Procédé de réglage d'une installation comportant au moins un autogénérateur de gaz moteurs à piston libre et dispositif pour la mise en aeuvre de ce procédé L'invention est relative à un procédé de réglage d'une installation comportant au moins un autogénérateur de gaz moteurs à piston libre et une turbine alimentée par les gaz débités par cet autogénérateur,
procédé dans lequel on règle la quantité de combustible introduite dans le cylindre moteur de l'autogénérateur. Elle concerne également un dispositif pour la mise en couvre de ce procédé.
On sait que dans une installation compre nant un autogénérateur à piston libre alimentant une turbine, on peut pour une certaine zone des charges de la turbine, zone qui correspond à une certaine gamme des pressions d'alimenta tion de la turbine, adapter les gaz moteurs débi tés par l'autogénérateur à piston libre, aussi bien en ce qui concerne leur volume qu'en ce qui concerne leur pression, à la demande de la turbine par le simple réglage du combustible introduit dans la partie motrice de l'auto- générateur.
Dans ces installations connues, cependant, la charge maximum est limitée par la quantité maximum des gaz que l'autogénérateur est capable de débiter à la pression, de fonctionne ment supérieure, cette quantité correspondant à la quantité requise par la turbine lorsqu'elle travaille à sa charge maximum.
Pour permettre à une installation de ce genre de fonctionner à des puissances plus élevées, sans augmenter les dimensions de l'auto- générateur, on a déjà proposé d'injecter une certaine quantité de combustible dans les gaz moteurs débités par un autogénérateur, ces gaz comportant assez d'oxygène pour assurer la combustion de ce combustible. Toutefois, dans les installations avec injection supplémentaire de combustible, on n'a pas pu conserver à la turbine réceptrice sa simplicité qui est l'un des avantages des installations connues travaillant sans introduction supplémentaire de combus tible.
L'invention a pour but de remédier à cet inconvénient, et, à cet effet, le procédé de réglage selon l'invention est caractérisé par le fait que pour chaque pression de marche supérieure à une pression pour laquelle le volume maximum que l'autogénérateur est capable de débiter à cette pression est égal au volume que la turbine absorbe à cette pression, on brûle dans les gaz fournis par l'autogénérateur- la quantité de combustible nécessaire pour que leur volume augmente à la valeur que la turbine absorbe à cette pression, et par le fait qu'on règle de façon telle la quantité de combustible introduite dans le cylindre moteur de l'autogénérateur que pour chacune desdites pressions supérieures,
ce dernier débite le volume maximum qu'il est capable de débiter à cette pression.
Le dispositif pour la mise en oeuvre de ce procédé est caractérisé par deux organes, dont l'un règle la quantité de combustible introduite dans le cylindre moteur de l'autogénérateur et l'autre la quantité de combustible injectée dans les gaz moteurs, par deux pistons distincts commandant chacun l'un desdits organes et sur l'une des faces desquels agit un seul et même fluide sous pression et sur l'autre face desquels agissent deux ressorts distincts, et par des moyens pour faire varier la pression dudit fluide,
les tensions préalables des deux ressorts étant telles que le piston commandant le premier des susdits organes commence sa course de travail sous l'effet dudit fluide sous pression avant que le deuxième organe de commande commence sa course.
Les fig. 1 et 3 des dessins ci-annexés mon trent, à titre d'exemple, la première une forme d'exécution du dispositif de réglage selon l'in vention pour la mise en oeuvre d'une forme d'exécution également donnée, à titre d'exemple, du procédé de réglage selon l'invention, et la seconde une variante de cette forme d'exécution du dispositif.
La fig. 2 est un diagramme servant à faciliter la compréhension du fonctionnement du dispo sitif de la fig. 1.
L'autogénérateur à piston libre de l'installa tion comprenant le dispositif de réglage repré senté parla fig. 1 comporte un cylindre moteur 1 et un cylindre compresseur 2. Dans ces cylindres travaille un piston libre constitué par un élément moteur 3 et un élément compresseur 4, solidaires l'un de l'autre. Le cylindre moteur 1, qui tra vaille selon le cycle Diesel, à deux temps, est muni d'un injecteur de combustible 5. Dans la paroi dudit cylindre sont ménagées des ouvertu res d'admission 6 et d'échappement 7 qui sont commandées par l'élément moteur 3.
