FR2491135A1 - Mecanisme de turbines a gaz - Google Patents

Abstract

DE MANIERE A REALISER DES MECANISMES DE TURBINE A GAZ DE PUISSANCE DE SORTIE VARIABLE ET CELA AVEC UN NOMBRE REDUIT D'ELEMENTS DE BASE DANS UN ENSEMBLE D'ENTRAINEMENT COMPRENANT TROIS ROTORS DE TURBINE, ON DOUBLE LE NOMBRE DES ROTORS 16, 17 ET 18 DU GENERATEUR DE GAZ ETOU DE LA PARTIE D'ENTRAINEMENT. LE GENERATEUR DE GAZ COMPREND UN ROTOR DE TURBINE 16 MONTE SUR LE MEME ARBRE QUE LE COMPRESSEUR 14 ET LES DEUX AUTRES ROTORS 17, 18 CONSTITUENT UN ENSEMBLE D'ENTRAINEMENT RELIE A UN ENGRENAGE 10 D'UN ARBRE D'ENTRAINEMENT DE SORTIE. IL EST POSSIBLE DE DOUBLER LE NOMBRE DES ROTORS AUSSI BIEN DANS LE GENERATEUR DE GAZ QUE DANS LA PARTIE D'ENTRAINEMENT DE SORTE QUE L'ON PEUT AVOIR UN ARBRE DE TRANSMISSION INTERNE COMMUN 21 ENTRE L'ENGRENAGE ET LES GENERATEURS DE GAZ.

Description

Quand un moteur de véhicule fonctionne en charge partielle ou au ralenti, il est difficile d'économiser correctement le carburant et devoir un taux d'émission acceptable. Quand ce moteur comprend une turbine à gaz, le travail nécessaire pour entraîner le compresseur et les appareils auxiliaires est très important pendant ces conditions de fonctionnement.

Lorsque le véhicule roule normalement on doit pouvoir disposer d'une certaine réserve de puissance et il est proposé selon la présente invention, pour éviter les incon venients mentionnés ci-dessus quand le moteur fonctionne en charge partielle ou au ralenti, que la turbine, y compris sa chambre de combusion, soit constituée de manière que lorsque la vitesse de rotation est faible elle ne puisse entraîner seule le rotor principal, c'est-à-dire le rotor comprenant le compresseur ainsi que les appareils auxiliaires. Un moteur auxiliaire, qui peut être de type différent, est donc prévu pour fournir la puissance additionnelle nécessaire, et le dispositif peut économiser le carburant de façon satisfaisante et déterminer un taux correct de gaz d'émission.

Une turbine à gaz selon l'invention est caractérisée en ce que sa chambre de combustion est munie ae deux bru leurs dont l'un est dimensionné en fonction d'une quantité de carburant correspondant simplement à un fonctionnement à "flamme réduite", un moteur auxiliaire étant prévu pour maintenir le rotor principal de la turbine à gaz en arche pendant ces conditions de fonctionnement.Le moteur auxiliaire est de faible puissance et demande peu d'espace, mais il est conçu pour qu'on puisse en obtenir une puissance élevée à court terme au cémar@age et pendant l'@@@élér@tion. Ce moteur auxiliaire peut être un moteur électrique qui est alimenté en courant par un accumalateur, lequel peut ê@re chargé pendant les concitions de f@@@@@ @e@ent @@@@@ales. Le générateur et l'accumulateur sont de préférence sordimensionnés par comparaison à ce qui est @néc@ssaire pour une installetion class@que.

Le moteur auxiliaire peut être une machine à fluide sous pression prévue pour fonctionner également comme une pompe, et reliée à un accumulateur de fluide sous pression. On peut utiliser un fluide hydraulique, mais on peut aussi stocker une certaine quantité d'air comprimé dans un réservoir et utiliser cette quantité pendant le ralenti ou en cas d'accélération.

Le moteur auxiliaire peut etre un moteur à combustion interne, dont le tuyau d'échappement peut être relié à la chambre de combustion de la turbine à gaz. De préférence, le moteur auxiliaire peut etre prévu pour être alimenté avec de l'air prélevé du côté compresseur de la turbine à gaz. Les conduites qui sont prévues pour prélever l'air peuvent être disposées à l'aval du compresseur de même qu'au moins en un point situé à l'intérieur de son carter.

Quatre modes de réalisation différents de turbines à gaz selon l'invention seront maintenant décrits avec référence aux dessins.

