Brevet FR2487913A1 — publié le 19820205

l 2487913 Procédé pour améliorer le fonctionnement d'un turbo-compresseur de suralimentation d'un moteur thermique et turbo-compresseur pour la mise en oeuvre de ce procédé. La présente invention concerne les moteurs thermiques à suralimentation et, notamment, les moteurs Diesel suralimentés par un turbo-compresseur dont la turbine est entraînée par les gaz d'échappement du moteur. On sait que les performances des moteurs thermiques s'accroissent rapidement gr&ce aux progrès de leur suralimenta- tion. Les turbo-compresseurs modernes atteignent un rapport de pression de 4,5 à 5, ce qui autorise des pressions moyennes ef- fectives (Pme) moteur de 25 bars environ, et il est possible de monter deux turbo-compreseurs en série, autorisant ainsi des Pme de 33 et plus. Malheureusement, ces turbo-compresseurs sont conçus pour un fonctionnement proche du point nominal (puissance maxi du moteur) et donnent des résultats décevants aux faibles charges du moteur. En outre, un problème de principe se pose - l'énergie motrice contenue dans les gaz d'échappement qui actionnent la turbine dépend du produit débit x température, c'est-à-dire la puissance du moteur. La pression de suralimenta- tion est ainsi à peu près proportionnelle à la puissance du mo- teur. Or il faudrait qu'elle soit proportionnelle au couple dé- livré par le moteur, et non à sa.puissance, afin que celui-ci fonctionne à peu près à excès d'air constant. Il en résulte que, lorsque le moteur est utilisé à vitesse variable, pour la propulsion d'un véhicule par exemples le couple disponible aux bas régimes est assez faible, hors de proportion avec les performances nominales du moteur. Par exemple, pour une Pme nominale supérieure à 25 bars, il est impossible sans artifice d'embrayer l'hélice d'un bateau, à l'arrêt, sans caler alors qu'à pleine vitesse les performances sont remarquables. On sait que la turbine d'un turbo-compresseur comprend essentiellement un distributeur de gaz d'échappement, constitué par une couronne d' aubes fixes, qui dirige les gaz sur les ailettes du rotor de la turbine. Le compresseur du turbo- 2 2487913 compresseur comprend essentiellement un rotor à ailettes, atte- lé à l'arbre de la turbine, et un diffuseur d'air de suralimen- tation. Pour remédier à l'inconvénient précité, il faudrait pou- voir adapter les dimensions des turbo-compresseurs (distribu- teurs de gaz et diffuseurs d'air) aux paramètres de fonctionne- ment du moteur, notamment au couple demandé au moteur. Des solutions ont été proposées et appliquées - n'utiliser aux faibles charges qu'un secteur du dis- tributeur de gaz, mais ceci introduit une perte par ventilation - utiliser plusieurs turbo-compresseurs en parallèle, 1/4 ou 1/2 d'entre eux seulement étant utilisés aux faibles charges, mais ceci est encombrant et les vannes nécessaires sont de technologie délicate et difficiles à actionner en synchro- nisme - utiliser un turbo-compresseur à géométrie variable mécaniquement: les aubages de distributeur et, éventuellement, de diffuseur sont orientables comme cela se pratique dans cer- taines turbo-machines industrielles et aéronautiques, mais au prix d'une complication mécanique. Ces diverses solutions reviennent à réduire la section de passage des gaz dans le ou les turbo-compresseurs, aux fai- bles charges du moteur, mais ce sont des solutions mécaniques compliquées et coûteuses. La présente invention permet, dans un turbo-compresseur, de réduire sélectivement la section de passage des gaz par une action fluidique sur la veine de gaz, sans nécessiter aucune pièce mécanique mobile.supplé entaire. Le procédé /invention consiste à insuffler un jet d'air -sous pression entre les aubes fixes du distributeur de gaz de la turbine, en direction de la veine de gaz, de façon à établir un barrage fluidique restreignant la section de passage effec- tive de la veine de gaz entre les aubes vers le rotor de la tur- bine. De préférence, on insuffle un jet d'air entre chaque paire d'aubes fixes du distributeur. Grâce à ce procédé, la veine-de gaz chauds voit sa sec- tion restreinte par les jets d'air qui la frappent sensiblement perpendiculairement. 