Le cylindre compresseur 2 comporte des soupapes d'admission 8 et de refoulement 9, ces dernières soupapes étant montées dans la cloison 10 qui sépare l'intérieur du cylindre compres seur 2 d'un carter formant réservoir d'air 11 qui entoure le cylindre moteur 1. L'espace compres seur est donc constitué par l'espace qui se trouve entre ladite cloison 10 et la face annulaire de l'élément compresseur 4, face qui entoure la prolongation de l'élément moteur 3 par laquelle cet élément est fixé au piston 4.
Il en résulte que l'élément de piston 4 aspire l'air extérieur à. travers les soupapes d'admis sion 8 lorsque le piston libre 3-4 accomplit sa course vers l'extérieur (course d'aller) sous l'impulsion de la combustion du combustible injecté dans le cylindre moteur 1, tandis que la compression de cet air et son refoulement à travers les soupapes 9 vers l'intérieur du carter 11 ont lieu lorsque le piston libre 3-4 accomplit sa course vers l'intérieur (course de retour).
Cette course de retour est obtenue à l'aide de l'énergie qui est emmagasinée dans un accu mulateur pneumatique d'énergie de retour 12, constitué par le matelas d'air qui est empri sonné dans la partie extérieure du cylindre 2, entre la face extérieure de l'élément de piston 4 et le fond extérieur du cylindre 2.
La pompe d'injection 13, qui alimente l'in jecteur 5, est entraînée par le piston libre 3-4, à l'aide d'une tige 14 solidaire de l'élément de piston 4 et qui actionne une tringle 15 qui est reliée à un levier 16, ce dernier agissant sur un poussoir 17 qui est solidaire du piston de la pompe 13. La commande de cette pompe est telle que l'injection a lieu lorsque l'élément de piston 3 se trouve au voisinage de la fin de sa course de retour, c'est-à-dire au voisinage de son point mort intérieur.
Les ouvertures d'échappement 7 du cylindre- moteur 1 sont reliées par un conduit 18, à l'en trée 19 d'une turbine 20, entraînée par les gaz moteurs fournis par l'autogénérateur. Ces gaz moteurs sont constitués par les gaz de combus tion incomplètement détendus du cylindre moteur 1 et par l'excès d'air comprimé provenant du cylindre compresseur 2 et refoulé dans le carter 11 à travers les soupapes 9. Cet excès d'air sert en totalité d'air de balayage du cylindre moteur 1, de sorte que la totalité des gaz moteurs rentre dans le conduit 18 par les ouver tures d'échappement 7 du cylindre moteur 1.
Toutefois une partie de l'excès d'air comprimé pourrait être amenée directement du carter 11 par une conduite 21 (représentée en lignes interrompues dans une chambre de combustion 22, qui est intercalée dans le conduit 18 et à l'intérieur duquel se trouve un ou plusieurs brûleurs 23, servant à brûler, dans les gaz moteurs de l'autogénérateur, un complément de combustible, qui est amené au brûleur 23 à l'aide d'une pompe 24 entrainée par un moteur 25.
Dans le cas où une partie de l'air est amenée directement par la conduite 21 à la chambre de combustion 22, cette dernière est agencée de façon telle que le combustible complémentaire soit brûlé dans l'excès d'air amené par la con duite 21 et que les gaz provenant de cette com bustion soient mélangés ensuite avec les gaz venant des ouvertures d'échappement 7 du cylindre moteur 1.
Au lieu de brûler du combustible dans l'air amené par la conduite 21, on pourrait utiliser cet air pour refroidir la chambre de combus tion 22, en faisant passer cet air, avant de le mélanger avec les gaz sortant de la chambre. de combustion, à travers une chambre annulaire entourant la chambre de combustion.
Le dispositif de réglage que montre la fig. 1 comporte un organe de contrôle 26 qui agit sur une pompe d'injection 13, en provoquant, par exemple, la rotation du piston de cette pompe autour de son axe et qui détermine ainsi la quantité du combustible injecté dans le cylindre moteur 1 de l'autogénérateur pour chaque oscillation du piston libre de celui-ci. De plus, ce dispositif de réglage comporte un robinet 27 qui détermine la quantité du com bustible complémentaire introduit dans la cham bre de combustion 22 par les brûleurs 23.
