Auto-générateur à piston libre, à combustion interne L'invention est relative à un auto-générateur à piston libre à combustion interne comportant une tur bine à gaz auxiliaire entraînant au moins un disposi tif auxiliaire et un dispositif réglant la section d'entrée de la turbine auxiliaire en fonction de la pression de marche de l'auto-générateur.
Dans les installations connues, de ce genre, la turbine auxiliaire est entraînée par les gaz moteurs qui sont débités par le cylindre moteur de l'auto- générateur et qui sont constitués par un mélange d'air comprimé et de gaz de combustion incomplète ment détendu. La turbine auxiliaire, dans ces installa tions connues, est branchée, soit en série, soit en parallèle, avec la machine réceptrice principale des- dits gaz moteurs, cette machine réceptrice principale étant constituée généralement par une turbine à gaz.
Si la turbine auxiliaire est montée en série avec la turbine principale, tous les gaz moteurs doivent passer à travers la turbine auxiliaire.
Si la turbine auxiliaire est branchée en parallèle avec la turbine principale, elle se trouve alimentée par des masses gazeuses moindres mais toujours à pression variable selon le régime de la turbine prin cipale. Or, dans beaucoup de cas, la puissance du dispositif auxiliaire, ou de l'ensemble des dispositifs auxiliaires entraînés par la turbine auxiliaire, reste constante ou peu variable quand la puissance deman dée à la turbine principale et, par conséquent, la pres sion des gaz moteurs varient. Il est donc nécessaire de dimensionner la turbine auxiliaire pour la pression minimum des gaz et de réduire la section de cette turbine quand la pression des gaz est élevée.
Cette disposition est particulièrement désavantageuse dans les installations destinées à la propulsion de bateaux et dans lesquelles il est possible d'abaisser à des valeurs très basses la pression des gaz moteurs à l'ar rêt ou en marche à faible charge.
C'est ainsi que, dans ces installations marines, la section de la tur bine auxiliaire, branchée parallèlement à la turbine principale, doit varier dans le rapport de 1 sur 100 si la pression des gaz au-dessus de la pression atmo sphérique descend de 3,2 à 0,1 kg/cm2. La situation est un peu moins défavorable, mais pas satisfaisante quand même, dans les installations électrogènes dans lesquelles on doit maintenir, en marche à vide, la pleine vitesse de la turbine principale entraînée par les gaz moteurs débités par l'auto-générateur.
Dans ces dernières installations dans lesquelles la pression des gaz varie, par exemple, entre 3,2 et 0,7 kg/cm, le rapport qui doit exister entre les valeurs maxima et minima des sections de la turbine auxiliaire- est de 5,5/1.
L'invention a pour but de permettre d'éliminer de tels inconvénients et, à cet effet, l'auto-générateur à piston libre selon l'invention est caractérisé par le fait que la turbine auxiliaire est entraînée par de l'air prélevé dans le réservoir d'air qui est intercalé entre la partie motrice et le compresseur de l'auto-généra- teur et qui contient l'air d'alimentation de ladite par tie motrice.
Cet air a, même, en marche à vide de l'installation, une pression relativement élevée, de sorte que le rapport entre les pressions maxima et minima de cet air est moins grand que le rapport entre les pressions maxima et minima des gaz débités hors du cylindre moteur de l'auto-générateur. Par conséquent, en alimentant la turbine auxiliaire- en air prélevé dans ledit réservoir, il est possible de se con tenter d'une variation de la section d'entrée de la tur bine auxiliaire bien moins grande que. dans le cas où la turbine auxiliaire est alimentée en gaz moteurs parallèlement à la turbine principale.