3 2487913 Un turbo-compresseur de suralimentation pour moteur thermique suivant l'invention est caractérisé en ce qu'il est prévu, dans l'enveloppe du distributeur de gaz à aubes fixes de la turbine, entre les aubes fixes, des fentes ou orifices de soufflage d'air débouchant dans la section de passage des gaz d'échappement entre les aubes fixes, et en ce que lesdites fentes sont raccordées, à l'extérieur du distributeur, à une ca- nalisation de distribution d'air communiquant avec une source d'air sous pression, grâce à quoi la section de passage des gaz d'échappement dans la turbine peut être réduite par le rideau fluidique soufflé par lesdites fentes ou orifices. L'air alimentant les fentes de soufflage peut provenir d'une source extérieure d'air comprimé, car le débit et la pression nécessaires ne sont pas considérables. Mais, suivant une forme préférée de l'invention, cet air provient d'un prélèvement sur le circuit de suralimentation du moteur, en aval du compresseur du turbo-compresseur. Cette disposition présente un très grand intérêt car elle combine et cumule les effets avantageux du système de ré- duction de la section de passage des gaz et du système connu de dérivation d'une partie de l'air de suralimentation vers la turbine du turbo-compresseur. Ce système connu de dérivation, couramment désigné sous le terme de "système by-pass", consiste à prélever de l'air au refoulement du compresseur d'air et à le conduire directement à l'entrée turbine. Un organe souvent dénommé "soupape de AP" règle le débit d'air dérivé en fonction de certains paramètres liés au moteur. Le moteur est ainsi "bypassé" par une petite quantité d'air de 0 à 50 % environ du débit d'air total. L'effet du by-pass est le suivant: la turbine du. turbo-compresseur reçoit, lorsque le by-pass est ouvert, un dé- bit de gaz plus grand, à une température plus faible en raison de la dilution par l'air by-passé. Quand on augmente la section de passage du by-pass, il y a augmentation de l'énergie sur la turbine, donc sur le compresseur, et la pression d'air monte. Au-delà d'une certaine section de by-pass, la tempéra- ture chute trop et l'énergie sur la turbine diminue. Il existe donc un optimum. En général, il faut fermer la soupape AP à % de la charge nominale, et 1iouvrir en grand à 35 %, le fonctionnement étant progressif, bien entendu. On voit que c'est aux faibles charges que le débit d'air by-passé est le plus grand. Si l'on utilise cet air de by-pass pour réduire fluidi- quement la section de turbine, on ajoute deux effets conduisant à une augmentation de pression de suralimentation. Or, cLest précisément aux faibles charges qu'on attend ce résultat et qu'on dispose d'air by-passé permettant d'alimenter les fentes de soufflage. La combinaison ci-dessus du soufflage et de la d-riva- tion d'air de suralimentation peut être complétée par l'inter- position, sur le circuit des gaz dchappement, d'une chambre de combustion placée en amont de le turbine. Bien entendu, dans tous les cas, un organe de réclage du débit d'air est interposée sur la canalisation d'amenée d'air sous pression aux fentes de soufflage d'eir. Un système de soufflage d'air suivant l'invention peUt également apporter des résultats intéressants dans la cas d-un distributeur de gaz pourvu d'aurabes orientables car, dans ce cas, les jets d'air souffles par les fentes peuvent réduire les fuites marginales autour des aubes. L'invention sera mieux comprise à la lecture de la description détaillée qui va suivre et à l'examen des dessins annexés qui représentent, à titre d'exemples non limitatifs plusieurs modes de réalisation de l'invention. La figure 1 est une vue schématique, en coupe par un plan axial, d'un turbo-compresseur suivant l'invention et de son raccordement à un moteur thermique. La figure 2 est une vue en coupe radiale du distribu- teur à aubes fixes de la turbine du turbo-compresseur, sensi- blement suivant le plan II-II de la figure 1. La figure 3 est une vue partielle développée du distri- buteur. La figure 4 est une représentation schématique de la restriction de la veine de gaz dans le distributeur. La figure 5 est une vue partielle en coupe, à plus grande échelle, du distributeur et du rotor de la turbine. 