Brevet FR2389760A1 — publié le 19781201

La présente invention concerne la commande des tùr;bocom- presseurs utilisés avec des moteurs à combustion interne et elle se rapporte, plus particulièrement, à la commande des caracteristiques de fonctionnement de la turbine de telle sorte que le fonctionnement du turbocompresseur corresponde plus étroitement aux besoins du moteur. Les turbocompresseurs sont, en général, utilisés pour accroître le débit d'air et la pression de l'air d'admission d'un moteur à combustion interne. Un tel emploi accroit la puissance développée et le rendement du moteur. Dans l'installation habituelle, un compresseur centrifuge est entraîné par une turbine à admission radiale, cette dernière étant propulsée par les gaz d'échappement du moteur. Si la géométrie du compresseur et celle de la turbine sont fixes, comme ceci est habituellement le cas, il est difficile d'assurer des performances c onvenables du turbocompresseur sur la plage désirée de conditions de fonctionnement du moteur, c'est-à-dire des conditions de ralenti aux conditions de puissance maximale.Si le turbocompresseur est conçu pour avoir le rendement maximal à la puissance minimale du moteur, on constate qu'il en résulte une vitesse du turbocompresseur et une pression d'alimentation du moteur excessives lorsque le moteur est commandé de façon à fournir la puissance maximale. Inversement, si le turbocompresseur est conçu pour avoir le rendement maximal à la puissance maximale du moteur, on constate que la vitesse du turbocompresseur est trop faible et que, par conséquent, le débit d'air et la pression d'admission sont trop faibles, au ralenti; clest-à-dire à la puissance minimale du moteur. Dans cette dernière condition, la puissance développée par le moteur est inférieure à la puissance désirée et il peut en résulter une production excessive de fumées d'échappement ainsi que des températures excessives. Un certain nombre d'agencements ont été utilisés dans la technique antérieure pour éviter ces difficultés. Une solution consiste à utiliser un clapet de mise à l'air libre qui établit un trajet de contournement pour les gaz d'échappement du moteur autour de la turbine, limitant ainsi la vitesse de rotation du turbocompresseur et la pression d'admission.D'autres solutions consistent notamment, à utiliser un volet mobile disposé dans l'enveloppe de la turbine en amont du rouet de la turbine de façon à obtenir une section variable de la lumière d'admission (brevet des E.U.A. nO 2 944 786 au nom d'Angell), à utiliser un registre disposé dans l'enveloppe de la turbine pour diriger l'écoulement d'un seul cté ou des deux côtés d'une enveloppe divisée (brevet des E.U.A. nO 3 432 926 au nom de Nancarrow), à utiliser un clapet monté dans la tubulure d'échappement, en amont du turbocompresseur (brevet des E.U.A. nO 2 838 907 au nom de Cowland), et à utiliser des aubes distributrices d'entrée de la turbine mobiles (brevet des E.U.A. nO 3 639 075 au nom d'Erwin). La présente invention concerne un perfectionnement apporté au mode d'utilisation de la construction à lumière d'admission variable représentée dans le brevet des E.U.A. Angell, ce brevet devant outre considéré comme incorporé à la présente description par la référence qui y est faite ici. Selon cette construction, un volet rotatif est monté à rotation sur l'enveloppe de la turbine au moyen d'un pivot. Le volet peut, par conséquent, exécuter un mouvement de rotation limité entre deux positions angulaires extrêmes. A une position angulaire, la lumière d'admission des gaz qui entraînent la roue de la turbine a une section de passage maximale tandis que l'autre position angulaire du volet définit la section de passage minimale de la lumière d'admission.Des variations entre ces deux positions sont déterminées par un paramètre approprié quelconque du moteur, tel que sa vitesse, sa pression, etc... Le paramètre particulier utilisé et le mode d'accouplement particulier d'un mécanisme d'actionnement servant à faire tourner le volet en fonction du paramètre détecté ne font pas partie de l'invention, dus tels paramètres et de tels agencements étant bien connus des spécialistes de la technique. En faisant fonctionner une turbine à lumière d1 admission variable, telle que celle représentée dans le brevet des E.U.A. Angell, on a trouvé, cependant, que des rendements d'une faiblesse inacceptable, dûs à des pertes dynamiques élevées du fluide, se produisent à certaines positions angulaires du volet.Conformément aux enseignements de la présente invention, la variation angulaire maximale du volet ne doit pas dépasser 10 degrés environ. D'autres caractéristiques de l'invention apparaîtront à la lecture de la description qui va suivre et à l'examen du dessin annexé dans lequel - la Fig. 1 est une vue en élévation latérale d'une turbine munie d'un volet rotatif servant à faire varier la section de passage de sa lumière d'admission ; et - la Fig. 2 représente une courbe montrant la relation entre l'angle alpha () du volet représenté sur la Fig. 1 et le rendement de la turbine. Sur la Fig. 1 à laquelle on se référera maintenant, la référence générale 10 désigne la turbine à