Brevet FR2185752A1 — publié le 19740104

La présen@e invention est relative aux générateurs de @issunce co@@ortant une tur@ine @@gans, @u @ype comprenant un @@@@resseur, une turbine acti@nnant ce compresseur, une turbine de @uissance et ces engrenages différentiels, tous ces éléments étant accouplés à un élément de sortie moteur, de tels générateurs comportant en outre des @oyens de combustion. Dans les générateurs de puissance de ce type, le com presseur est mis en rotation par @a turbine, et une certaine force @otrice est dérivée @e la tur@ine de puissance par l'intermédiaire des engrenages différentiels, le reste de la force motrice fcurnie par la turbine Le ruissance étant appliqué à l'élément de sortie moteur, lequel peut être accouplé au système de propulsion c'un véhicule pour lui fournir la puissance motrice nécessaire. Les caractéristiques des turbines sont selles que, pour une pression d'entfée sensiblement constante, un accroissement du couple développé par La turbine est obtenu lorsqu'on diminue sa vitesse de rotation. Dans les turbines t az de type antérieur associées à un générateur cie raz autonome et à une turbine de puissance tournant librement, cette augmentation du couple fourni par la turbine de puissance, quoiqu'existante, est insuffisante pour satisfaire aux exigences normales de la propulsion, et la conversion de couple nécessaire, c'est-à-dire le rapport couple sur l'ar@re de sortie moteur calé couple sur l'arbre e sortie pour la vitesse désirée ne peut être obtenue que par l'emploi d'un système de transmission mécanique, lectrique ou hydraulique interposé entre la turbine de puissance et l'arbre moteur. L'objet principal e la présente invention est la réalisation d'un générateur de puissance comportant une turbine à gaz qui peut être utilisée dès le démarrage our fournir progressivement c'est-à-dire sans paliers intermédiaires, la puissance nécessaire à un élément moteur accouplé aux roues motrices d'un véhicule terrestre uont il constitue ainsi le générateur de force motrice. Selon l'invention, le générateur ce puissance comportant une turbine à gaz comprend un compresseur, une turbine accouplée au compresseur et une turbine ue puissance, ces cieux turbines était couplées à un élément de sortie moteur par des engrenages différentiels, et une turbine auxiliaire pouvant être accouplée à l'élément moteur, ledit générateur cie puissance comportant aussi aes moyens de combustion qui fournissent ues produits cie combustion à la turbine au compresseur, à la turbine de puissance et, sélectivement, à la surfine auxiliaire. Cette turbine auxiliaire peut constituer une unité séparés, directement accoup@ée à l'élément de sortie moteur et spécialement agencée pour fournir à cet élément cie sortie, iors- que celui-ci est calé, un couple égal a trois fois ou à plus de trois fois le couple fourni Far le reste du générateur à son régime normal prévu. De préférence, le couple moteur maximum peut être égal à dix fois celui correspondant au régime normal prévu à l'étude du générateur, et il peut être fourni à un arbre de sortie moteur qui constitue ledit élément de sortie moteur. de préférence aussi, le générateur de puissance conforme à l'invention comprend un premier passage qui relie le compresseur à la chambre de combustion, un deuxième passage qui relie la chambre de combustion et la turbine de puissance, un troisième passage qui dirige vers ia turbine du compresseur les gaz sortant e la turbine de puissance, et un quatrième passage qui dirige les produits de la combustion en excès de ceux absorbés par la turbine de puissance et par la turbine du compresseur depuis la chambre de combustion vers la turbine auxiliaire, le deuxième et le quatrième passage se rejoignant dans une soupape située dans le quatrième passage, et qui permet cu empêche l'é- coulement des produits de la combustion en direction ae la turbine auxiliaire.Cette soupape est actionnée par un signal fourni par un dispositif sensible à la vitesse de rotation qui est accouplé à l'élément de sortie moteur, et qui exerce une régulation sur la vitesse ae rotation de cet élément. Un échangeur