La figure 1 représente un moteur électrique constituant le moteur auxiliaire.

La figure 2 représente un moteur à fluide sous pression constituant le moteur auxiliaire.

Les figures 3 et 4 représentent un moteur à combustion interne constituant le moteur auxiliaire.

La turbine à gaz de l'installation peut être de tout type connu, comprenant un ou plusieurs rotors. Sur toutes les figures, la turbine à gaz est désignée par la référence 10, et de façon classique l'installation comprend un compres- seur 11 et une chambre ae combustion 12. Il n'est pas absolument nécessaire mais recommandé de prévoir un échangeur de chaleur 13 pour réaliser une économie de carburant. La puissance est extraite par l'interméditire d'une boîte de vitesses 14, sii u-ut etre de tout type quelcotique mais est de préf-rence du type planétaire.

Dans le mode de réali@@tion représenté à la figure 1, la turbine comprend deux rocors 15 et 16, qui sont tous les deux reliés à la boIte de vitesses 14. Le compresseur 11 est @@@@@@é par cette dernière par l'intermédi@ire d'une transmission à courroie 17. Des appareils auxiliaires qui comprennent entre autres le générateur 18 et le moteur de démarrage 19 sont reliés à ladite transmission.

Le moteur de démarrage 19 qui a une capacité plus importante que celle de moteurs normaux est relié par l'intermédiaire d'une transmission 20, et le générateur 18 est relié par l'intermédiaire d'une roue-libre 21. Un accumulateur dont la capacité est également plus élevée que lorsqu'il s'agit d'un véhicule normal est désigné par 22.

Le générateur 18 peut être entraîné par l'intermédiaire d'une ou plusieurs roues libres, mais également par l'arbre de sortie du système turbine/transmission selon le principe selon lequel c'est "la vitesse la plus élevée qui a la priorité". Quand on lâche l'accélérateur et quand le véhicule entraîne le moteur; l'énergie de freinage peut être stockée dans l'accumulateur par l'intérmédiaire du générateur.

A la place d'un moteur électrique important 19, il est possible d'avoir deux moteurs reliés en parallèle, qui sont connectés alternativement en fonction de rapports de vitesse différents de manière que l'un soit entraînant au démarrage et que l'autre soit entraînant pendant les accélérations.

L'avantage de cette disposition est qu'il est possible d'utiliser des moteurs de démarrage classiques.

La chambre de combustion 12 comprend un "Drûleur à flamme réduite" 23, et un brûleur ordinaire 24 dont les dimensions sont celles correspondant à la puissance totale.

Le brûleur à flamme réduite 23 ne produit pas une quantité s@ffisante de gaz pour entraîner le compresseur et les appareils auxiliaires nécessaires (non représentés). Au ralenti ou en charge parti elle faiole, le moteur auxiliaire 19 doit être activé. Mais le brûleur à fla@me réduite main tient la @@@@@ne à gaz à @@@@@@ @@@d et @@@@@@ à @@@ @@@@@@ accélération.

Un sys@@e de @@ @@e @@pré @@té @rès @@é@@@@qu@@@@at comprond on @@é@@@at 25, quz est @@@@@@e par la @@@ le d'accelération 26 du véb@cale. Dans me premiè@e région du rhéostat 25, la pompe à carburant 27 du brûleur à "rla@me auxiliaire est fermé. Sur une partie importante et suivante du- rhéostat 25, la pompe à carburant 29 du brûleur principal 24 est activée et fournit une quantité de carburant répondant aux besoins du moment.

Le mode de réalisation selon la figure 2 comprend les mômes composants de base qu'à la figure 1 désignés par les mêmes références. Le générateur 1-8, le moteur de démarrage 19a et l'accumulateur 22 ont cependant dans ce cas des dimensions classiques.

La turbine ne comprend qu'un unique rotor 30 qui est monté sur le même arbre que le compresseur 11, ce dernier étant muni ici d'aubes de guidage d'admission réglables 31.

La partie de transmission située entre la boîte de vitesses 14 et la transmission "auxiliaire appareil/compresseur" comprend une transmission variable continue 32 du type à disque basculant. Un mécanisme à fluide sous pression 34 est relié à l'arbre 33 de ladite partie de transmission par l'intermédiaire d'un dispositif à roue libre/embrayage 35
Le mécanisme 34 est du type pouvant fonctionner aussi bien en tant que pompe qu'en tant que moteur, et il est relié à un réservoir de stockage 36. Quand de l'énergie en excès est disponible dans l'installation, le mécanisme 34 fonctionne en tant que pompe et envoie du fluide dans le réservoir 36.

