Brevet FR2343124A1 — publié le 19770930

L'invention concerne un groupe turbocompresseur à gaz d' échappement, comportant au moins une turbine à gaz brûlé et un compresseur, et susceptible d'être entravé temporairement par de l'énergie extérieure. Dans une installation connue d'après le brevet Français publié sous le N 2 087 095, le groupe turbocompresseur a gaz d'échappement est alimente en anergie, au démarrage et à bas régime, par une chambre de combustion intercalée dans la conduite de gaz brûlé joignant le moteur à combustion interne à pistons à la turbine à gaz d'échappement. Cette chambre de combustion crée dea pertes de charge dans la conduite de gaz brtlé, notamment lorsqu'elle est mise à l'arrSt au plein régime du moteur à combustion interne. D'après le premier fascicule publié de la demande de brevet déposée en République fédérale d'Âllemagne n 2303 516, il est connu également d'entraîner temporairement le turbocompresseur de façon indépendante, au moyen d'un moteur électrique ou d'un moteur à gaz comprimé. Cet agencement implique qu'on dispose de suffisamment d'énergie électrique ou de gaz comprimé en réserve, ce qui n'est pas toujours le cas, ou nécessite au moins des dépenses supplémentaires. L'invention a pour but de réaliser un groupe turbocompresseur à gaz d'échappement, qui utilise comme énergie d'appoint un porteur d'énergie facilement accumulable, mais dans lequel les moyens nécessaires à l'entratnement auxiliaire sont séparés de la machine fournissant la puissance, de sorte qu'ils n'en perturbent pas le fonctionnement à plein régime. Conformément à l'invention, ce but est atteint grâce au fait qu'il est prévu un groupe à turbine à gaz, qui est muni d'un moteur de lancement, comprend un compresseur, une chambre de combustion et au moins une turbine à gaz et fournit le gaz propulseur pour l'entraînement auxiliaire d'au moins un groupe turbocompresseur à gaz d'échappement Le groupe à turbine à gaz peut entre établi pour fournir une quantité constante de gaz propulseur, de sorte qu'il peut posséder un bon rendement et une faible consommation.Cela est avantageux en particulier lorsque le groupe de surarimentation ionctionne en énergie d'appoint sur une longue période, par exemple à bas régime d'un moteur à combustion interne à pistons, De plus le groupe à turbine à gaz ne nécessite pas de réglage. La description qui va suivre en regard des dessins annexés fera mieux comprendre la présente invention. la figure 1 représente schématiquement un premier exemple de réalisation. la figure 2 est une coupe schématique en long des turbines du groupe turbocompresseur à gaz d'échappement bi-étagé suivant la figure 1. la figure 3 est une coupe correspondant à la figure 2 dune variante de réalisation. La figure 4 représente, comme la figure 1, un autre exemple de réalisation. L'installation selon la figure 1 comprend un moteur à combustion interne à pistons 1, en particulier un moteur Diesel, fournissant de la puissance. Le moteur 1 est muni d'un collecteur d'échappement 2, aboutissant à une turbine à gaz brûlé à hautepression 3 du groupe turbocompresseur. La sortie de cette turbine 3 communique par un canal 4 avec l'entrée d'une turbine à gaz brûlé à basse-pression 5. la turbine à gaz brûlé à haute-pression 5 est montée sur le me arbre 6 qu'un compresseur à haute pression 7. De la même manière, la turbine à gaz brûlé à bassepression 5 est accouplée par un arbre 8 à un compresseur à bassepression 9.La sortie de ce dernier est reliée à l'entrée du compresseur à haute-pression 7, au moyen d'une conduite 10 et d'un radiateur intermédiaire 33, qui est contourné au démarrage et à bas régime. Â la sortie du compresseur à haute-pression 7 est raccordée une conduite d'air de suralimentation 11, qui va aux cylindres du moteur à combustion interne 9 et dans laquelle est monté un autre radiateur 34, pareillement