de chaleur peut être prévu entre les gaz d'échappement de la turbine du compresseur et 'air qui s'écoule par le premier passage afin que cet air, qui est envoyé dans la chambre ae comoustion, soit réchauffé, et pour augmenter ainsi le rendement du générateur de puissance. n variante, la soupape précitée peut être remplacée par une tuyère comporant des ailettes orientables, placée en amont de la turbine auxiliaire, commandée par le dispositif sensible à la vitesse de rotation du génerateur de puissance et qui permet ou empêche l'actionnement de la turbine auxiliaire par les produits e la combustion na description qui va suivre, et les dessins annexés représentant simplement un exemple de réalisation non limitatif feront mieux comprendre conment la présente invention peut être réalisée. Sur ces dessins la figure 1 est un schéma représentant une forme d'exécution de l'invention, la figure 2 est un graphique du couple en fonction de la vitesse de rotation', et la figure 3 représente schématiquement un mécanisme de régulation sensible à la vitesse de rotation, et utilisable dans le générateur de la figure 1. La figure 1 montre une générateur de puissance constitue par un moteur à turbine F gaz comprenant un compresseur 10 qui reçoit de l'air par une entrée 11 et refoule l'air, comprimé à 4 atmosphères environ, dans une chambre de combustion 13, par un conduit 12. De préférence, le compresseur 10 est un compresseur du type centrifuge à deux étages. Les produits de la combustion qui sortent de la chambre 13 s'écoulent par un deuxième conduit 14 en direction d'une turbine de puissance à haute pression 15 puis, par un troisième conduit 16, en direction d'une turbine à basse pression 17 qui met en rotation le compresseur 10.Les gaz d'échappement de la turbine 17 s'écoulent par un conduit 18 jusque dans un échangeur de chaleur 19 puis dans l'atmosphère le conduit 12 passe aussi dans l'échangeur de chaleur 19, et c' est dans celui que les conduits 12 et 18 se trouvent en échange de chaleur, de sorte que l'air qui passe dans le conduit 12 gst réchauffé par les gaz d'échappement qui s'écoulent par le conc duit 18. La turbine 17 qui, de préférence, est une turbine centri fuge à un seul étage ou une turbine à flux axial et à plusieurs étages, est accouplée au compresseur 10 par un arbre 20. La turbine de puissance 15 peut être du type centrifuge ou du type à flux axial et étages multiples. Les turbines 15 et 17 sont accouplées l'une à l'autre par un train d'engrenages différentiels 20a qui est un engrenage épicycloïdal, la turbine 15 étant accouplée à la couronne 21 et la turbine 17 au pignon planétaire 22 de cet engrenage. Des pignons satellites 23 interposés entre la couronne 21 et le pignon planétaire 22 sont montés sur un support commun 24 accouplé à un élément de sortie constitué par un arbre moteur 25o Dans le mode de réalisation de la figure 1, les turbines 15 et 17 étant respectivement accouplées directement à la couronne 21 et au pignon planétaire 22 du train d'engrenages épicycloïdal, elles tournent en sens inverses. De la sorte, lorsque l'arbre moteur 25 est chargé jusqu'à son point de calage, les turbines 15 et 17 poursuivent leur mouvement de rotation. Des produits de la combustion qui sortent de la chambre de combustion 13 s'écoulent facultativement par un conduit 26 commandé par une soupape 27 et, lorsque cette soupape 27 est ouverte, ils sont envoyés dans une turbine auxiliaire 28. les gaz sortant de la turbine 28 s'écoulent par un conduit d'échappement 29. L'arbre moteur 30 de la turbine 28 est muni d'un accoupplement à roue libre 31, et il est relié à l'arbre moteur 25, par l'intermédiaire d'un réducteur de vitesse à engrenages 32. Ainsi qu'il sera expliqué plus loin, le régime du moteur à partir duquel la puissance fournie par la turbine 28 est utilisée est prédéterminée, et cette puissance est réglée d'après une loi également prédéterminée. L'accoupplement à roue libre 31 évite que la turbine 28 tourne en survitesse lorsqu'elle ne participe pas positivement à la fourniture force motrice L'arbre moteur 25 est muni d'un dispositif 33 sensible à sa vitesse, qui