2487913 Les figures 6, 7 et 8 illustrent la combinaison du sys- tème de soufflage d'air, pour la restriction de la veine de gaz, avec le système de dérivation d'air de suralimentation vers la turbine du turbo-compresseur. On a représenté schématiquement sur la figure 1 un turbo-compresseur 2 alimentant en air de suralimentation un moteur Diesel 4. De ce moteur, on a seulement fait figurer le collecteur d'arrivée d'air 6 et le collecteur de gaz d'échappe- ment 8. La turbine 10 du turbo-compresseur comprend, de façon classique, un distributeur de gaz d'échappement 12 qui comporte une couronne d'aubes fixes 14 dirigeant les gaz d'échappement vers les ailettes 16 du rotor 18 de la turbine. Les gaz d'échap- pement, provenant du collecteur 8, pénètrent dans la turbine par l'entrée de turbine 20 et s'échappent à l'atmosphère, après avoir travaillé dans la turbine, par la galerie de sortie 22. Le rotor 18 de la turbine est calé sur un arbre 24, sur lequel est également calé le rotor 26 du compresseur 27, ce rotor portant des ailettes 28. L'air atmosphérique 30 (ou en provenance d'un autre étage compresseur) est aspiré dans l'en- trée 32 du compresseur et refoulé par la galerie 34 et la sor- tie 36 du compresseur vers le collecteur 6 d'air de suralimenta- tion du moteur. Conformément à l'invention, des fentes ou orifices de soufflage d'air 38 sont ménagées dans l'enveloppe 39 du distri- buteur 12, entre les aubes fixes 14, et débouchent dans la sec- tion de passage des gaz d'échappement entre les aubes fixes, comme on le voit plus clairement sur les figures 2 et 3. Les fentes 38 sont raccordées, à l'extérieur du distri- buLeur, à une canalisation de distribution d'air 40 communi- quant avec la source d'air sous pression 42, avec interposition d'une vanne de réglage de débit d'air 41. L'effet de restriction fluidique de la section des gaz est illustré schématiquement par la figure 4. Les flèches 44 représentent le trajet des gaz d'échappement entre deux aubes fixes du distributeur, la flèche 46 représente le jet d'air soufflé par une fente 38 et la ligne 48 schématise le rideau fluidique qui restreint la section de la veine de gaz selon les 6 2487913 flèches 44'. Les fentes ou orifices 38 peuvent être orientées sen- siblement perpendiculairement à la veine du gaz ou peuvent être inclinées, par exemple jusqu'à un angle de 300,vers l'aval ou vers l'amont de la veine. Comme il est illustré par les figs. 2 et 3, on prévoit une fente 38 entre chaque paire d'aubes 14, les fentes débouchant à l'intérieur du distributeur, par exemple au voisinage du col de la tuyère formée par deux aubes voisines. Comme il est représenté plus clairement sur la figure 5, les fentes 38, ménagées dans l'anneau extérieur 39 de fixation des aubes du distributeur 12, sont alimentées par un canal de distribution d'air constitué par une gorge annulaire 50 creusée dans le bâti extérieur 52 de la turbine. Un perçage 54, dans le bâti 52 permet de raccorder la gorge 50 à la canalisation d'ar- rivée d'air sous pression 40. On peut prévoir des fentes 38 de soufflage d'air dans l'anneau extérieur 39 du distributeur au lieu des fentes 38' dans l'anneau intérieur 39' de fixation des aubes, ou encore les deux à la fois comme il est représenté sur la figure 5. Les fentes 38' peuvent être alimentées par une gorge annulaire 50' raccordée à l'arrivée d'air sous pression 40 par des perçages 54' prévus dans le corps central 52' de la turbine. Pour bien faire comprendre l'invention, on a représenté sur la figure 1 l'alimentation des fentes de soufflage d'air 38 (et/ou 38') au moyen d'une source extérieure d'air 42. Dans ce cas, le fonctionnement de l'installation est extrêmement simple: lorsque le moteur est à pleine charge, la vanne 41 est fermée et la turbine fonctionne normalement avec la pleine section de la veine des gazd'échappement, avec ses performances nominales. Pour les faibles charges du moteur, on ouvre de plus en plus la vanne 41 pour réduire la section de passage de la veine de gaz sous l'effet des jets d'air soufflé par les fentes. Il est-ainsi possible d'obtenir un ré- sultat équivalent à une réduction de section d'environ 50 %, ce qui permet de rétablir une suralimentation satisfaisante du moteur à tous les régimes et remédie donc aux inconvénients rappelés au début de la présente description. Bien entendu, la vanne 41 peut être commandée automatiquement par un servo- 7 2487913 mécanique asservi aux paramètres de fonctionnement du moteur. Mais la solution la plus avantageuse, pour un turbo- compresseur conforme à l'invention, consiste à combiner le sys- tème de la réduction fluidique de section de passage dans la turbine, avec le système de dérivation ("by-pass") vers la tur- bine d'une partie de l'air de suralimentation, ce qui permet de cumuler les avantages de ces deux systèmes. Diverses variantes d'une telle combinaison sont illus- trées par les figures schématiques 6, 7 et 8 o l'on a seulement fait figurer les circuits d'air et les circuits de