Enfin, le dispositif de réglage comporte une soupape 28, intercalée dans le conduit 18 immé diatement en amont de l'entrée 19 de la tur bine 20 et qui, selon ses positions, ou bien ferme l'accès des gaz moteurs à la turbine, et ouvre à ces gaz un by-pass 29 qui les amène directement dans le conduit d'échappement 30 de la turbine 20 en aval de celle-ci, ou bien ferme ce by-pass de sorte que tous les gaz moteurs passent dans la turbine 20, ou bien, dans une position intermédiaire, permet l'échap pement direct dans l'atmosphère, par le by- pass 29, d'une partie des gaz moteurs, tandis qu'une autre partie de ces gaz sert à alimenter la turbine 20.
Dans le dispositif représenté par la fig. 1, la commande des organes de réglage a lieu par des moyens hydrauliques et en fonction de la vitesse de la turbine 20. A cet effet, la turbine entraîne un régulateur 31 qui produit une pres sion d'huile variable avec la vitesse de la turbine dans un conduit 32. Le régulateur 31 est agencé de façon telle que la pression d'huile dans le conduit 32 est d'autant plus grande que la vitesse de la turbine est plus réduite. Sur le conduit 32, sont branchés trois cylindres 33 34-35 dans lesquels travaillent respectivement les pistons 36-37 et 38 qui se trouvent sous l'action de ressorts antagonistes désignés respec tivement par 30-40 et 41. Il sera question plus tard des caractéristiques de ces ressorts.
Le piston 36 est relié par une tringle 42 à un levier à sonnette 43 qui est relié par une biel- lette 44 à l'organe de contrôle 26 de la pompe à injection 13. Un mouvement ascendant du piston 36, dans son cylindre 33 a pour effet de déplacer l'organe 26 dans le sens d'une augmen tation de la quantité de combustible injectée dans le cylindre 1.
Les mouvements possibles de l'organe de contrôle 26 sont cependant limités par deux surfaces de came 45 et 46 solidaires du levier 43 et coagissant avec une butée 47, dont la position, par rapport aux surfaces de came 45-46, est fonction de la pression de marche de l'auto- générateur de l'installation. A cet effet, la butée 47 est commandée par un piston 48 sur lequel agit, d'un côté, la pression régnant dans le carter 11, analogue de la pression de marche, amenée par la conduite 49.
On pourrait aussi faire agir sur le piston 48 la moyenne des pres sions régnant dans le matelas 12 (cette moyenne des pressions étant fonction de la pression de marche) à l'aide d'un dispositif connu non représenté dans le dessin et d'un conduit 50 représenté en lignes interrompues. De son autre côté, le piston 48 se trouve sous l'action d'un ressort antagoniste 51.
Plus la pression de marche est élevée, plus la butée 47 se soulève entre les cames 45 et 46, la came 45, par contact avec la butée 47, détermine, pour chaque pres sion de débit, la quantité minimum devant être injectée dans le cylindre moteur afin d'assurer la course minimum du piston libre 3-4, tandis que la came 46, par son contact avec la butée 47, détermine pour chaque pression de débit la quantité maximum susceptible d'être injectée dans le cylindre moteur 1 de l'autogénérateur pour assurer les courses maxima du piston libre 3-4.
Le piston 37 est relié par l'intermédiaire d'une tringle 52 et d'un levier à sonnette 53 au robi net 27 qui contrôle la quantité de combustible complémentaire injectée par les brûleurs 23, dans les gaz moteurs. Enfin, le piston 38 est relié par la tige 54, un levier 55, une tringle 56, un balancier 57, à la tige de la soupape 28.
Les tensions préalables que possèdent les ressorts 39, 40 et 41, lorsque les pistons corres pondants 36, 37 et 38 se trouvent dans leur posi tion de repos, sont réglées de façon telle que la tension du ressort 41 ait la valeur la plus faible, que celle du ressort 39 ait une valeur supérieure à celle du ressort 41 mais inférieure à celle du ressort 40.
Il est à noter que la position de repos du piston 38 est celle pour laquelle la soupape 28 ferme le conduit d'admission 19 de la turbine et ouvre en grand le by-pass 29. La position de repos du piston 36 est celle pour laquelle le levier 43 avec sa came 45 (came min.) et la tige de réglage 26 ont la position correspondant à la quantité minimum de combustible injectée. Enfin, la position de repos du piston 37 est celle pour laquelle le robinet 27 est complète ment fermé.
On obtient de cette façon un fonctionnement de l'installation qui correspond au diagramme de la fig. 2. Dans cette figure, les abscisses représentent les pressions de débit p de l'autogénérateur, qui correspondent pratiquement aux pressions d'alimentation de la turbine 20.
Les ordonnées correspondent ou bien aux volumes V des gaz moteurs ou bien aux puissances P fournies par la turbine 20.