est représenté en détail sur la figure 3 et qui commande l'ouverture de la soupape 27 par la transmission 34 de façon que la force motrice de la turbine 28 soit appliquée à l'arbre moteur 25 à partir dtune vitesse prédéterminée de cet arbre, puis d'après une loi également prédéterminée. La figure 2 est un graphique dont les ordonnées indiquent les variations du coupe (T) développé par un arbre en fonction de sa vitesse de rotation (N). Si l'arbre est accouplé à un générateur de puissance et constitue l'arbre moteur, et si le générateur de puissance fournit une puissance constante, la courbe représentative du couple en fonction de la vitesse de rotation est une hyperbole rectangulaire A. Un exemple de générateur de puissance de ce type est donné par la machine à vapeur, dont la courbe du couple fourni par l'arbre moteur est très proche ae l'hyperbole A. L'objectif principal de ltétude des générateurs de puissance utilisables sur les véhicules de traction est de réaliser des générateurs de puissance dont la courbe caractéristique couple-vitesse soit similaire de @'hyperbole A. Sur @a figure 2, la courbe pointillée 3 représente la variation du couple en fonction @e la vitesse de rotation et donne la @imite maximale du couple fourni par le générateur de puissance de l'invention, dans @'aide de la turbine auxiliaire 28. La cour@e C montre la variation caractéristique du cou 'e en fonction de la vitesse de rotation ou générateur ue puissance Le l'invention lorsque la turbine 28 est utilisée. Lorsque la charge sur l'arpre 25 augmente à partir de son point ae régime normal P prévu à l'étude, la vitesse de rotation de cet arbre diminue suivant La courbe B jusqu'en un point J OU le dispositif 33 commence à ouvrir la soupape 27 pour mettre en action la turbine auxiliaire. Sans cette turbine auxiliaire, le couple maximum sur 'arbre moteur calé serait T1.Lorsque la turbine auxiliaire agit par l'intermédiaire du réducteur de vitesse à engrenages 32, le couple appliqué à l'arbre moteur voisin du calage augmente jusqu'à la valeur 22. Sur l figure 1, et ainsi qu'il a été précédemment indiqué, lorsque l'arbre moteur 25 tourne dans les conditions normales prévues à l'étude, c'est-à-dire à la vitesse maximale Mmax en fournissant un couple TD, la soupape 27 est fermée. Pour obtenir le bénéfice du couple ad@itionnel fourni par la turbine 23, il est nécessaire que cette turbine entre en action entre la vitesse zéro et la vitesse prédéterminée de l'arbre moteur 25 correspondant au point D. Par suite, il est nécessaire que la turbine auxiliaire 28 fournisse son couple maximum lorsque l'arbre moteur 25 est sur le point ae caler, le couple fourni par cette turbine décroissant ensuite jusqulà ce que la turbine de puissance soit capable e maintenir le véhicule à la vitesse e croisière normal pour laquelle il a été étudié.La soupape 27 règle la quantité de gaz envoyée dans la turbine auxiliaire 28 et, par suite, elie commence à s'ouvrir à ln vitesse prédéterminée de l'arbre moteur 25 qui correspond au point D lorsque la vitesse le cet arbre diminue, et elle doit être complé tombent ouverte Lorsque cet arbre est calé. Cette vitesse prédéterminée à laquelle la soupape 27 doit commencer son ouverture lorsque La vitesse de l'arbre moteur diminue peut être la même pour toutes les puissances du moteur, ou être différente pour chacune des vitesses de l'arbre o-oteur cor respondant à des puissances fournies différentes. La soupape 27 peut être agencée de façon à s'ouvrir lorsque la vitesse de l' arbre oteur diminue, et à se fermer lorsque cette vitesse augmente @'après une loi choisie. La soupape 27 peut être remplacée par une tuyère ,.,unie daubes orientables qui permettra ou eapê- chera pratiquement les produits de la combustion sortant de la chambre de combustion de parvenir à la turbine auxiliaire 28. Cette tuyère, représentée schématiquement en 53, sera commandée par un mécanisme d'ouverture et de fermeture similaire à celui prévu pour la soupape 27. La courbe C de la figure 2 représente la variation caractéristique du couple en fonction de la vitesse de rotation d'un générateur de