouffées de gaz fournies par les cham bres :
de combustion soit utilisée directement dans l'aubage de cette roue de turbine.
Le dessin représente, à titre d'exemple, une forme d'exécution de l'installation selon l'invention ainsi qu'une variante -de détail de cette forme.
La fig. 1 est une coupe axiale schématique de cette forme d'exécution, constituant un turbopropulseur d'aéronautique.
La fig. 2 en est une coupe transversale selon II-II.
La fig. 3 est un diagramme des variations de pression dans les chambres de combustion en fonction du temps. La fig. 4 montre schématiquement une vue développée du distributeur de la première roue de- turbine.
La fig. 5 montre anevaria.nte de ce dis tributeur.
L'air est aspiré par le conduit diffuseur 1 qui permet de récupérer l'énergie cinétique (le l'air due à la vitesse. L'air est ensuite com primé dans un compresseur centrifuge 2. Ce compresseur pourrait aussi être du type axial.
A la sortie du compresseur, l'air sous pres sion est recueilli dans une capacité annulaire 3 servant à alimenter les chambres de com bustion 4, disposées en barillet autour de l'ar bre de la machine. Grâce à une couronne de volets 21 pivotant autour d'axes 21u et dis posés sur l'aspiration du compresseur, il. est possible de régler le rapport de pressions et le débit de celui-ci.
Cette disposition- permet le passage toujours délicat de la zone de poin- page, lors du démarrage de la machine. Les volets permettent encore d'obtenir les régimes réduits de la turbine en conservant une effi cacité élevée du compresseur. Ils rendent, par conséquent, la machine extrêmement souple.
De la capacité annulaire 3, l'air sous pression est introduit dans -chaque chambre de 4 par un clapet aérodynamique 6 comprenant une tubulure divergente s'ou vrant dans la chambre de combustion 4 et faisant suite à un tube accumulateur d'éner- gie cinétique dont la longueur et dont la di vergence, laquelle est inférieure à celle de la tubulure, sont telles que la vitesse d'écoule ment du gaz aspiré à chaque dépression cor responde à un nombre de Mach qui est au plus de 1,8.
La. tubulure divergente a une ou verture finale dont la section est considéra blement plus petite que la section de la partie adjacente ,.e la chambre de combustion 4.
A l'opposé @du clapet 6, chaque chambre est munie d'une tubulure d'échappement ou verte débouchant dans une tuyère conver- gente-divergente 5.
Les chambres 4 sont alimentées chacune d'une manière continue, au cours du fonction nement, en combustible liquide par une tubu lure 4a, dans laquelle ce combustible est re foulé par une pompe non figurée. Chaque chambre est reliée à ses deux vôismes par des tubes d'intercommunication 22.
Afin que les combustions aient lieu de façon intermittente à un rythme fonction de la fréquence acousti que des chambres, et cela quel que soit le ré gime, il faut que la. chambre soit organisée à la manière d'un pulsoréacteur, c'est-à élire qu'elle comporte un long tube servant de ré sonateur. On a trouvé que par exemple -une chambre de combustion dont la partie anté rieure cylindrique a un diamètre de 120 mm, dont la partie postérieure a un diamètre de 80 mm et dont la longueur totale est d'envi ron 2 mètres donne -des résultats satisfaisants.
Le premier allumage peut se faire au moyen d'une bougie et les allumages ultérieurs au cours du fonctionnement se font d'eux-mêmes par les queues de combustion du coup précé dent. Lors- de chaque combustion, la pression monte dans la chambre et les gaz brûlés font irruption dans la tuyère 5 (ils ne peuvent s'échapper par le clapet aérodynamique 6, du moins avec un débit notable, en raison de la constitution de ce clapet). Vers la-fin de cha que combustion, l'onde de détente laisse fina lement la chambre -en dépression.
Cette dé pression favorise l'introduction dans la cham bre, par 6, de l'air sous pression du collecteur 3, une nouvelle combustion se produit et ainsi de suite. Ce cycle est représenté par le diagramme de la fig. 3, où l'on a porté en ordonnées les valeurs successives de la pression dans cha que chambre de combustion et en abscisses les temps. P et la pression de refoulement du compresseur 2, c'est-à-dire la pression d'ali mentation es chambres et Po la. pression atmosphérique. T est la période du cycle.
Les parties de la courbe au-dessus de l'horizontale P représentent l'augmentation de la pression de P à Pi au moment de chaque combustion, puis sa diminution de Pi à P au fur et à me sure de l'éjection des gaz. Les parties de la courbe au-dessous de P correspondent à la dépression qui suit dans chaque chambre d'.éjection des gaz brûlés et qui est mise à profit pour un nouveau remplissage.