C'est ainsi que, dans une installation marine, le rapport entre les sections maxima et minima d'une turbine auxiliaire alimentée par de l'air prélevé sur l'air d'alimentation du cylindre moteur peut être, par exemple, égal à 7,5 (contre 100 dans le cas de l'alimentation en gaz mo teurs), la pression dans le réservoir contenant l'air d'alimentation du cylindre moteur pouvant être, par exemple, à pleine charge, égale à 4 kg/cm2 et, en marche à vide, égale à 0,8 kg/cm?, ces valeurs cor respondant à des pressions respectives de 3,2 et 0,1 kg/cmz à la sortie du cylindre moteur.
Pour une installation électrogène, les valeurs maxima et minima des pressions régnant dans le réservoir contenant l'air d'alimentation du cylindre moteur peuvent être éga les, respectivement, à 4 et 1,5 kg/cmz, ce qui permet trait de ramener le rapport des sections maxima et minima de la turbine auxiliaire à la valeur de 3,6 (contre 5,5 dans le cas de la turbine auxiliaire alimen tée en gaz moteurs et branchée parallèlement à la turbine principale).
L'invention permet donc de ré duire fortement les dimensions de la turbine auxi liaire et d'obtenir un réglage plus simple, puisque le rapport des sections de la turbine auxiliaire entre la marche à vide et la marche à pleine charge de l'auto générateur peut être beaucoup plus petit que dans le cas d'une turbine auxiliaire alimentée en gaz moteurs et montée parallèlement à la turbine principale.
La figure unique du dessin montre, à titre d'exem ple, une forme d'exécution de l'auto-générateur selon l'invention.
L'auto-générateur représenté au dessin comporte deux cylindres coaxiaux dont le premier 1 constitue un cylindre moteur, tandis que le deuxième 2 cons titue, dans sa partie 2a qui est tournée vers le cylin dre 1, un cylindre compresseur et, dans sa partie opposée 2b, un accumulateur d'énergie de retour.
Dans ces deux cylindres travaille un piston libre dont la partie 3 de ce piston constitue l'élément moteur qui coopère avec le cylindre moteur 1, tandis que la partie 4 dudit piston travaille dans le cylindre 2 et constitue un élément compresseur, sa face annulaire tournée vers l'élément 3 assurant l'aspiration et la compression de l'air dans la partie 2a du cylindre 2, alors que sa face opposée coopère avec le matelas d'air qui est emprisonné dans la partie 2b du cylin dre 2.
Le cylindre moteur 1 comporte un injecteur 5 et des ouvertures d'admission 6 et d'échappement 7, ces ouvertures étant commandées par l'élément moteur 3 du piston libre.
Le compartiment 2a du cylindre 2 est muni de soupapes d'aspiration d'air 8 et de soupapes de re foulement 9 à travers lesquelles l'air comprimé est transvasé dans un réservoir d'air 10 qui entoure le cylindre moteur I et qui constitue un carter extérieur pour celui-ci.
L'air est donc aspiré à travers la soupape 8 lors que le piston 3-4 accomplit sa course vers l'extérieur sous l'influence de la combustion du combustible dans le cylindre 1 et il est comprimé et refoulé dans le réservoir 10 lorsque le piston 3-4 accomplit sa course inverse sous l'influence de l'énergie qui a été emma gasinée dans l'accumulateur d'énergie 2b lors de la course précédente.
Les ouvertures d'échappement 7 du cylindre moteur 1 sont reliées par un conduit 11 à une tur bine à gaz principale 12, qui est entrainée par le mélange d'air comprimé et de gaz de combustion incomplètement détendu qui s'échappe à travers les ouvertures 7 durant la période pendant laquelle ces ouvertures sont découvertes par l'élément moteur 3.
Dans une variante, l'auto-générateur pourrait comprendre deux pistons libres opposés à éléments moteurs 3 travaillant en sens opposé dans un même cylindre moteur et à éléments compresseurs travaillant dans deux cylindres disposés de part et d'autre du cylindre moteur 1, les deux pistons libres opposés étant reliés entre eux par un mécanisme de synchro nisation.
