Brevet FR2294328A1 — publié le 19760709

La présente invention concerne les groupes moteurs à turbine à gaz. Elle a pour but de proposer un tel groupe à structure com- pacte convenant pour la propulsion automobile et dont les divers organes soient facilement accessibles aux fins d'entretien. Un soin particulier a été apporte à la conception et au choix de ltem- placement du réchauffeur d'air. Le groupe moteur selon l'invention comporte au moins un com- presseur, au moins une turbine > au moins une chambre de combustion et un réchauffeur d'air conçu compte tenu des trajets de circula- tion et de l'espace disponible et qu'on peut subdiviser de diverses manières.Les organes précités sont réunis en un groupe unitaire et l'invention est caractérisée en ce que le compresseur et la turbine tournent autour du même axe et sont axialement espacés, en ce que la chambre de combustion est montée entre le compresseur et la turbine et est dirigée sensiblement radialement vers l'intérieur et vers llaxe de rotation et en ce que le réchauffeur d'air comporte au moins deux sections parallélépipédiques, toutes deux beaucoup moins longues et hautes que larges, dont chacune comporte au moins deux éléments montés en parallèle à montage indépendant. Les sections de réchauffeur d'air, qui ont un effet détermi- nant sur l'encombrement du groupe, peuvent prendre des formes et dispositions diverses, ce qui permet d'adapter le groupe à l'espa- ce disponible dans des véhicules de types différents. Selon un as peot particulier de l'invention, les éléments individuels de chaque section sont munis de moyens qui permettent de les poser et de les déposer de manière simple, sans démontage important du reste du groupe. On va maintenant décrire l'invention en se référant aux dessins annexés, qui représentent à titre d'exemples diverses installations, ainsi que certains détails des éléments de réchauffeur d t air, et sur lesquels Fig. I est une vue en coupe axile verticale d'un groupe selon 1 r invention. Fig. 2 montre ce groupe en coupe axiale horizontale. Fig. 3 en est une vue en coupe droite Fig. 4 représente schématiquement n groupe selon l'invention qu'on peut monter sur une voiture de tourIsme Fig. 5 est une représentation analogue d'un groupe pour installation sur un camion. Fig. 6, 7 et 8 représentent des groupes selon d'autres variantes, adaptés à des espaces de réception de moteur de formes diverses. Fig. 9 illustre schématiquement le principe de circulation à travers les éléments du réchauffeur d'air. Fig. 10 illustre le mode de pose d'un élément de réchauffeur d'air. Fig. 11, 12-et 13 représentent divers éléments dans lesquels l'air et les gaz circulent de manières différentes. Fig. 14 et 15 sont des vues de détail des embouts des é1é- ments de réchauffeur d'air, et Fig. 16 et 17 sont des vues analogues aux figures 1 et 2 respectivement d'un groupe selon une variante, à trois rotors de turbine. Le groupe représenté sur les figures 1 à 3 comporte un compresseur 10 et deux rotors de turbine 13, 14 montés sur des arbres concentriques 11 et 12. L'arbre 11 du rotor 13 porte le rotor du compresseur et les deux arbres sont inter-accouplés par une transmission 15, située côté compresseur du groupe. La transmission 15 comporte des organes, qu'on s'abstiendra de décrire en détail, qui ramènent la vitesse de la turbine à une valeur convenable pour la prise de force 16 et qui, en outre, accouplent les deux arbres ensemble de façon que l'énergie disponible puisse être répartie à volonté entre le compresseur, la prise d'd- nergie et des accessoires l0a. Le groupe peut comporter des rotors de turbine supplémentaires, non représentés. Les rotors de turbine 13 et 14 sont assez espacés axialement du rotor de compresseur 10 pour qu'on puisse monter entre les rotors de compresseur et de turbine une chambre de combustion 17 dirigée vers 11 intérieur, radialement ou tangentiellement par rapport à l'axe commun de rotation du compresseur et de la turbine, munie d'une chambre d'admission. En aval de la chambre de combustion, les gaz de combustion se rabattent à 90 environ et passent, à travers les rotors de turbine 13 et 14, dans un collecteur 18 situé à l'extrémité du groupe opposée à la transmission. Deux sections de réchauffeur dtair 19 et 20 sont interposées entre le collecteur et la chambre de combustion, de part et d'autre du plan médian vertical du groupe. Chaque section, parallélépipé- dique, est plus longue et haute que large et est formée de trois éléments séparés 21, montés en