contournable temporairement il est prévu de plus un groupe à turbine à gaz, comprenant un compresseur 12 et une turbine à gaz 13, réunis l'un à l'autre par un arbre commun 14.Dans la conduite 15 joignant la sortie du compresseur, qui aspire l'air libre, à la turbine à gaz 13, est intercalée une chambre de combustion 16. Le lancement du groupe est assuré par un moteur 17, par exemple un moteur électrique, accouplé à l'arbre 14. La sortie de la turbine à gaz 13 est reliée par une conduite 18 à la turbine à gaz brumé à haute-pression 3. La conduite 18 aboutit à un segment partiel d'une couronne d'aubages fixes 19, derrière laquelle tournent les pales 20 de la roue 21 de la turbine 3. Le segment partiel faisant suite à la conduite 18 s'étend sur 10 à 15% environ de la couronne d'aubages fixes 19 et est séparé aux deux extrémités du reste de ladite couronne par dea cloisons transversales non représentées. Aux pales 20 se raccorde le canal annulaire 4, qui entoure l'arbre 6 et aboutit à une autre couronne d'aubages fixes 23 de la turbine à gaz brtlé à basse-pression 5, pourvue pareillement d'une roue 24 avec pales 25.Une conduite 26, partant de la turbine à gaz brûlé à basse-pression 5, traverse un réchauffeur d'air 27 et débouche à l'air libre. Dans la conduite 26 débouche une autre conduite 28, contournant le réchauffeur d'air 27 et allant également à l'air libre. Dans chacune des deux conduites 26, 28 est prévu un organe d'arrêt 29, 30 permettant à volonté d'ouvrir l'une des deux conduites et de fermer l'autre simultanément. Le réchauffeur d'air 27 est traversé de plus par une conduite 31, par laquelle le compresseur à basse-pression 9 aspire son air dans 1' atmosphère. Â l'extrémité côté turbine de la conduite 18 se trouve un volet d'inversion 32 qui, dans s8 position suivant la figure 2, laisse les gaz propulseurs passer librement vers le segment partiel de la couronne d ' aubages fixes 19. Lorsque le volet d'inversion 32 est amené à la position représentée en tirets, il ferme la conduite 18 et permet par contre aux gaz d'échappement sortent de la conduite 2 de parvenir à la couronne d ' aubages fixes 19. En alimentation normale de la turbine à gaz brûlé à haute-pression 3 exclusivement en gaz d'échappement du moteur, les pales 20 de la roue 21 reçoivent par conséquent les gaz sur toute leur circonférence. Pour faire démarrer le moteur à combustion interne à pistons 1, on actionne d'abord le moteur de lancement 17, qui met en mouvement les roues du compresseur 12 et de la turbine à gaz 13. Le carburant est allumé ensuite dans la chambre de combustion 16, de sorte que la turbine à gaz 13 est alimentée en gaz propulseur, Dès que l'arbre 14 atteint un nombre de tours minimum déterminé, le moteur de lancement 17 est mis à l'arret. Les gaz propulseurs de la turbine 13 parviennent par la conduite 18 à la turbine à gaz brdlé à haute-pression 3. Le volet d'inversion 32 se trouve dans la position reproduite dans la figure 2, ce qui permet aux gaz propulseurs d'agir, par un segment partiel de la couronne d'aubages fixes 19, sur les pales 20. Par le canal 4 et la couronne d'aubages fixes 23, les gaz propulseurs parviennent ensuite aux pales 25 de la turbine à gaz brûlé à bassepression 5, qui est entrainée également. La couronne d'aubages fixes 23 peut titre d'ailleurs supprimée. aussitôt que les turbines 3 et 5 tournent, les compresseurs 7 et 9 commencent à refouler.Etant donné qu'au démarrage du moteur à combustion interne l'organe d'arrêt 29 est ouvert et l'organe d'arrêt 30 fermé, les gaz propulseurs sortant de la turbine à gaz å bassepression 5 à travers le réchauffeur d'air 27 réchauffent l'air aspiré à l'extérieur par la conduite 31. Par ce moyen, le lancement rapide et le fonctionnement du moteur à combustion interne 1 à bas régime sont favorisés. D6s que l'air de suralimentation refoulé par les compresseurs 7, 9 a