L'auto-générateur décrit comprend des dispositifs auxiliaires, non représentés, par exemple une pompe qui soutient la circulation de l'eau de refroidissement dans l'auto-générateur et/ou un ventilateur assurant le refroidissement de cette eau, entraînés par une tur bine auxiliaire. Cette turbine est entraînée par de l'air sous pression prélevé dans le réservoir 10.
La turbine auxiliaire comporte une roue 13 munie d'aubes à sa périphérie et fixée sur un arbre 14. L'ad mission de cette turbine comprend plusieurs ajutages 15a, 15b, etc., comportant, à leur extrémité voisine de la roue 13, des aubes directrices 16, chacun de ces ajutages étant commandé à son extrémité d'entrée par une soupape désignée respectivement par 17a, 17b, etc. Chaque soupape, lorsqu'elle est ouverte, fait communiquer l'ajutage correspondant avec un espace d'admission commun 18 en forme de tore. Ce dernier espace est relié par un conduit 19 au réservoir 10.
En ouvrant ou en fermant successivement un nombre plus ou moins grand de soupapes<I>17a, 17b,</I> etc., on provoque donc un agrandissement ou une diminution de la section d'entrée utile de la turbine auxiliaire.
Le réglage du nombre des soupapes 17a, 17b, etc., ouvertes à un moment déterminé, s'effectue à l'aide d'un régulateur centrifuge de vitesse 20 qui est entraîné, par l'intermédiaire de roues hélicoïdales 21 22, à partir de l'arbre 14 de la turbine auxiliaire et qui, au moyen d'un dispositif servomoteur hydrau lique ou pneumatique, déplace une crémaillère 23 qui actionne un pignon 24 qui est calé sur un arbre 25 sur lequel est montée une came 26 qui agit sur les tiges des soupapes 17a, 17b, etc.
Le dispositif servomoteur comporte un distributeur 27 comman dant un cylindre de travail 28 dans lequel coulisse un piston 29 qui est relié à ladite crémaillère 23, les tiges du distributeur 27 et du piston 29 étant reliées à un levier 30 sur l'une des extrémités duquel agit ledit régulateur 20. Lorsque la pression de l'air qui entraîne la tur bine auxiliaire monte ou descend, la turbine a ten dance à tourner plus vite ou plus lentement. Une légère modification de la vitesse de la turbine a pour effet d'amener le régulateur 20 à fermer ou à ouvrir un nombre correspondant de soupapes<I>17a, 17b,</I> etc., et à diminuer ou augmenter, de façon correspondante, la section d'entrée utile de la turbine auxiliaire, ce qui maintient ainsi la vitesse de celle-ci à une valeur pratiquement constante.
L'air, après avoir traversé les aubes de la roue 13, s'échappe à travers un con duit d'échappement 31 fixé sur l'enveloppe 32 de la turbine.
L'arbre 14 entraîne, par l'intermédiaire des roues dentées 33a, 33b, les dispositifs auxiliaires de l'auto- générateur.
Dans certains cas, il peut être avantageux de réchauffer l'air prélevé dans le carter 10 de l'auto- générateur avant que cet air arrive à l'admission de la turbine auxiliaire. Ce réchauffage peut être obtenu, par exemple, par un échangeur 34 qui chauffe l'air qui se trouve dans un réservoir auxiliaire 35 qui est intercalé dans le conduit 19. Ce réchauffage peut aussi être obtenu par la combustion d'une certaine quantité de combustible dans le conduit 19.
Dans d'autres cas, on peut, au contraire, avoir intérêt à refroidir l'air prélevé dans le réservoir 10 avant que cet air n'arrive à l'admission de la turbine auxiliaire. Ce refroidissement peut avoir lieu dans un réservoir auxiliaire, analogue à celui désigné par 35, mais muni de moyens de refroidissement. Par suite d'un tel refroidissement, on obtient à la sortie de la turbine auxiliaire (conduit d'échappement 31), de l'air ayant une température inférieure à la tempé rature ambiante. Cet air peut servir, par exemple, à la réfrigération du poste de conduite d'une locomo tive.