Quand la turbine à gaz fonctionne sur le mode "flamme réduite" ou pendant une accélération, le fluide sous pression est prélevé du réservoir et le mécanisme 34 fonctionne comme un moteur.

La boîte de vitesses 14 est reliée par l'intermédiaire d'un convertisseur de couple 37 du type comprenant deux turbines 38, 39 séparées respectivement par une ompe 40 et un stator 41. Bu moins une plaque à disque d'embrayage 42 et la per@@e @e la @@@@@ e 38 qui lui est reliée sont de co@s- truction robuste et réalisées en un matériau de poids spéci fique ele-ve de sorte que cette pièce, a ui est entraînée @@@@que le for @@e@t est sur le @ode "flarme rédutte" au @@@en au moteur auxiliaire 34, détermine un effet de volent qui facilite l'accélération qui suit.

L'e @éléiation est comman@ée par @ne ri@@c-calculatrice 43 qui est actionnée entre autres par la pédale d'accélération 26 et par l'intermédiaire d'un composant électrique 44 et qui fournit des signaux de commande au brûleur à "flamme réduite" 23, au brûleur principal 24 et aux transmission 32 et 35, de même qu'à la boîte de vitesses 14 et au mécanisme 34.

Dans le mode de réalisation représenté à la figure 3, le moteur auxiliaire 50 est un moteur à combustion interne du type Wankel, et la turbine 10 comprend trois rotors, dont l'un 51 est fixé sur le même arbre que le compresseur 11 alors que les deux autres 52 et 53 sont prévus pour entraîner la boîte de vitesses 14. On obtient ce résultat au moyen d'un engrenage échelonné 54 et d'un embrayage pouvant être relié au rotor principal 51 et à la boîte de vitesses 14. Le moteur auxiliaire 50 est relié à cette partie de transmission par un embrayage 55.

Le compresseur 11 et le moteur à combustion interne 50 aspirent tous les deux de l'air par un filtre 56 et une vanne à trois voies 57 qui permet de suralimenter éventuellement le moteur à combustion interne avec de l'air provenant du compresseur 11. En fonctionnement à "flamme réduite", un simple moteur à combustion interne 50 relativement réduit suffit, mais la disposition générale peut être conçue de manière que le moteur à combustion fournisse une puissance additionnelle quand il y a des pics de charge, ou un apport important de puissance en pleine charge.

L'air de suralimentation peut être prélevé par la conduite 58 entre le compresseur 11 et la chambre de combustion 12 par l'intermédiaire d'une conduite 58a. A pleine puissance, il peut arriver que la pression de l'air soit trop élevée paur la suralimentation, et de l'air peut donc être prélevé par une conduite 59 ru carter cu compresseur en un T ent situé quelque art entre son entrée t sa sortie. De plus, ceci détermine une co@che limite intermédiaire avantageuse pouvant être suppr ée à l'i@ érieur du catter.

Un passage d'air approprié est sélectionné par une @anne 60 qui ast actionnée Tir un solénoïde 61. L'installation est co@@@@dée par une micro-calculatrice 43 qui est act@ @née de toute manière appropriée et fournit des signaux de commande aux systèmes d'alimentation en carburant des brûleurs 23, 24, aux embrayages 54, 55, au solénoïde 61 et à la boîte de vitesses 14.

Dans le tuyau d'échappement 62 du moteur à combustion interne 50 est prévue une vanne à trois voies 63. Quand le brûleur à "flamme réduite" 23 fonctionne, les gaz d'échappement du moteur à combustion interne passent par la turbine à gaz, ce qui garantit la combustion définitive des produits résiduels, et permet également de maintenir la turbine à l'état chaud. Quand le brûleur principal fonctionne ou quand la turbine à gaz est complètement arrêtée, les gaz d'échappe- ment du moteur sont envoyés directement à l'extérieur par la sortie 64.