Dans la fig. 2 la courbe a indique, pour les diverses pressions, les volumes de gaz maxima susceptibles d'être débités par l'autogénérateur, cesdits maxima correspondant aux courses maxima du piston libre 3-4 de l'autogénérateur. La courbe b représente, pour les diverses pressions, les débits minima (en volume) de l'autogénérateur, débits qui correspondent aux courses minima du piston libre 3-4, ces courses minima étant déterminées par la nécessité de découvrir, à la fin de chaque course du piston libre vers l'extérieur, les ouvertures 6 et 7 du cylindre moteur 1, pour assurer l'alimentation et le balayage de celui-ci.
La courbe c représente les quantités (en volume) des gaz moteurs qui doivent être fournis à la turbine 20 pour les diverses pressions d'alimentation de cette turbine, dont la puis sance P varie selon la courbe N. Il est à noter ici que la turbine 20 est une turbine à section d'admission constante qui nécessite pour des charges croissantes, non seulement des volumes, mais également des pressions croissantes des gaz moteurs.
Il ressort de la fig. 2 que la courbe c coupe la courbe<I> b </I> dans le point<I>B</I> et la courbe a dans le point A. Il en résulte que pour les faibles charges de la turbine 20, il existe un excès de gaz moteurs fournis par l'autogénérateur qui ne peut pas passer à travers la turbine.
Pour ces régimes, la pression d'huile de la conduite 32 permet au ressort 41 d'agir sur la soupape 28 de façon telle que cette soupape ouvre le by-pass 29 d'un montant plus ou moins grand.
Lorsque la pression dans la conduite 32 monte avec la charge de la turbine 20, la soupa pe 28 se soulève de plus en plus pour fermer complètement le by-pass 29 et ouvrir complète ment l'admission de la turbine 20 au moment où la pression p2 correspondant au point B est atteinte. Dans cette même période la came 45 (came min.) a été constamment maintenue en contact avec la butée 47 sous l'influence du ressort antagoniste 39, de sorte que l'injection du combustible ait pendant toute cette période sa valeur minimum.
Lorsque la pression de débit dépasse la valeur p2 et se trouve dans la zone entre les pressions p2 , correspondant au point B, et p3 correspondant au point A, la pression dans la conduite 32 maintient fermé le by-pass 29 et règle par son action sur le piston 36 la quan tité du combustible injecté dans le cylindre moteur 1 de façon telle que l'autogénérateur débite, pour chacune des pressions entre p2 et p3 , la quantité des gaz moteurs demandée par la turbine et indiquée par l'un des points du tronçon B-A de la courbe c .
Dans cette période, la puissance P de l'ins tallation est réglée exclusivement par le réglage de la quantité du combustible injecté dans le cylindre 1 de l'autogénérateur et la butée 47 se trouve dans l'intervalle entre les cames 45 et 46 sans les toucher.
Lorsque la pression d'alimentation requise par la turbine 20 atteint et dépasse la valeur p3 , la came 46 (came max.) est mise en con tact avec la butée 47 qui détermine, pour les pressions entre p3 et p4 , la quantité de combustible injecté dans le cylindre moteur de l'autogénérateur. Le volume des gaz moteurs débités par l'autogénérateur correspond donc au tronçon de la courbe a qui se trouve à droite du point A. Ce volume est cependant insuffisant pour les besoins de la turbine 20 dont les besoins en volume sont indiqués par le tronçon de la courbe c qui se trouve au-delà du point A.
Pour donner aux gaz, à l'entrée de la turbine 20, le volume nécessaire, on commence à partir de la pression p3 , à injecter à l'aide des brûleurs 23 une certaine quantité de combustible complémentaire dans les gaz moteurs, le robinet 27 ayant été maintenu fermé par force du ressort 40 pour les pressions inférieures à p3 . La quantité du combustible complémentaire est déterminée par l'action de la pression dans la conduite 32 sur le piston 37 de façon telle que le chauffage, dû à cette action, augmente le volume des gaz moteurs jusqu'à ce que ce volume corresponde à la valeur indiquée par le tronçon de la courbe c qui se trouve au-delà du point A.
Le point p4 est la pression maximum d'alimentation de la turbine pour laquelle celle-ci atteint sa puissance maximum.
Dans le dispositif représenté par la<B>fi-.</B> 1, les divers organes de commande travaillent en fonction de la vitesse de la turbine 20.