puissance comportant une turbine auxiliaire 28 et dont le compresseur 10 fournit sa pression maximale admissible lorsque l'arbre moteur 25 est calé, la vitesse de cet arbre variant entre son maximum et zéro. Les courbes E et F représentent les couples mesurés sur l'arbre moteur lorsque le compresseur tourne à une vitesse et avec un taux de compression inférieurs à ceux correspondant au maximum de la puissance motrice. Le point de régime normal P prévu à l'étude du moteur est défini par l'ensemble des conditions de tous les éléments participant à la création de puissance lorsque la vitesse de l'arbre moteur est Mmax' correspondant à un couple moteur TD. En se reportant à la figure 2, on voit que T@ est environ égal à @ mais dix tois le couple TD correspondant à la vitesse M max ,/le couple indiqué par la courbe C, au régime prévu pour le moteur, n'est que relativement représentatif et une étude appropriée du moteur permettra de placer plus bas le point 22 auquel la courbe C coupe l'axe des ordonnées, ce qui correspondra à un large "étalement" du couple ou de le placer plus haut, le couple de calage s'approchant alors d'une valeur égale à vingt fois celle du couple normal, et correspondant à un faible "étalement" du couple. Il est clair que, selon l'utilisation prévue pour le générateur de puissance, des caractéristiques différentes de la variation du couple pourront être nécessaires, et pourront être obtenues Ainsi qu'on le voit sur la figure 1, une pédale 35, ou un élément de commande similaire est relié à une tringlerie 36 qui permet d'actionner un régulateur d'admission de combustible 37 de type courant qui modifie la quant té de combustible injectée dans la chambre de combustion 13. La référence 38 indique le trajet suivi par un signal émis par le régulateur 37 du débit de com bustlble, et qui agit sur le dispositif 33 sensible à la vitesse de rotation de l'arbre.Les trajets de signaux 34 et 38 peuvent être de toute nature appropriée, et être constitués par des câbles, des tringles de renvoi, des tuyauteries de fluide sous pression munies de soupapes, par exemple. Le dispositif 33 sensible à la vitesse de rotation est représenté en détail sur la figure 3. Il comprend un régulateur à boules ou un mécanisme similaire, rendu solidaire en rotation d'un arbre 41 par un collier 40, cet arbre 41 étant mis en rotation par arbre moteur 25. Ce régulateur peut comporter deux ou plusieurs boules 43 montées chacune à l'extrémité libre d'une branche 44 qui pivote sur le collier 40. Un manchon 45 coulisse sur l'arbre 41, et d'autres branches 46 sont rattachées chacune par des articulations à pivot, par l'une de leurs extrémités à l'une des branches 44, et par leur autre extrémité au manchon 45. Un levier coudé 47 dont l'une des extrémités glisse dans une rainure annulaire 48 du manchon 45 est relié par son autre extrémité à un levier 50 qui commande la soupape 27. Un ressort 51 repousse constamment le manchon 45 vers la droite sur la figure 3, suivant la direction de l'axe de ltar- bre 41. Lorsque la vitesse de rotation de cet arbre atteint sa valeur maximale Mmax qui correspond au point de régime normal P fixé à l'étude, la force centrifuge qui se développe dans les boules 43 maintient le ressort 51 comprimé et le manchon 35 repoussé vers la gauche sur la figure, de sorte que la soupape 27 est fermée. Quand la vitesse de l'arbre 25 diminue, le manchon 45 se déplace vers la droite et, lorsque sa vitesse de rotation est celle qui correspond au point D, il commence à provoquer l'ouverture de la soupape 27. Lorsque l'arbre moteur 25 est calé, le manchon 45 se trouve à sa fin de course vers la droite sur la figure 3.Une butée 52 empêche la poursuite de l'actionnement de la soupape 27 après qu'elle est à pleine ouverture. La vitesse prédéterminée à laquelle la soupape 27 commence à s'ouvrir correspond, par exemple, aux points respectifs D, G et H des courbes C, E et F de la figure 2. Deux particularités avantageuses de I'invention doivent être notées. Lorsque le véhicule accélère, le demande en puissance augmente et du fait que la turbine 15 est accouplée à l'arbre moteur 25 et à la turbine 17 par l'intermédiaire d'un train d'engrenages différentiels, elle peut augmenter sa vitesse plus rapidement que l'arbre moteur 25 ; ce faisant, elle aide à l'accélération de la turbine 17 Lorsque le véhicule est freiné, le compresseur 10 est mis en rotation par l'arbre moteur 25, par l'intermédiaire des engrenages différentiels, et il fournit ainsi une force de freinage supplémentaire. Bien entendu, la présente invention n'est pas limitée au mode de réalisation décrit, mais s'étend à toutes les variantes conformes à son esprit. 