Le volume de la capacité 3 doit être suf fisant pour que, dans le cas où toutes les chambres 4 aspirent -en même temps, il n'y ait pas de chute de pression sensible dans cette .capacité. Les tuyères 5 débouchent dans une cham bre annulaire 7a, dans laquelle s'ouvre l'au- ba.ge d'un distributeur 7 qui n'a, qu'une action déviatrice et donne aux gaz l'angle d'entrée convenable dans l'aubage mobile 8 à action pure d'une roue de turbine 8a. A la sortie de cet aubage,
qui utilise directement une partie de l'énergie cinétique des bouffées de gaz fournies par les chambres, les gaz sont re cueillis dans un collecteur annulaire 9, oui le niveau de pression est le même que celui qui existe dans le collecteur 3 à la sortie du com presseur. A partir de la pression sensiblement constante régnant dans le collecteur 9, les gaz se détendent successivement jusqu'à la pres sion atmosphérique, d'abord dans deux étages de turbine et ensuite dans une tuyère de pro pulsion par réaction 13, 14.
Lesdits deux étages de turbine comprennent chacun une roue 10 et le ,distributeur correspondant. Ces deux roues 10 entraînent un arbre 16a accouplé à l'arbre 16 du compresseur 2. Cet arbre 16 est prolongé et entraine, par l'inter médiaire :d'un réducteur à engrenages 17, un arbre d'hélice 17a. La roue de turbine 8a est nécessairement de grand diamètre.
En effet, d'une part, il est avantageux de faire passer les bouffées de gaz fournies par les chambres 4 de la façon la plus directe -dans le distributeur 7, et, d'au tre part, la température de ces bouffées étant élevée, leur masse spécifique est relativement faible, ce qui rend nécessaire une grande sec tion de passage dans l'aubage 8.
Une roue de grand .diamètre permet d'obtenir la section requise sans qu'il soit nécessaire d'utiliser les aubes dont. la hauteur est considérable par rapport au diamètre moyen, et .permet ainsi d'avoir une moindre variation de la vitesse tangentielle le long de l'aube, ce qui est fa: vorable à un rendement convenable. Toute fois, du fait de son plus grand diamètre, la vitesse de rotation de la roue 8a devra être sensiblement plus faible que celle des roues 10.
Afin d'harmoniser les vitesses angulaires des turbines, l'arbre 16b portant la roue 8a, qui est creux et entoure l'arbre 16a, est .relié à l'arbre 16 .par le multiplicateur à engre nages 15.
Comme dans le régime de combustion pul- satoire, qui s'entretient dans chacune des chambres 4, la durée de la bouffée d'échap pement ne .représente environ que le tiers de la période, les gaz brûlés à haute tempéra ture ne sont au contact de l'aubage 8 de la roue 8a que pendant le tiers du temps. Au trement .dit, le temps dont on dispose pour l'écoulement de la chaleur et son évacuation par les aubes de la turbine est deux fois phis grand que le temps pendant lequel la chaleur est amenée.
On conçoit alors que la roue de turbine 8a puisse admettre, à l'entrée, des températures de gaz bien supérieures à celles que l'on admet généralement dans les tur bines à gaz classiques à écoulement per manent.
(Toutefois, une certaine quantité limitée d'air de dilution est introduite dans le .dis tributeur 7. Cet air est amené par les orifices 18 dans les tuyères 5 fonctionnant comme éjecteurs. Chaque orifice fixe 18 communi que avec -Lui canal 12 véhiculant de l'air du compresseur venant du collecteur 3. Ce canal 12 est formé par l'espace compris entre la paroi de la chambre de combustion 4 et une enveloppe qui entoure cette paroi. Ceci per met, -en même temps, le refroidissement de la paroi des chambres.
La dilution doit de toute manière être li mitée, du moment que le transfert d'énergie entre gaz brûlés et air de dilution n'est pas égal à l'unité. Des pertes d'énergie sont inévi- tables .et .ces pertes sont d'autant plus faibles que la masse d'air de dilution est plus petite.
D'après la. fig. 1, les tuyaux d'échappe ment et les tuyères 5 auraient leurs axes pa rallèles à l'axe général de la machine; en réa lité, ces axes sont obliquement placés, comme le montre le développement de la fig. 4.
Dans la variante représentée à la fig. 5, chaque tuyère 5 se prolonge jusqu'à l'aubage 8 de la roue 8a et enferme plusieurs aubes du distributeur 7. La première disposition con vient dans le cas où toutes les chambres de combustion sont en phase, la deuxième étant particulière au cas de chambres de combustion 'ayant des fonctionnements déphasés.
Les fig. 4 et 5 font apparaître, par les flè ches F et Fi, la double manière dont entre l'air de dilution par les orifices annulaires 18. De l'air est d'abord entramé, par effet de trompe, dans les tuyères 5, par le jet .de gaz de la bouffée; c'est ce que représente la flèche P. Puis, au moment de la dépression qui suit la bouffée dans la chambre, de l'air est aspiré dans ladite chambre; c'est ce que montre la flèche Fi.
Dans une autre variante, le distributeur 7 pourrait être agencé et relié aux chambres 4, de façon qu'il s'opère dans ce distributeur une détente accroissant l'énergie cinétique des bouffées de gaz à l'entrée de l'aubage 8. Cet aubage 8 pourrait aussi être agencé de façon à travailler avec un certain degré de réaction.