Dans la variante de ce dispositif, qui est représentée par la fig. 3, ces divers organes de commande sont actionnés par le surveillant de l'installation qui, à cet effet, fait monter ou descendre, à l'aide d'une pompe qu'il actionne à la main, la pression qui règne dans la con duite 32.
Dans la fig. 3 on n'a représenté que les trois cylindres de commande 33-34-35 branchés sur la conduite 32, ainsi que les moyens d'injection du combustible complémentaire et les moyens de commande de la soupape 28 du by-pass.
Les organes de la fig. 3, qui ont déjà été représentés dans la fig. 1, ont été désignés par les mêmes chiffres de référence que dans cette dernière figure.
Pour provoquer la montée ou la descente de la pression dans la conduite 32, le surveillant a à sa disposition un volant 58 à l'aide duquel il entraîne la pompe 59, dont le refoulement est branché sur la conduite 32.
On pourrait évidemment se contenter d'agen cer le dispositif représenté par la fig. 3 de la même façon que celui représenté par la fig. 1, exception faite des moyens que produisent les variations de pression dans la conduite 32. Cependant, dans ce dernier dispositif, on a en core recours à des moyens qui permettent d'aug menter rapidement pour certains régimes de l'installation, notamment pendant la période du démarrage, la quantité du combustible complé mentaire brûlé dans les gaz moteurs, un dispo sitif limitateur de ce combustible étant prévu qui travaille en fonction de la température des gaz moteurs à l'entrée de la turbine et en fonc tion de la vitesse de celle-ci.
Ces derniers moyens sont particulièrement utiles lorsque l'installation sert à l'entraînement de véhicules, notamment de locomotives, où il faut disposer d'un fort couple au démarrage.
Il est à noter ici qu'il est parfaitement possi ble de brûler dans les gaz moteurs, lors des périodes de démarrage de l'installation, des quantités de combustible complémentaire bien supérieures à celles qu'on peut brûler dans les gaz moteurs lors du fonctionnement normal de la turbine. En effet, dans ces périodes, l'instal lation étant encore froide et les gaz débités par l'autogénérateur ayant une température infé rieure à leur température normale, la température des gaz à l'entrée de la turbine, même lorsqu'on brûle dans ceux-ci une quantité supérieure à celle qui serait admissible lors du fonctionne ment normal de l'installation, ne dépasse pas la valeur compatible avec la bonne tenue des aubes de la turbine.
De plus, la vitesse de la turbine étant réduite dans la période de démar rage, la force centrifuge agissant sur les aubes de la roue ou des roues de la turbine est, dans cette période, également réduite, ce qui permet de soumettre les aubes à des sollicitations plus grandes que lors des périodes de fonctionnement normal.
Pour toutes ces raisons, le dispositif limi- tateur susmentionné du combustible complé mentaire qui travaille en fonction de la tempé rature des gaz moteurs à l'entrée de la turbine et en fonction de la vitesse de celle-ci, permet la combustion d'une plus grande quantité de combustible complémentaire pendant la période de démarrage que pendant les périodes de fonctionnement normal, en sorte que l'on obtient un couple particulièrement important lors du démarrage.
Selon la fig. 3, le dispositif limitateur com porte un orifice d'échappement, prévu sur le conduit 60, qui alimente le brûleur 23, cet orifice d'échappement étant disposé entre le robinet 27 et ledit brûleur et étant commandé par une soupape ou une aiguille 61, cette aiguille ouvre l'orifice d'échappement sous l'effet d'un thermostat 62, disposé dans le conduit des gaz 18, à l'entrée de la turbine 20 et agissant sur une tige 63 qui, lorsque la température des gaz atteint une certaine valeur, provoque l'ouverture de l'aiguille 61 par l'intermédiaire d'un balancier 64.
L'effet du thermostat 62 est encore corrigé par un régulateur de vitesse 65, entraîné par la turbine 20 et agissant par l'intermédiaire d'un relais sur la position de l'axe de pivotement du levier 64. Plus la vitesse de la turbine 20 est réduite, plus la température des gaz à l'entrée de la turbine peut être élevée avant que le thermostat 62 ne commence à ouvrir l'orifice d'échappement du conduit 60.
Il est à noter que les dispositifs de réglage décrits peuvent également être appliqués à des installations comportant plusieurs autogénéra- teurs alimentant une ou plusieurs turbines. Les moyens de commande des dispositifs décrits, au lieu d'être hydrauliques, pourraient être pneumatiques, électriques ou purement méca niques.