Pour les charges réduites de l'auto-générateur décrit, la puissance nécessitée pour l'entraînement du ou des dispositifs auxiliaires peut également être légè rement réduite. C'est pourquoi la vitesse de la tur bine auxiliaire est réglée de façon qu'elle soit réduite lorsque l'auto-générateur marche à charge réduite. A cet effet, la tension du ressort 36 du régulateur 20 est rendue variable en fonction de la pression dans l'espace d'admission 18 de la turbine auxiliaire, pres sion qui varie avec celle régnant dans le réservoir 10 et donc avec la charge de l'auto-générateur.
L'une des extrémités du ressort 36 est fixée à une tige filetée 37 munie d'un pignon 38 avec lequel coopère une crémaillère 39, cette dernière crémaillère étant reliée à un piston 40 qui peut se déplacer à l'intérieur d'un cylindre 41 dont l'une des extrémités est reliée, par un conduit 42, à l'espace d'admission 18 de la tur bine auxiliaire, de sorte que la pression qui règne dans cet espace agisse sur l'un des côtés du piston 40, tandis que l'autre côté de ce piston est sous l'action d'un ressort 43 qui se trouve à l'intérieur du cylindre 41.
Afin de limiter l'action du réglage du dispositif 37 à 43 à une certaine gamme de pres- sions qui correspond aux charges réduites de l'auto- générateur, il est prévu une butée à l'intérieur du cylindre 41 qui arrête le piston 40 lorsque la pres sion dans l'espace 18 atteint une valeur correspon dant à la pression maximum de ladite gamme de pressions.
The invention relates to a free piston self-generator with internal combustion comprising an auxiliary gas turbine driving at least one auxiliary device and a device regulating the inlet section of the generator. the auxiliary turbine according to the operating pressure of the auto-generator.
In known installations of this type, the auxiliary turbine is driven by the driving gases which are delivered by the driving cylinder of the autogenerator and which consist of a mixture of compressed air and incompletely expanded combustion gas. . The auxiliary turbine, in these known installations, is connected, either in series or in parallel, with the main receiving machine for said engine gases, this main receiving machine generally being constituted by a gas turbine.
If the auxiliary turbine is fitted in series with the main turbine, all driving gases must pass through the auxiliary turbine.
If the auxiliary turbine is connected in parallel with the main turbine, it is supplied with less gaseous masses but always at variable pressure according to the speed of the main turbine. However, in many cases, the power of the auxiliary device, or of all the auxiliary devices driven by the auxiliary turbine, remains constant or only slightly variable when the power demanded from the main turbine and, consequently, the pressure of the gas engines vary. It is therefore necessary to size the auxiliary turbine for the minimum gas pressure and to reduce the section of this turbine when the gas pressure is high.
This arrangement is particularly disadvantageous in installations intended for the propulsion of boats and in which it is possible to lower the pressure of the engine gases to very low values when stationary or when operating at low load.
Thus, in these marine installations, the section of the auxiliary turbine, connected parallel to the main turbine, must vary in the ratio of 1 to 100 if the gas pressure above atmospheric pressure drops by 3.2 to 0.1 kg / cm2. The situation is a little less unfavorable, but not satisfactory nonetheless, in generating installations in which the full speed of the main turbine driven by the engine gases supplied by the autogenerator must be maintained, in idle operation.
In these latter installations in which the gas pressure varies, for example, between 3.2 and 0.7 kg / cm, the ratio which must exist between the maximum and minimum values of the sections of the auxiliary turbine is 5.5 / 1.
The object of the invention is to make it possible to eliminate such drawbacks and, to this end, the free-piston self-generator according to the invention is characterized in that the auxiliary turbine is driven by air taken from the air reservoir which is interposed between the driving part and the compressor of the auto-generator and which contains the supply air to said driving part.