atteint une pression et une température déterminées, un dispositif, connu en soi et non représenté, fait démarrer le moteur à combustion interne 1. Â l'instant où celui-ci commence de tourner, la turbine à gaz à haute-pression 3, ainsi que la turbine à gaz à basse-pression 5, reçoivent, non seulement du gaz propulseur de la turbine 13, mais aussi du gaz d'échappement du moteur à combustion interne 1. Dans cette plage de fonctionnement du moteur à combustion interne, les compresseurs 7, 9 sont donc entrainés à la fois par les gaz propulseurs du groupe à turbine à gaz et par les gaz d'échappenent du moteur. Si la charge et le nombre de tours dubmoteur 1 continuent de s'élever, la chambre de combustion 16 et, par suite, le groupe à turbine à gaz, sont mis à l'arrêt dès que le moteur fournit un volume suffisant de gaz d'échappement, de sorte que le moteur fonctionne alors en suralimentation normale par gaz brûlé. En accélération du moteur 1 et au dépassement d'une température des gaz d'échappement ou d'un nombre de tours fixé à l'avance, l'organe d'arr8t 29 se ferme et l'organe d'arrêt 30 s'ouvre, si bien que les gaz brûlés peuvent alors s'échapper directement à l'air libre par la conduite 28. Au lieu d'alimenter en gaz propulseurs de la turbine à gaz 13 la turbine à gaz brûlé à haute-pression, comme représenté dans les figures 1 et 2, il est possible de faire démarrer le groupe turbocompresseur à gaz d'échappement par alimentation de la turbine à gaz brûlé à basse-pression 5. La figure 3 montre une disposition de ce genre. il est prévu un collecteur d'échappement 102, aboutissant à une couronne d'aubages fixes 119, qui s'étend le long de toute la périphérie des pales 120 d'une roue 121 de la turbine à gaz brûlé à haute-pression. Des pales 120 part un canal 104, pareillement annulaire, vers la couronne d'aubages fisses 123, ou directement vers les pales 125 de la turbine à gaz brûlé à basse-pression.Un segment partiel de la couronne 123 ou un segment d'admission sans aubages peut être isolé du canal 104 au moyen d'un volet d'inversion 132 et entre relié à une conduite 118 amenant du gaz propulseur de la turbine 113. Comme précédemment, la disposition adoptée est telle qu'au moment où le volet 132 est inversé dans la position représentée en tirets, la conduite 118 est iermée et les gaz brûlés sortant des pales 120 de la turbine à haute-pression peuvent alimenter la couronne d ' aubages fixes 123 sur toute sa circonférence. il est naturellement possible aussi de ramifier la conduite 18 de façon que les gaz propulseurs de la turbine 13 alimentent à la fois un segment partiel de la couronne d'aubages fixes 19 de la turbine à gaz brûlé à haute-pression 3 et un segment partiel de la couronne d'aubages fixes 123 de la turbine à gaz brûlé à basse-pression 5. L'installation selon la figure 4 se distingue essentiellement de celle suivant la figure 1 en ce que les gaz propulseurs fournis par le groupe à turbine à gaz, qui comprend comme précédemment un compresseur 212, une chambre de combustion 216 et une turbine à gaz 213,sont amenés par une conduite 233 à une turbine à gaz distincte 234. Celle-ci est réunie, par l'intermédiaire d'un accouplement 235, à un arbre 208, sur lequel sont calés une turbine à gaz brûlé à basse-pression 205 et un compresseur à basse-pression 209. Sle compresseur à haute-pression 207 est agencé et disposé comme dans l'exemple de réalisation suivant la figure 1, tandis que la turbine à gaz brûlé à haute-pression 203 et la turbine à gaz brûlé à basse-pression 205 sont pourvues de couronnes d'aubages fixes non subdivisées. Dans cette installation, les gaz propulseurs s'échappant de la turbine à gaz 234 sont introduits par une conduite 236 dans une conduite 226, par laquelle les gaz d'échappement du moteur à combustion interne 201 sortent de la turbine à gaz brftlé à bassepression 205, de sorte que les