gaz d'échappe- ment. Sur ces figures, le turbo-compresseur est schématisé par sa turbine 10 (avec son entrée de gaz d'échappement 20 et sa sortie à l'atmosphère 22) et par son compresseur 27 (avec son entrée d'air 32 et sa sortie d'air de suralimentation 36). Les fentes de soufflage d'air 38, entre les aubes fixes de la turbine sont alimentées par la canalisation 40 contrôlée--par la vanne 41. On a représenté le moteur 4 avec son arrivée d'air de suralimentation 6 et son collecteur de gaz d'échappement 8. Selon le mode de réalisation représenté sur la figure 6, la canalisation 40 est alimentée en air sous pression par une canalisation en dérivation 56 raccordée sur le circuit de refoulement d'air de suralimentation du moteur, c'est-à-dire sur la canalisation 6 entre la sortie 36 du compresseur et l'en- trée d'air du moteur. Une portion.de l'air de suralimentation, contrôlée par la plus ou moins grande ouverture de la vanne 41, est ainsi prélevée pour alimenter les fentes de soufflage d'air 38 de la turbine. Suivant l'ouverture de la vanne 41, le prélèvement d'air peut être compris entre O et environ 50 % du débit d'air total. Aux faibles charges du moteur, lorsque la vanne 41 est à pleine ouverture, les fentes 38 soufflent des jets d'air puis- sants qui réduisent la section de passage effective des gaz, mais, en même temps, du fait du débit d'air des fentes, la tur- bine reçoit un débit total de gaz plus grand, à une température plus faible en raison de la dilution par l'air dérivé. Ces deux effet se cumulent pour augmenter l'énergie sur la turbine, donc sur le compresseur, c'est-à-dire pour procurer une augmentation 8 2487913 cumulée de la pression de suralimentation. En d'autres termes, suivant l'invention, l'air dérivé est utilisé à deux fins pour obtenir une augmentation de la pression de suralimentation. En fonctionnement, la vanne 41 est complètement fermée pour la pleine charge du moteur, et elle est complètement ou- verte pour environ 35 % de la charge, la manoeuvre de la vanne étant bien entendu progressive. La variante représentée sur la figure 7 est analogue à celle de la figure 6, si ce n'est qu'une deuxième canalisation de dérivation 58 est prévue entre lacanalisation 40 d'alimenta- tion des fentes de soufflage 38 et l'entrée 20 des gaz d'échap- pement dans la turbine 10. Selon cette disposition, une partie de l'air de suralimentation dérivé est réintroduite, mélangée au gaz d'échappement, dans la turbine pour augmenter l'énergie sur la turbifie. Cette disposition peut étre avantageuse lors- que la section des fentes de soufflage 38 est insuffisante pour laisser passer la totalité du débit d'air de suralimentation dérivé. Bien entendu, une vanne (non repr sentée) pourrait ega- lement être prévue sur-la canalisation 58 pour doser la répare tition de l'air entre les fentes et l'entrée de la turbine. Enfin la figure 8 montre une disposition dérivée de celle de la figure 7 selon laquelle on interpose une chambre de combustion 60 en amont de l'entrée 20 de la turbine 10 rour réchauffer le mélange des gaz d'échappement provenant du collec- teur d'échappement 8 et de l'air de suralimentation dérivé pro- venant de la deuxième canalisation de dérivation 8. Ceci permet encore de remonter les performances de la turbine aux faibles charges du moteur. REVENDI CATIONS 1 - Procédé pour réduire sélectivement la section de passage des gaz dans le distributeur à aubes fixes de la turbine d'un turbo-compresseur de suralimentation pour moteur thermique, ladite turbine étant alimentée par les gaz d'échap- pement du moteur, ledit procédé étant caractérisé en ce qu'il consiste à insuffler un jet d'air sous pression entre les- dites aubes fixes en direction de la veine de gaz, de façon à établir un barrage fluidique restreignant la section de passage effective de la veine de gaz entre les aubes vers le rotor de la turbine. 2 - Procédé suivant la revendication 1, caractérisé en ce qu'il consiste à insuffler un jet d'air entre chaque paire d'aubes fixes du distributeur. 3 - Procédé selon l'une des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce que les jets d'air sont alimentés par une source d'air sous pression extérieure. 4 - Procédé selon l'une des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce que l'air sous pression alimentant les jets d'air est prélevé en dérivation sur le refoulement d'air du compresseur de suralimentation qui est entraîné par la turbine précitée et qui fournit l'air de suralimentation au moteur. - Procédé suivant l'une des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que le débit d'air alimentant les jets d'air est sélectivement réglable en fonction des paramètres de fonctionnement du moteur, notamment en fonction de sa charge. 