1 - Générateur de puissance comportant une turbine à gaz, carac grisé en ce qu'il comprend un compresseur, une turbine action nant ce coapresseur et une turbine e puissance, ces cieux turbi- nes étant accouplées à un élément moteur ae sortie au moyen d'en- grenages @ifférentiels, et une turbine auxiliaire pouvant être accouplée audit élément moteur de sortie ; ledit générateur de puissance comportant aussi ces moyens ue combustion qui alin:en- tent la turbine accouplée au compresseur, la turbine de puissance et, sélectiverent, la turbine auxiliaire. 2 - Générateur de puissance selon la Revendication 1, caractérisé en ce que sa turbine auxiliaire est accouplée à ltélément moteur de sortie de façon que, lorsque cet élément est calé, il lui est appliqué un couple égal au moins au triple de celui fourni par le reste du générateur lorsqu'il fonctionne à son régime normal prévu. 3 - Générateur e puissance selon la Revendication 1, caractérisé en ce que sa turbine auxiliaire est accouplée à son élément moteur de sortie ae façon que, lorsque celui-ci est calé, il lui est appliqué un couple égal au oins au décuple du couple fourni par le reste du générateur lorsque celui-ci fonctionne à son régime normal prévu 4 - Générateur ae puissance selon l'une des Revendications précédentes, caractérisé en ce que le compresseur est relié aux moyens de combustion par un premier conduit, un deuxième conduit reliant lesdits moyens de combustion à la turbine de puissance et à la turbine auxiliaire, une soupape étant interposée dans le deuxième conduit pour permettre ou empêcher l'envoi des produits de la combustion dans la turbine auxiliaire. 5 - Générateur de puissance selon la Revendication 4, caractérisé en ce qu'il y est prévu un échangeur ue chaleur qui reçoit les gaz de combustion sortant des turbines, et les fait passer en contact d'échange de chaleur avec l'air qui passe dans le premier conduit. 6 - Générateur de puissance selon la Revendication 4 ou la Revendication 5, caractérisé en ce que ladite soupape est agencée de façon à commencer à s'ouvrir pour une vitesse prédéterninée de l'élément moteur de sortie, lorsque cette vitesse diminue, et à s'ouvrir progressivement ensuite suivant une loi prédéterminée. 7 - Générateur de puissance selon a Revendication b-, caractérisé en ce que ladite soupape est agencée de façon à outre à pleine ouverture lorsque l'élément moteui est calé. 8 - Générateur de puissance selon la Revendication 6, caractérisé en ce que ladite loi prédéterminée est définie par un signal de vitesse fourni par un dispositif sensible à la vitesse de rotation de l'élément moteur avec lequel il est accouplé. 9 - Générateur de puissance suivant l'une des Revendications précédentes, caractérisé en ce que son élément de sortie moteur est constitué par un arbre moteur. 10 - Générateur de puissance selon l'une des Revendications précédentes, caractérisé en ce que ses engrenages différentiels constituent un train d'engrenages épicycloïdal, la turbine du compresseur étant accouplée au pignon planétaire de cet engrenage, la turbine de puissance étant reliée à sa couronne, et le support de ses satellites étant accouplé à l'élément moteur de sortie, 11 - Générateur de puissance selon l'une des Revendications précédentes, caractérisé en ce qu'un accouplement à roue libre est interposé entre la turbine auxiliaire et l'élément moteur de sortie. 12 - Générateur de puissance selon l'une des Revendications précédentes, caractérisé en ce que sa turbine auxiliaire est accouplée à l'élément moteur de sortie par un réducteur de vitesse à engrenages.