Les aubes de la roue de turbine- 8ca, qui sont de préférence en tôle réfractaire, sont re froidies par une circulation interne d'air. L'air de refroidissement est prélevé sur l'air arrivant par les canaux 12 et amené dans les aubes par des orifices 20, 20a ménagés dans le disque de la roue. Pour cela, des orifices 23 font communi auer une chambre annulaire 12' intérieure à la chambre 72 et reliée aux canaux 12, avec la chambre 25, qui alimente les orifices 20 dis posés sur la face avant du disque de turbine.
La chambre 26, qui alimente les orifices 20a disposés sur la face arrière du disque, est mise en communication avec lin espace 12", relié aux canaux d'amenée d'air 12, par Lui ou plusieurs tubes 24 traversant le collecteur 9.
Les gaz qui sortent de la, roue de turbine Sa sont recueillis dans le collecteur 9, dans le quel leur caractère pulsa.toire diminue nota blement. Leur température moyenne s'établit à une valeur légèrement inférieure à leur température à la fin de la combustion dans les chambres 4, mais trop élevée cependant pour les roues de turbine 10 à écoulement uniforme. Une dilution de ces gaz par de l'air provenant du compresseur est prévue par les orifices 11 qui font communiquer l'espace 12", relié aux canaux 12, avec le collecteur 9.
Le démarrage de la. machine décrite peut s'effectuer d'tïne façon trè@i simple par le même procédé que celui utilisé pour les pulso réacteurs. Il suffira d'envoyer un jet d'air comprimé dans l'une des chambres de com bustion pendant qu'on injectera le combus tible à l'aide d'une pompe auxiliaire. L'allia.- mage de cette chambre, ou simultanément dans deux chambres opposées, sera réalisé :
à, l'aide de la bougie, et la combustion pulsa- tôire commencera., la roue de turbine Sa sera sollicitée par les bouffées de gaz chauds issus de la chambre, la rotation de cette roue en traînera celle du compresseur et des autres roues de turbine.
Toutes les chambres sont alors alimentées. en air parle compresseur et en combustible par la pompe non figurée, l'allumage des chambres se produit à partir de la première chambre par les tubes d'inter- éommunication 22: La puissance sur la roue de turbine 8a augmente rapidement, la vitesse <B>de</B> rotation de l'ensemble augmente, les roues de turbine 10' donnent à leur tour de la puis sance et la machine st démarrée.
On arrête alors l'injection auxiliaire d'air et de coinbüs- tible. Le démarrage de la machine décrite ne nécessite donc plus, comme clans les machines classiques, un démarreur surpiûssant capable d'accompagner la machine jusqu'à un régime élevé correspondant à l'accrochage de la tur bine.
Les canaux de l'étage à impulsion offrent une grande résistance à l'écoulement des gaz à contresens, ce qui est favorable au démar rage décrit -de la machine. En effet, lors qu'une chambre de combustion débite seule sur la roue de turbine 8a lors du démarrage, il ne peut y avoir de retour des gaz brûlés à travers cette roue de turbine vers l'arrière d'une autre chambre.
Ce fait explique que le démarrage de la machine décrite soit possible avec une seule chambre de combustion :,n fonctionnement, il explique aussi le fait qu'il n'est pas nécessaire que toutes les chambres de combustion soient en concordance de phase et que leur couplage soit absolument indiffé rent.
Dans une, variante, une ou plusieurs des roues de turbine pourraient être accouplées à des arbres indépendants de l'arbre du com presseur d'air et entraîner des récepteurs is- tincts. Par exemple, la roue de turbine 8a pourrait entraîner seule le compresseur d'air, tandis que les roues 10 entraîneraient l'hélice. Une forme d'exécution analogue pouri."1it aussi constituer une installation fixe de cen trale électrique, par exemple, ou encore une installation de propulsion de navire, de loco motives ou d'un autre véhicule.
Dans -une telle forme d'exécution, la roue 8a, combinée s'il y a lieu avec une des roues 10, entraînerait le compresseur d'air, tandis qu'une ou plusieurs des roues 10, mécaniquement indépendantes, entraîneraient une génératrice électriqae, les hélices d'un navire ou les roues d'une locomo tive ou d'un autre véhicule.
Dans une variante du propulseur décrit. et représenté, l'une ou même les deux roues de turbine 10 pourraient être supprimées. Dans ce dernier cas, la détente du gaz à la suite de la roue de turbine 8a aurait lieu en tièrement dans la tuyère de propulsion 13, 14.
Dans la variante mentionnée ci-dessus, dans laquelle il y a une certaine détente des gaz soit dans le distributeur 7, dont les ca naux seront alors convergents au lieu d'être à section constante, soit, de préférence, dans les canaux de l'aubage mobile 8, la pression à la sortie de l'aubage 8 sera, inférieure à la pression de refoulement du compresseur.
Dans une telle variante, de l'air de dilution qui serait mélangé aux gaz dans la chambre 9 serait alors prélevé à un étage intermédiaire à pression convenable du compresseur par des canaux séparés des canaux 12 amenant i'air aux orifices 18, ou encore l'air -de dilution pris au refoulement du compresseur serait mélangé en totalité aux gaz entre leur sortie des chambres 4 et leur entrée dans le distri buteur 7 de la roue de turbine 8a.