parallèle et réunis, chaque fois que c'est possible, en un ensemble unitaire. On décrira en détail la structure des éléments en référence aux figures 9 à 15; il suffit pour l'instant de retenir qu'une section parallélépipédique, disposée verticalement de chaque o8té de l'axe de rotation, canalise des gaz d'échappement et de l'air à travers des passages respectifs sfparés. Comme le montre clairement la figure 2, les gaz se dirigent, en deux courants axiaux, du collecteur 18 vers le cQté compresseur du groupe > à travers les éléments 21. En aval de chaque section 19, 20, un caisson collecteur 22, 23 respectivement, est relié à un conduit dtéchappement respectif 24,25. L'air qui quitte le compresseur est recueilli dans une section frontale 26 et canalisé le long de la turbine par des passages 27, 28 voisins de la paroi extérieure de groupe (qui de ce fait dereu- re froide), puis traverse axialement les éléments 21, à contresens par rapport aux gaz de combustion. Les courants individuels sortait des éléments passent dans un collecteur central 29, dans lequel dé- bouche l'entrée de la chambre de combustion 17. Un passage muni d'un registre 30 envoie directement de l'air non réchauffé du compresseur à 1 'entrée de la chambre de combustion pour maintenir dans celle-ci une température maxiale convenable. Ainsi, tous les organes décrits ci-dessus peuvent entre coibinéi en un groupe très eopact, dans lequel ils sont toutefois facile- ment accessibles aux fins d t entretien. Le groupe représenté en coupe droite sur la figure 3 est toutà-fait indiqué pour les véhicules de tous types, car son encombre- ment est réduit au minimum. Le groupe représenté en coupe droite sur la figure 4 est in disque pour les voitures de tourisme. Les contours de la chambre de combustion et du compresseur sont indiqués en traits interrompus. Les deux sections de réchauffeur d'air 40 et 41 sont disposées en V, leurs passages étant horizontaux et décalés latéralement les uns par rapport aux autres. Les branches du V flanquent l'axe de rota et convergent vers le bas. Le logement du moteur est défini latéralement par les auvents des roues, munis d'ailes, et en haut par-le capot 43. Pour ltentretien, il faut ménager, entre le groupe moteur et l'auvent de roue, un espace 44 dont l'emplacement est déterminé par le Jeu prévoir en 45 pour le braquage des roues 46 et en 47 pour le dd- battement. Pour un camion ou un car, la largeur du logement de moteur est déterminée par l'espacement 50 des longerons 51, 52 du oh3s- sis. Dans ce cas,il est plus- avantageux de disposer les deux sections de réchauffeur d'air 53, 54 en V renversé, à pointe superposée à axe de rotation. Si l'espace disponible est très limité transversalement, il peut entre avantageux de prévoir, comme représenté sur la figure 6, quatre sections de réchauffeur d'air 61, 62, 63 et 64 formant un 7 et un V renversé autour de l'axe de rotation. quand l'espace disponible n'est pas lisait transversalement, mais qu'il est souhaitable de réduire la hauteur du groupe, on peut, comme illustré par la figure 7, prévoir deux chambres de combustion 70, 71 diamétralement opposées dans un plan horizontal passant par l'axe de rotation, et deux sections de réohauffeur air 72, 73 disposées en V renversé au-dessus de cet axe. On peut encore prévoir, selon une variante illustrez par la figure 8, outre les sections représentées sur la figure 7, deux sections 74, 75 disposées en V au-dessous de l'axe de rotation. On peut donner aux deux groupes représentés sur les figures 6 et 8 une structure standard unique permettant d'opérer la pose de deux man s en faisant pivoter de 90C le plan de la chambre de combustionj De ce qui précède, il ressort qu'on peut grouper de diverses manières les organes principaux ; en dehors des dispositions représentées, on pourra bien entendu concevoir de nombreuses autres combinaisons pour satisfaire à des impératifs particuliers.Bien entendu on peut aussi faire varier le nombre de rotors tant du compresseur que d la turbine, selon l'importance du groupe,l'usage auquel on le destine et la puissance qu'il doit fournir, et dd- terminer selon la capacité du groupe le nombre de chambres de combustion et l'orientation de ces chambres : horizontale, verticale ou en V. Un réchauffeur d'air du type visé par l'invention comporte, on l'a dit, une série de passages d'air et de gaz, disposés dans des plans parallèles superposés Les deux fluides peuvent traverser l'échangeur de chaleur transversalement l'un à l'autre,mais peuvent