This air even has a relatively high pressure when the installation is idle, so that the ratio between the maximum and minimum pressures of this air is less than the ratio between the maximum and minimum pressures of the gases discharged outside. of the engine cylinder of the auto-generator. Consequently, by supplying the auxiliary turbine with air taken from said reservoir, it is possible to be satisfied with a variation in the inlet section of the auxiliary turbine which is much smaller than. in the case where the auxiliary turbine is supplied with engine gas parallel to the main turbine.
Thus, in a marine installation, the ratio between the maximum and minimum sections of an auxiliary turbine supplied with air taken from the supply air to the engine cylinder can be, for example, equal to 7 , 5 (against 100 in the case of the engine gas supply), the pressure in the tank containing the supply air to the engine cylinder being able to be, for example, at full load, equal to 4 kg / cm2 and , in idle operation, equal to 0.8 kg / cm 2, these values corresponding to respective pressures of 3.2 and 0.1 kg / cm 2 at the outlet of the engine cylinder.
For a generator installation, the maximum and minimum values of the pressures prevailing in the tank containing the supply air to the engine cylinder can be equal, respectively, to 4 and 1.5 kg / cmz, which allows to reduce the ratio of the maximum and minimum sections of the auxiliary turbine to the value of 3.6 (against 5.5 in the case of the auxiliary turbine supplied with engine gas and connected in parallel to the main turbine).
The invention therefore makes it possible to greatly reduce the dimensions of the auxiliary turbine and to obtain a simpler adjustment, since the ratio of the sections of the auxiliary turbine between idle operation and full load operation of the self-generator. may be much smaller than in the case of an auxiliary turbine supplied with engine gas and mounted parallel to the main turbine.
The single figure of the drawing shows, by way of example, one embodiment of the auto-generator according to the invention.
The auto-generator shown in the drawing comprises two coaxial cylinders, the first 1 of which constitutes an engine cylinder, while the second 2 constitutes, in its part 2a which is turned towards the cylinder 1, a compressor cylinder and, in its part. opposite 2b, a return energy accumulator.
In these two cylinders works a free piston whose part 3 of this piston constitutes the driving element which cooperates with the engine cylinder 1, while the part 4 of said piston works in the cylinder 2 and constitutes a compressor element, its annular face turned. towards the element 3 ensuring the suction and the compression of the air in the part 2a of the cylinder 2, while its opposite face cooperates with the air mattress which is trapped in the part 2b of the cylinder dre 2.
The engine cylinder 1 comprises an injector 5 and intake 6 and exhaust 7 openings, these openings being controlled by the driving element 3 of the free piston.
The compartment 2a of the cylinder 2 is provided with air suction valves 8 and discharge valves 9 through which the compressed air is transferred to an air reservoir 10 which surrounds the engine cylinder I and which constitutes a outer casing for it.
The air is therefore sucked through the valve 8 as the piston 3-4 completes its outward stroke under the influence of the combustion of the fuel in the cylinder 1 and it is compressed and discharged into the tank 10 when the piston 3-4 completes its reverse stroke under the influence of the energy which was stored in the energy accumulator 2b during the previous stroke.
The exhaust openings 7 of the engine cylinder 1 are connected by a duct 11 to a main gas turbine 12, which is driven by the mixture of compressed air and incompletely expanded combustion gas which escapes through the openings. 7 during the period during which these openings are discovered by the driving element 3.
In a variant, the auto-generator could comprise two opposing free pistons with motor elements 3 working in opposite directions in the same motor cylinder and with compressor elements working in two cylinders arranged on either side of motor cylinder 1, both opposing free pistons being interconnected by a synchronization mechanism.
The self-generator described comprises auxiliary devices, not shown, for example a pump which supports the circulation of cooling water in the self-generator and / or a fan ensuring the cooling of this water, driven by a tur auxiliary bin. This turbine is driven by pressurized air taken from the tank 10.