admission radiale d'un turbocompresseur de type classique. Le lecteur comprendra qu'un turbocompresseur classique est formé par une roue de turbine et par une roue de compresseur, montées généralement sur le même arbre, la roue de turbine étant entraînée par les gaz d'échappement d'un moteur à combustion interne afin de faire tourner la roue de compresseur de façon ainsi à comprimer de l'air ambiant en vue de l'introduire dans la tubulure d'admission du moteur. La référence 12 désigne le conduit d'admission de la turbine, ce conduit comportant une lumière d'admission désignée par la référence 14. La référence 16 désigne la roue de turbine qui a un axe de rotation 17. La référence 18 désigne un volet rotatif articulé sur l'enveloppe de la turbine au moyen d'un pivot 20. Le volet 18 est entièrement analogue au volet 7 du brevet des E.U.A. Angell précité tandis que le pivot 20 est entièrement analogue au pivot 8 de ce brevet Angell. De même le conduit d'admission 12 est analogue au conduit d'admission 5 du brevet Angell tandis que la lumière 14 correspond à la lumière d'admission 6 du brevet Angell. L'angle alpha (0() ) indique l'écart angulaire entre le volet 18, lorsqu'il se trouve dans sa position grand'ouverte (représentée en en traits pleins) ce même volet 18 dans sa position d'obturation de la lumière d'admission (représentée en traits mixtes). Dans cette dernière position du volet 18, la lumière d'admission 14 a une section de passage inférieure à celle qu' elle a dans la position grand1 ouverte du volet. La lettre L indique la longueur du volet 18, la lettre D indique la distance de la pointe du volet au centre de rotation 17 de la roue de la turbine tandis que la lettre E indique la dimension correspondante lorsque le volet a été déplacé à la position de fermeture de la lumière d'admission.Des considération géométriques élémentaires montrent que sin L Sur la Fig. 2 à laquelle on se référera- maintenant, on a tracé une courbe représentant la variation du rendement de la turbine 10 en fonction de la variation, en degrés, de l'angle &alpha;. Pour la turbine 10 particulière qui a fait l'objet des essais, le rendement maximal à oe a été d'environ 67% tandis que le rendement est tombé à environ 53% à un angle d'environ 12,5 . Un examen de la Fig. 2 montre que la variation maximale préférée du volet rotatif ne dépasse pas ioe environ. Après que le déplacement du volet a atteint lo' environ, le rendement diminue très rapidement. Lorsqu'on construit la turbine à volet à angle variable re- présentée dans le brevet des E.U.A. Angell précité, on pourrait supposer que la variation de l'angle du volet n'est pas accompagnée d'une quelconque variation du rendement de la turbine étant donné que le breveté ne fait aucune mention d'une telle variation. Cependant, la Fig. 2 montre qu'unie telle supposition n'est pas, en fait, exacte.Au contraire, le spécialiste de cette technique qui désirerait utiliser la caractéristique du volet à angle variable de la construction du brevet Angell devrait accepter des rendements abaissés de la turbine s'il faisait varier la position du volet sur une distance angulaire supérieure à environ ioe. ainsi, une variation de l'angle &alpha; de 0 à 10 > a pour effet dans une construction de turbine type de provoquer un changement du rendement, lequel passe d'environ 67% à environ 62%. Cependant, un changement de la position angulaire du volet, d'environ 0 à environ 720, provoque un changement du rendement, qui passe alors d'environ 67% à environ 55%. Ainsi, les deux degrés supplémentaires ont provoqué des pertes de rendement nettement plus élevées, après la variation initiale de 700 de l'angle du volet. Par conséquent, l'application de la présente invention permet aux spécialistes de la technique d'éviter de telles pertes de rendement d'une importance inacceptable en maintenant la variation de l'angle i à 1 oe environ. Les considérations qui suivent (qui ne sont pas nécessaires à la compréhension de l'invention) montrent la relation entre divers paramètres de fonctionnement d'une construction de turbine type. Au cours de l'étude d'une enveloppe de turbine à géométrie fixe, on détermine la géométrie requise de la lumière d'admission en fonction des conditions de fonctionnement du moteur. La géométrie de la lumière d'admission est habituellement définie comme le rapport de la section de passage de la lumière au rayon allant de l'axe de la turbine jusqu'au centre de gravité de la surface de la section de passage de la lumière.La surface de la section de passage de la lumière est habituellement mesurée le long d'un rayon partant de l'axe de rotation de la turbine de sorte que la direction du vecteur de vitesse de la lumière est tangente à la pointe du rouet. Ainsi A A / R = Alumière/Rcentre de gravité de la section de la lumière Sur la Fig. 1 à laquelle on se référera, la surface de la section de passage de la lumière est définie par la différence entre la dimension F et la dimension D toutes deux mesurées par rapport à l'axe de rotation 17 et par les dimensions du passage dans la direction perpendiculaire au plan de la Fig. 1 et qui peuvent avoir des valeurs quelconques. La