Le mode de réalisation selon la figure 4 correspond dans ses grandes lignes à celui de la figure 3, mais le moteur auxiliaire 50a est constitué dans ce cas par un moteur à piston. La turbine 10 comprend un rotor 65 qui est relié directement au compresseur 11, et un rotor 66 qui entraîne la boîte de vitesses 14 par l'intermédiaire d'un convertisseur de couple 67. L'arbre d'entraînement de sortie provenant de ce dernier peut être relié au moteur auxiliaire 50a et respectivement au compresseur 11 et au rotor principal 65, par l'intermédiaire de la transmission 32 pouvant varier de façon continue.

L'alimentation en air de suralimentation provenant du compresseur 11 et envoyé au moteur à combustion interne 50a peut s'effectuer de trois anières. Une conduite 68 peut être reliée à la conduite d'air à l'aval du compresseur et deux conduites 69, 70 peuvent être reliées en différents points du carter du -compresseur. La conduite qui doit être utilisée est déterminée, comme dans le mode de réalisation piécédent, par un soléncilde cocirardé par la vanne 60.

tes appareils alxiliaires nécessaires aux installations selon les fig@res 3 et 4 ne sont pas représentés, mais certeins d'entre e- au moins qui sont importants sont entraînés en moye temps que le rotor principal 65 et le conpr@@seur 11. Le moteur à combustion interne 50, 50a est de préférence pourvu d'un moteur de démarrage et il est d'abord démarré, puis utilisé pour démarrer le rotor principal de la turbine à gaz.

L'installation est'cominandée par une micro-calculatrice 43 qui envoie des signaux de commande nécessaires pour connecter et déconnecter les composants de même que l'alimentation en carburant des deux brûleurs 23, 24 de la chambre de combustion 12, et au moteur à combustion interne 50a.

Les modes de réalisation qui ont été décrits ci-dessus et sont représentés sur les dessins ne sont que des exemples, et les composants qu'ils comprennent peuvent varier de diverses façons tout en restant dans le champ d'application des revendications annexées. L'eau de refroidissement du moteur à combustion interne peut être utilisée pour maintenir la turbine à gaz à l'état chaud pendant le fonctionnement en "flamme réduite", et le moteur à combustion interne et la turbine à gaz peuvent avoir un système de lubrification commun, ce qui facilite également le chauffage mais simplifie surtout l'installation.

Grâce à l'installation selon l'invention, la consommation de la turbine à gaz tournant au ralenti peut être inférieure de moitié de celle des moteurs diesels actuels, et est à'au moins 30 à 50% inférieure à la consommation d'un moteur diesel vendant un cycle de fonctionnement, ce qui satisfait les conditions imposées pour le taux d'émissions et le rendement.

Claims (7)

REVENDICATIONS

1. Turbine à gaz pour véhicule automobile, caractérisée en ce que sa chambre de combustion (12) est pourvue de deux brûleurs (23, 24), l'un d'entre eux (23) étant dimensionné en @onction a'une quantité ae carburant correspondant simplement à un fonctionnement à "flamme réduite", et en ce que le moteur auxiliaire (19, 34, 50, 50a) est prévu pour maintenir le rotor principal de la turbine à gaz en marche pendant ce mode de fonctionnement.

2. Turbine à gaz selon la revendication 1, caractérisée en ce que le moteur auxiliaire est un moteur électrique (19) qui est alimenté en courant par un accumulateur (22) qui peut être chargé pendant le fonctionnement normal.

'3. Turbine à gaz selon la revendication 2, caractérisée en ce qu'elle comprend deux moteurs électriques fonctionnant en parallèle, et pourvus d'engrenages de rapports différents en vue d'une utilisation alternée.

4. Turbine à gaz selon la revendication 1, caractérisée en ce que le moteur auxiliaire est une machine à fluide sous pression (34) prévue pour fonctionner également en tant que pompe, et reliée à un accumulateur de fluide sous pression (36).

5. Turbine à gaz selon la revendication 1, caractérisée en ce que le moteur auxiliaire est un moteur à combustion interne (50, 50a) dont le tuyau d'échappement (62) peut être connecté à la chambre de combustion (12) de la turbine à gaz.

6. Turbine à gaz selon la revendication 5, caractérisée en ce que le moteur auxiliaire (50, 50a) est prévu pour etre alimenté en air prélevé du côté compresseur de la turbine à @@z.

7. Turb@ne à gaz selon la revendication 6, caractérisée en ce qu'elle comprend des conduites (58a, 59, 65, 66, 67) qui p@@l@@@@t l'air à l'av@l du @@@presseur (11) de même qu'à partir d'un e@placement à l'intérieur du carter de ce der@@er.