The auxiliary turbine comprises a wheel 13 provided with blades at its periphery and fixed to a shaft 14. The mission of this turbine comprises several nozzles 15a, 15b, etc., comprising, at their end adjacent to the wheel 13, Guide vanes 16, each of these nozzles being controlled at its inlet end by a valve designated respectively by 17a, 17b, etc. Each valve, when open, communicates the corresponding nozzle with a common inlet space 18 in the form of a torus. The latter space is connected by a conduit 19 to the reservoir 10.
By successively opening or closing a greater or lesser number of valves <I> 17a, 17b, </I> etc., therefore, an enlargement or reduction of the useful inlet section of the auxiliary turbine is caused.
The number of valves 17a, 17b, etc., which are open at a determined time, is adjusted by means of a centrifugal speed regulator 20 which is driven, via helical wheels 21 22, from of the shaft 14 of the auxiliary turbine and which, by means of a hydraulic or pneumatic servomotor device, moves a rack 23 which actuates a pinion 24 which is wedged on a shaft 25 on which is mounted a cam 26 which acts on the valve stems 17a, 17b, etc.
The servomotor device comprises a distributor 27 controlling a working cylinder 28 in which slides a piston 29 which is connected to said rack 23, the rods of the distributor 27 and of the piston 29 being connected to a lever 30 on one of the ends of which said regulator 20 acts. When the pressure of the air which drives the auxiliary turbine rises or falls, the turbine tends to rotate faster or slower. A slight change in the turbine speed has the effect of causing the regulator 20 to close or open a corresponding number of valves <I> 17a, 17b, </I> etc., and to decrease or increase, so corresponding, the useful inlet section of the auxiliary turbine, which thus maintains the speed of the latter at a practically constant value.
The air, after having passed through the blades of the impeller 13, escapes through an exhaust duct 31 fixed to the casing 32 of the turbine.
The shaft 14 drives, via the toothed wheels 33a, 33b, the auxiliary devices of the autogenerator.
In certain cases, it may be advantageous to heat the air taken from the casing 10 of the autogenerator before this air arrives at the inlet of the auxiliary turbine. This heating can be obtained, for example, by an exchanger 34 which heats the air which is in an auxiliary tank 35 which is interposed in the duct 19. This heating can also be obtained by the combustion of a certain quantity of fuel. in duct 19.
In other cases, it may, on the contrary, be advantageous to cool the air taken from the reservoir 10 before this air arrives at the inlet of the auxiliary turbine. This cooling can take place in an auxiliary tank, similar to that designated by 35, but provided with cooling means. As a result of such cooling, at the outlet of the auxiliary turbine (exhaust duct 31), air having a temperature below ambient temperature is obtained. This air can be used, for example, to cool the driver's cab of a locomotive.
For the reduced loads of the auto-generator described, the power required for driving the auxiliary device (s) can also be slightly reduced. This is why the speed of the auxiliary turbine is adjusted so that it is reduced when the auto-generator operates at reduced load. To this end, the tension of the spring 36 of the regulator 20 is made variable as a function of the pressure in the inlet space 18 of the auxiliary turbine, a pressure which varies with that prevailing in the reservoir 10 and therefore with the load of the auto-generator.
One of the ends of the spring 36 is fixed to a threaded rod 37 provided with a pinion 38 with which a rack 39 cooperates, the latter rack being connected to a piston 40 which can move inside a cylinder 41 one of the ends of which is connected, by a duct 42, to the inlet space 18 of the auxiliary turbine, so that the pressure prevailing in this space acts on one of the sides of the piston 40, while that the other side of this piston is under the action of a spring 43 which is located inside the cylinder 41.
In order to limit the action of the adjustment of the device 37 to 43 to a certain range of pressures which corresponds to the reduced loads of the autogenerator, a stop is provided inside the cylinder 41 which stops the piston 40. when the pressure in space 18 reaches a value corresponding to the maximum pressure of said pressure range.