gaz propulseurs peuvent être pareillement mie à profit pour réchauffer l'air aspiré dans le réchauffeur d'air 227. Dans la conduite 226 débouche de nouveau une conduite 228, allant directement à l'air libre. Ces deux conduites peuvent être fermées alternativement à l'aide des organes d'arrêt 229, 250. En principe, il est possible également de mettre en oeuvre ensemble les deux dispositions suivant les figures I et 4, de façon que les gaz propulseurs fournis par la turbine 19 soient amenés, en partie, à une turbine à gaz supplémentaire 234 et, en partie, à l'une des turbines à gaz brôlé, ou aux deux. De plus, la turbine à gaz 234 peut être reliée, non pas à la turbine à gaz brûlé à basse-pression 205, mais à la turbine à gaz brûlé à haute-pression. Bien que les exemples de réalisation montrent des groupes turbocompresseurs à gaz d'échappement bi-étagéss, l'invention peut être appliquée avec les m8mes avantages b às groupes mono-étagés. il va de soi que des modifications peuvent être apportées aux modes de réalisation qui viennent d'autre décrits, notamment par substitution de moyens techniques équivalents, sans sortir pour cela du cadre de la présente invention. REVENDICATIONS 1. Groupe turbocompresseur à gaz d'échappement, comportant au moins une turbine à gaz brûlé et un compresseur, et susceptible autre entrainé temporairement par de l'énergie extérieure, caractérisé en ce qu'il est prévu un groupe à turbine à gaz, qui est muni d'un moteur de lancement (17), comprend un compresseur (12 ; 212), une chambre de combustion (16 ; 216) et au moins une turbine à gaz (13 ; 213, 234), et fournit le gaz propulseur pour l'entraînement auxiliaire d'au moins un groupe turbocompresseur à gaz d'échappement (3, 7, 5, 9 ; 203, 207, 205, 209). 2. Groupe turbocompresseur à gaz d'échappement selon la revendication 1, caractérisé en ce que la sortie de la turbine à gaz (13) fournissant du gaz propulseur peut être reliée à un segment partiel de l'admission d'au moins une turbine à gaz brûlé (3, 5), tandis que le reste de l'admission de ladite turbine est raccordé à une conduite (2) amenant les gaz d'échappement du moteur à combustion interne à pistons (1). 3. Groupe turbocompresseur à gaz d'échappement selon la revendication 2, caractérisé en ce que, en amont du segment partiel, est disposé un volet d'inversion (32 ; 132) permettant une alimentation, à volonté, en gaz propulseur du groupe à turbine à gaz (12, 16, 13), ou en gaz d'échappement du moteur à combustion interne (1). 4. Groupe turbocompresseur à gaz d'échappement selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le groupe à turbine à gaz (212, 216, 213) comprend une turbine d'entrainement supplémentaire (234), qui est alimentée par la turbine à gaz (213) fournissant du gaz propulseur et qui est accouplée à au moins un compresseur (20g). 5. Groupe turbocompresseur à gaz d'échappement selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il est prévu un réchauffeur d'air (27 ; 227), susceptible autre alimenté en gaz propulseur et en gaz brûlé au démarrage et à bas régime du moteur à combustion interne (1 ; 201). 6. Groupe turbocompresseur à gaz d'échappement selon la revendication 5, caractérisé en ce que, de la conduite (26 226) amenant le gaz propulseur et le gaz d'échappement, part une conduite dérivée (28 ; 228) débouchant à l'air libre et en ce qu'il est prévu des organes d'arrbt (29, 30 ; 229, 230) pour ouvrir à volonté la conduite débouchant à l'air libre, ou la conduite vers le réchauffeur d'air. 7. Groupe turbocompresseur à gaz d'échappement selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il est prévu au moins un groupe turbocompresseur bi-étagé (3, 7, 5, 9) et en ce que la sortie de la turbine à gaz (13) fournissant du gaz propulseur peut Outre reliée à un segment partiel de la turbine à gaz brûlé à haute-pression (3) et/ou à basse-pression (5).