aussi circuler en partie parallèlement et à contre-courant l'un par rapport à l'autre, soit que l'un des fluides se rabatte deux fois à 90 , soit que les deux fluides se rabattent une fois à soo Le principe du réchauffeur est illustré par la figure 9, qui représente deux cellules d'un élément de section, qu'elle montre décalées latéralement 1'une par rapport à l'autre. Chaque cellule comporte en fait un certain nombre de passages parallèles qui peuvent être délimités, dans la cellule, soit par un certain nombre de tubes, soit par des cloisons cannelées ou horizontales. L'extrémité éloignée 81 de la cellule gauche 80 est ouverte et l'un des fluides, par exemple gaz de combustion, traverse la cellule vers son extrémité opposée, fermée. Les cloisons qui divisent cette cellule en passages se terminent dans un plan 83 incliné sur la plaque 82 qui referme 11 extrémité de la cellule.On ménage ainsi un espace triangulaire non cloisonné, qui communique avec un trou 84 pratiqué dans la paroi inférieure de la cellule. Le second fluide, air, est supposé circuler dans l'autre cellule en arrivant par l'extrémité adjaeente 86 de la cellule droite 85 et en se dirigeant, à contre-courant par rapport au fluide traversant la cellule, vers l'extrémité éloignée, fermée 87 de la cellule. Dans la cellule également les cloisons se terminent dans un plan oblique 88, ce qui ménage un espace triangulaire non cloisonné 89, communiquant avec une sortie 90 pratiquée dans la paroi su périeure de la cellule. I1 est clair qu'un élément d'échange de chaleur peut comporte ter un grand nombre de telles cellules (dont la disposition alternée varie selon le type d'élément) réparties entre des caissons distributeurs avant et arrière qui communiquent avec les extrémités ouvertes 86 et 81, des caissons collecteurs étant disposés, l'un au-dessus et, l'autre, au-dessous du réchauffeur et communiquant avec les trous gO et 84 respectivement, percés dans les parois su périeures et inférieures des cellules individuelles. La figure 9 n'illustre que le principe de circulation et les fluides peuvent en fait circuler dans les éléments de nombreuses manières différentes. Dans le cas de la figure 2, il est prévu que les gaz traversent axialement les éléments, l'air se rabattant deux fois à 900 Les éléments sont de préférence en matière en feuilles cannelées définissant des cellules séparées par des cloisons plates. Dans le cas de la figure 2, le traJet emprunté par l'air est beau ooup plus court que celui parcouru par les gaz. On peut-compenser cet écart en prévoyant dans les cellules à air des cannelures plus profondes, de façon à obtenir une aire d'émission de chaleur optimale par rapport à l'aire d'absorption de chaleur. Quand les sections de réchauffeur sont disposées en V, comme -dans l'exemple illustré par la figure 4, on peut décaler les cellules individuelles les unes par rapport aux autres, dans chaque élément, de façon que l'élément ait une section en parallélogram- me. Ainsi, on tire bien mieux parti de l'espace disponible qu'on ne le pouvait Jusqu'à présent. On voit que les cellules ne sont pas perpendiculaires aux parois de la section, mais parallèles à un plan horizontal (ou vertical dans le cas de la figure 5) passant par l'axe de la turbine. L'inclinaison relative des cotés du parallélogramme est de préférence de 45-à 60". La figure 10 illustre un mode de pose d'élément dans une section définie par des passages étroits. L'élément est conçu pour une circulation en Z telle qu'illustrée par la figure 2. On suppose que l'air/irrlve par un caisson de distribution 91, ouvert en bas pour permettre le montage.L'air doit ressortir (L2) par un trou supérieur 92. Les gaz (Gl)arrivent par un trou 93 et ressortent (G2) par un trou 94. Pour son raccordement avec le trou 94, l'élément présente, à son extrémité située à gauche sur la figure 10, un embout 95 en forme de secteur sphérique. L'élément porte aussixau sommet de son extrémité droite, un embout analogue 96 pour le raccordement avec le trou 92. L'élément est muni à son extrémité droite d'un soufflet compressible 97, pour raccordement avec le trou 95. On peut comprimer le soufflet sur une distance A, ce qui suffit pour ramener la longueur de l'élément à la largeur B du caisson de distribution d'air 91. On peut ainsi enfoncer l'élément à travers ce caisson. Le débouché du trou 92 est élargi en 98, ce qui permet de faire basculer un peu vers le haut l'extrémité droite de l'4lé- ment pour pouvoir introduire l'embout 95 dans le trou 94, dont