6 - Turbo-compresseur de suralimentation pour moteur thermique qui comprend une turbine alimentée par les gaz d'échappement du moteur et entraînant un compresseur fournis- sant l'air de suralimentation au moteur, ladite turbine comportant un distributeur à aubes fixes et un rotor dont l'arbre est attelé au compresseur, ledit turbo-compresseur étant caractérisé en ce qu'il est prévu, dans l'enveloppe du distributeur, entre les aubes fixes, des fentes ou orifices de soufflage d'air débouchant dans la section de passage des gaz d'échappement entre les aubes fixes, et en ce que lesdites fentes sont raccordées, à l'extérieur du distribu- teur, à une canalisation de distribution d'air communiquant avec une source d'air sous pression grâce à quoi la section de passage des gaz d'échappement dans la turbine peut être réduite par le rideau fluidique soufflé par lesdites fentes ou orifices. 7 - Turbo-compresseur suivant la revendication 6 caractérisé en ce qu'il est prévu, entre la canalisation de distribution d'air et la source, des moyens de réglage du débit d'air à travers les fentes ou orifices précités. 8 - Turbo-compresseur suivant l'une des revendications 6 ou 7, caractérisé en ce qu'il est prévu une fente ou orifice de soufflage d'air entre chaque paire d'aubes du distributeur. 9 - Turbocompresseur suivant la revendication 8, caractérisé en ce que les fentes ou orifices de soufflage d'air débouchent à l'intérieur du distributeur au voisinage du col de la tuyère formée par deux aubes voisines. - Turbo-compresseur suivant l'une des revendications 6 à 9, caractérisé en ce que les fentes ou orifices de soufflage d'air sont ménagées dans l'un au moins des anneaux, extérieur ou intérieur, auxquels sont fixées les aubes fixes du distributeur. Il - Turbo-compresseur suivant l'une des revendications 1 à 10, caractérisé en ce que la canalisation précitée de distribution d'air est constituée par au moins une gorge annulaire ou collecteur, ménagée dans un bâti entourant le distributeur, toutes les fentes ou orifices précités débou- chant, par leur extrémité extérieure, dans ladite gorge. 12 - Turbo-compresseur suivant l'une des revendications 1 à 11, caractérisé en ce que les fentes ou orifices sont orientés sensiblement perpendiculairement à la direction de la circulation de la veine de gaz entre les aubes du distri- buteur. 13 - Turbo-compresseur suivant l'une des revendications 1 à 12, caractérisé en ce que la source d'air sous pression alimentant les fentes de soufflage d'air est constituée par une source d'air extérieure. 14 - Turbo-compresseur suivant l'une des revendications 1 à 12, caractérisé en ce que la source d'air sous pression alimentant les fentes de soufflage d'air est constituée par un prélèvement d'air de suralimentation du moteur effectué à la sortie du compresseur entraîné par la turbine. - Turbo-compresseur suivant la revendication 14, caractérisé en ce qu'il comprend une canalisation de dériva- tion d'air interposée entre la sortie du compresseur et la canalisation de distribution d'air aux fentes ou orifices précités, et en ce qu'un organe de réglage du débit d'air est monté sur ladite canalisation de dérivation. 16 - Turbo-compresseur suivant la revendication 15, caractérisé en ce qu'il comprend, en plus, une canalisation de dérivation supplémentaire branchée entre la première canalisation de dérivation précitée et la canalisation d'entrée des gaz d'échappement dans la turbine. 17 - Turbo-compresseur suivant la revendication 16, caractérisé en ce que la canalisation de dérivation supplé- mentaire est branchée sur la première canalisation de dériva- tion, en aval de l'organe de réglage du débit d'air. 18 - Turbo-compresseur suivant la revendication 17, caractérisé en ce qu'une chambre de combustion, pour le réchauffage des gaz d'échappement et, éventuellement, de l'air dérivé en provenance du compresseur, est montée en amont de l'entrée des gaz dans la turbine. 19 - Turbo-compresseur suivant l'une des revendications 7 à 18, caractérisé en ce que l'organe de réglage du débit sensible d'air à travers les fentes est actionné par un servo-mécanisme/ à l'un des paramètres de fonctionnement du moteur, notamment sa charge.