dimension D est habituellement d'environ 10% supérieure au rayon du rouet de la turbine. La forme de la lumière pour une enveloppe de turbine à géométrie variable, telle que la présente construction de turbine à volet réglable de l'invention, est habituellement rectangulaire ou carrée bien que d'autres formes puissent être employées sous réserve que soit respectée la condition de construction suivant laquelle la largeur de la lumière doit être constante à l'emplacement où est monté le volet ou aube mobile 18. Si la lumière est carrée, la dimension F peut être calculée sous la forme d'une fonction du rapport A/R requis et de la dimension D, qui est connue comme étant une fonction du rayon du rouet de la turbine. Si on admet que la lumière est carrée, la hauteur de la lumière, perpendiculairement au plan de la Fig. t, est constante et est égale à F - D. Par conséquent A / R = ?(F - D)2 F+D d'où l'on tire On obtient un résultat similaire Ri la forme de la lumière n'est pas carrée. La condition de construction de base pour une enveloppe de turbine à géométrie variable est que le rapport A/R pour la position fermée du volet mobile soit inférieure à la valeur de ce rapport pour la position ouverte de ce volet Typiquement, (A/R)3fermé est égal à environ 80% de (A/R)Ouvert Si la dimension F est déterminée à partir de 1 équation d'où : On obtient un résultat similaire si la lumière a une foe- autre que carrée dans la position ouverte. Les dimensions F et E de la Fig. 1 sont définies, comme qué dans les équations (i) et (2), comme étant une fonction du rapport A/R requis de l'enveloppe de la turbine pour la position ouverte et pour la position fermée du volet et de la dimension D qui est une tion du rayon du rouet de la turbine Le lecteur comprendra que les équations (1) et (2) ont été données uniquement à titre d'informations de base et qu'une compréhension de ces équations n'est pas nécessaire pour la mise en oeuvre de l'inventionO Une turbine témoin expérimentale à volet réglable a été et3- dolée, construite et essayée. Une incertitude principale lors des etu- des a été la plage sur laquelle on pouvait faire varier l'angle La Fig. 2 montre le rendement mesuré de la turbine en tonc- tion de l'angle &alpha; du volet pour des valeurs constantes de la vitesse de rotation de la turbine et de la température d'admissicn de la turbine0 Le rendement pour la position ouverte du volet (o(=O) est à peu près le même que celui mesuré pour le même rouet de turbine utilisé avec une enveloppe de turbine à géométrie fixe classique. On a observé que le rendement de la turbine diminuait progressivement avec l'accroissement de angle jusqu'à ce qu'un angle d'environ .10 > soit atteint. Lorsque l'angle a atteint une valeur d'environ 100, tout nouvel accroissement de l'angle a provoqué une diminution rapide du rendement de la turbine. Les résultats des essais ont démontré qu'une construction d'enveloppe de turbine dans laquelle l'angle i est supérieur à 100, lorsque lé volet est déplacé de la position ouverte à la position fermée, entraînait des pertes dynamiques du fluide excessives et des valeurs d' une faiblesse inacceptable du rendement de la turbine. On pense que de telles pertes sont dues à la turbulence du fluide au voisinage du volet et dépendent principalement de la grandeur de l'angle , étant faibles pour les angles o( inférieurs à 10Q et s'accroissant rapidevent lorsque l'angle dépasse 700. Ces pertes sont indépendantes des dimensions particulières du volet et de l'enveloppe de la turbine de même que du rapport de la longueur du volet à une-dimension de l'envelop- pe de la turbine. REVEEDICATIONS 1 - Procédé d'utilisation d'une turbine à géométrie variable du type comportant une enveloppe de turbine dans laquelle une roue de turbine est montée à rotation, la turbine étant du type à admission radiale, un volet articulé monté dans l'enveloppe et formant une surface de la lumière d'admission de la turbine, le volet pouvant être déplace entre une première position, ou position ouverte, et une seconde position de façon à faire varier la surface de la section de passage de la lumière d'admission d'une surface maximale, dans la première position, à une surface inférieure, dans la seconde position, ce procédé étant caractérisé en ce qu'il consiste à faire varier la position du volet articulé d'une distance angulaire ne dépassant pas approximativement 700 de la première à la seconde position. 2 - Procédé d'utilisation d'une turbine à géométrie variable du type comportant une enveloppe de turbine dans laquelle une roue de turbine est montée à rotation, la turbine étant du type à admission radiale, un volet articulé monté dans 1 enveloppe, ce volet pouvant être déplacé entre une première position, ou position ouverte, et une seconde position de façon à faire varier la surface de la section de passage de la lumière d'admission d'une surface maximale, dans la première position, à une surface inférieure, dans la seconde position, ce procédé étant caractérisé en ce qu'il consiste à faire varier la position du volet articulé d'une distance angulaire ne dépassant pas approximativement 100 de la première à la seconde position.