le débouché a la forme voulue pour épouser l'embout en secteur sphérique. On ramène ensuite l'élément à l'horizontale et l'on aJuste le soufflet 97 autour du trou 93. L'entrde d'air 99 est dirigée de haut en bas vers le caisson d'air 91 et il est inutile d'assurer une étanchéité rigoureuse entre l'organe 96 et le trou de sortie d'air 92. L'essentiel est d'obtenir une bonne étanchéité tant à l'entrée qu'à la sortie de gaz. La figure 10 n'illustre que le principe de pose des éléments. Quand les sections sont disposées, par exemple, comme sur la figure 2, on n'enfonce pas élément verticalement vers le haut, lais horizontalement. Le caisson d'air indiqué en 91 sur la figure 10 correspond alors à celui représenté en 28 sur la figure 2 et l'en- bout est relié au collecteur 29. Ainsi, les éléments sont superposés et chacun d'eux peut être posé et déposé individuellement. La figure 11 montre un élément à intérieur duquel 1 'air et les gaz se rabattent à 900. L'airK / ve à l'extrémité gauche (sur la figure) de l'élément, et s'échappe par le haut (L2) de 1' lément. Les gaz arrivent en G1 et s'échappent en G2. Un conduit dérivé 110, muni d'un registre 111, permet dten- voyer directement, à un débit réglable, de l'air se mélanger à ltair réchauffé. On peut ainsi maintenir à la température souhaitée l'air envoyée à la chambre de combustion. Les figures 12 et 13 illustrent d'autres modes de réalisation. L'agencement représenté sur la figure 12 correspond à celui schématisé sur la figure 9. Les gaz arrivent dans l'élément en 100 et le quittent en 101 et l'air arrive en 102 et ressort en 103. Dans l'élément représenté sur la figure 13, les deux fluides circulent transversalement ltun à l'autre. L'air arrive en 104 et ressort en 105 en traversant l'élément verticalement, tandis que les gaz circulent horizontalement de 106 en 107. Les figures 14 et 15 représentent des embouts 95 de formes convenables. L'embout proprement dit est en forme de secteur sphérique centré sur un plan diamétral et présente au moins une rainure périphérique 108 de réception de joint d'étanchéité. Pour faciliter le montage et absorber les dilatations et con- tractions thermiques, on peut munir l'embout 95 d'un soufflet 109, comme illustré par la figure 15. Les figures 16 et 17 illustrent une variante du groupe décrit à propos des figures 1 et 2. L'agencement d'ensemble est le m8me,mais le groupe comporte trois rotors 150, 151 et 152 et la chambre de. combustion 17 est située à l'extrémité du groupe opposée à la prise de force 16. Le rotor 152 est monté sur un arbre creux 153 et entrain le compresseur 10,mais est aussi relié par une transmission variable à un train d'engrenages 15. Le rotor 151 est monté sur l'arbre 154, qui traverse axialement l'arbre 153 et est aussi accouplé au train d'enrenages 15. Le troisième rotor 150 est accouplé, par un train d'engrenages 155 et un arbre 156, au train d'engrenages 15. On peut prévoir une transiission variable non représentée pour transmettre de l'é- nergie du rotor 150 au compresseur 10. Dans l'exemple choisi, le diffuseur de sortie est interpos antre la turbine et le compresseur. Dans un groupe ne comportant que les rotors 151 et 152, la chambre de combustion peut s'étendre suivant l'axe des rotors. L'emplacement de l'échangeur de chaleur 21 et des passages le desservant est sensiblement le meme que sur les figures 1 et 2, compte-tenu de la manière dont est placée la chambre de combustion. On peut bien entendu concevoir d'autres variantes rentrant dans le cadre défini par les revendications amexées et faire va rier selon les besoins le mn,e5 nombre d'éléments incorpords chaque sec- tion de ré chauffeur. En Juxtaposant côte à côte un certain nombre d'éléments. on obtint une section plus longue et large que haute. Au lieu d'être en matériau en feuilles, les éléments peuvent être en métariau céramique (Si3, N4 ou analogue) et fabriqués par frittage sous forme d'ensemble complet à passagesenfermés dans une enveloppe. On peut aussi former des éléments élastiques indépendants, réalisés en métal essentiellement comme décrit ci-dessus et enfer més dans l'enveloppe. REVENDICATIONS 1. Groupe moteur à turbine à gaz comportant une partiecompresseur (10) et une partie-turbine (13,14) à axe de rotation commun, au moins une chambre de combustion (17) et un réchauffeur d'air (19, 20), caractérisé enoe que ces organes sont incorporés à un carter dans lequel la partie-compresseur (10) et la partie turbine (13,14) sont axialement espacées l'une de l'autre pour offrir un passage radial aux gaz de combustion, en ce que la prise de force (16) du groupe est située à l'extrémité compresseur du carter a partie-turbine, accessible par l'extrémité opposée du carter, et en ce que le réchauffeur d'air comporte au moins deux sections parallélépipédiques (19, 20) qui longent la partie-turbine et dont chacune est formée d'au moins deux éléments d'échange de chaleur~(21) à montage indépendant , montés en parallèle. 2. Groupe selon la revendication 1, caractérisé en ce que la chambre de combustion (17) est interposée entre la turbine et le compresseur. 3. Groupe selon la revendication I, caractérisé en ce que la chambre de combustion (17) est située à l'extrémité du carter opposée au compresseur et en ce qu'un diffuseur de sortie est interposé entre la turbine et le compresseur. 4. Groupe selon la revendication 2 ou 3, caractérisé en ce que la chambre de combustion est située en haut du groupe, dans un plan vertical passant par l'axe de rotation, le réchauffeur d'air comportant deux sections (lg, 20) situées de part et d'autre de ce plan, auquel elles sont parallèles (figures 1,2,3). 5. Groupe selon la revendication 2 ou 3, caractérisé en ce que la chambre de combustion (17) est située en haut du groupe, dans un plan vertical passant par l'axe de rotation, le réchauf- feur d'air comportant deux sections (40, 41; 53, 54) disposées en V ou en V renversé centré sur l'axe de rotation et à pointe située au-dessus ou au-dessous de cet axe (figures 4 et 5). 6. Groupe selon la revendication 2 ou 3, caractérisé en ce que la chambre de combustion (17) est située en haut du groupes dans un plan vertical passant par l'axe de rotation, le réchauffeur d'air comportant quatre sections (61 à 64) disposées en losange centré sur l'axe de rotation, à raison de deux au-dessus et deux au-dessous de cet axe (figure 6). 7. Groupe selon la revendication 2 ou 3, caractérisé en ce qu'il comporte deux chambres de combustion (70, 71) di2métrale- ment opposées dans un plan passant par l'axe de rotation, le réchauffeur dtair comportant deux sections (72, 73) disposées audessus de l'axe de rotation, en V renversé centré sur cet axe (figure 7). 8. Groupe selon la revendication 2 ou 3, caractérise en ce qu'il comporte deux chambres de combustion (70,71) diamétralement opposées dans un plan passant par 1 l'axe de rotation, le réchauf- feur d'air comportant quatre sections réparties en losange centré sur l'axe de rotation (figure 8). 9. Groupe selon l'une quelconque des revendiaationsl à 8, caractérisé en ce que les éléments (21) du réchauffeur d'air sont du type comportant une série de passages répartis en couches parallèles, les passages de couches consécutives s'étendant soit parallèlement, soit transversalement les uns aux autres, et en ce que les passages de couches alternées ou de toutes les strates se terminent dans des plans obliques (83, 85), pour que le fluide les traversant puisse se rabattre å 90" dans l'élément. 10. Groupe selon la revendication 9, caractérisé en ce que l'un des fluides (gaz de combustion ou air) traverse axialement l'élément (21) > l'autre fluide se rabattant deux fois à 900 dans cet élément, 11. Groupe selon la revendication 9, caractérisé en ce que les deux fluides arrivent axialement dans l'élément(21) par les extrémités opposes de ce dernier, et se rabattent tous deux à 900, en sens opposés, à la sortie de l'élément. 12. Groupe selon la revendication 9, caractérisé en ce que l'élément (21) est muni, à une extrémité axiale, d'un embout (95) en forme de secteur sphérique et, à l'extrémité opposée d'un embout à soufflet élastique (97) pour son raccordement à deux trous percés dans les parois définissant un espace à l'intérieur du groupe. 13. Groupe selon la revendication 12, caractérisé en ce que l'embout (95) présente au moins une rainure périphérique (108) destinée à recevoir un Joint d'étanchéité. 14. Groupe selon la revendication 12 ou 13, caractérisé en ce que l'embout (95) est muni d'un organe élastique en soufflet (109). 15. Groupé selon l'une quelconque des revendications 1 à 14, caractérisé en ce que les parties principales des éléments d'échange de chaleur sont en céramique. 16. Groupe selon la revendication 15, caractérisé en ce que les éléments de chaque section d'échange de chaleur sont enferrés dans une enveloppe en céramique. 17. Groupe selon la revendication 15 ou 16, caractérisé en ce que les embouts étanches élastiques sont rapportés sur le corps d'élément pour permettre leur remplacement.