Brevet FR2495226A1 — publié le 19820604

Moteur à combustion interne du type turbine. La présente invention concerne des perfectionnements à un turbomoteur à combustion interne. Les moteurs à combustion interne du type à piston entrai- nent l'apparition de vibrations notables accompagnant le mouvement de va-etvient du piston et ont pour inconvénient que le cylindre ne peut pas être entièrement évacué des gaz brûlés à moins que la soupape d'échappement ne s'ouvre vers la fin du processus de combustion en chevauchement avec ce proces- sus, avant que ne commence la course d'échappement et d'évacua- tion des gaz brûlés. Ceci empêche une combustion complète du combustible en contribuant à réduire le rendement thermique. Les turbomoteurs à gaz sont pratiquement exempts de l'inconvénient cidessus des moteurs du type à piston étant donné que les gaz de combustion arrivant d'une chambre de combustion par l'intermédiaire d'un conduit sont refoulés à vitesse élevée contre une roue pourvue de rangées d'aubes sur la totalité de sa périphérie de manière à entraîner cette roue. Toutefois, comme le carburant doit être injecté continuel- lement dans la chambre de combustion pendant que le moteur est en fonction, ce moteur exige une consommation en carburant plus grande que celle des moteurs du type à piston. En outre, la nécessité de fournir en permanence de l'air comprimé à la chambre de combustion suivant un rapport de compression cons- tant a pour inconvénient que le moteur exige une soufflante puissante et une chambre de combustion spéciale. La présente invention procure un turbomoteur à gaz cormpre- nant une roue à aubes ou rotor comportant une rangée d'aubes motrices seulement sur une partie de sa circonférence et une surface en arc de cercle formée sur la partie restante de la circonférence et en contact avec un carter, une chambre de combustion disposée au-dessus du carter, et une buse qui communique avec la chambre de combustion et dont l'extrémité avant débouche dans la direction d'une tangente à la périphé- rie du rotor, l'explosion de la charge dans la chambre de combustion n'ayant lieu que lorsque la rangée d'aubes du rotor passe devant l'orifice de la buse, ce qui a pour effet que les gaz de combustion heurtent directement les aubes de la rangée de manière à entraîner le rotor sous les chocs. L'arbre du rotor est muni de plaques à aubes disposées parallèlement au rotor et comportant des secondes et autres rangées suivantes d'aubes, telles que des aubes de réaction, -en phase avec la première rangée d'aubes, une rangée d'aubes de guidage étant intercalée entre chaque paire de rangées adjacentes d'aubes et étant fixée au carter de telle sorte que l'énergie due au mouvement et à la pression des gaz d'échap- pement refoulés de la buse et libérés de la première rangée d'aubes soit efficacement utilisée par les secondes et autres rangées suivantes d'aubes. Le carter comporte une entrée d'air pour alimenter en air frais la rangée d'aubes se trouvant sur le rotor de manière à évacuer les gaz d'échappement de la rangée d'aubes et à brû- ler, par une combustion secondaire, les imbrûlés des gaz de combustion arrivant de la buse parmi les aubes. Grâce à la pression invention, la force de l'explosion des gaz de combustion engendrés dans la chambre de combustion agit directement sur les aubes du rotor de manière à entraîner celui-ci en donnant un couple considérablement plus important que celui des turbines à gaz classiques dans lesquelles les gaz de combustion sont dirigés à partir de la chambre de combustion sur une roue à aubes ou rotor par l'intermédiaire d'un conduit. Plus le rayon du rotor est grand, plus le couple disponible est important. Du fait que la chambre de combustion est adaptée pour le même cycle que les moteurs à deux temps, dans lesquels ont lieu une évacuation des gaz brûlés, une injection de carburant, un allumage et une combustion, mais n'effectue pas une combustion continue contrairement aux turbines à gaz, le moteur selon la présente invention permet d'obtenir des économies dans la consommation de carburant. En outre, grâce à l'air frais envoyé dans les intervalles des aubes par l'intermédiaire de l'entrée d'air pour chasser de-la rangée d'aubes les gaz d'échappement, les imbrûlés des gaz arrivant de la buse peuvent être brûlés complètement parmi les aubes de la rangée avec, pour conséquence, une neutralisation de la pollution de l'air et une élimination du phénomène gênant de ratés ou post-combustion. Le présent moteur présente donc divers avantages. On va maintenant décrire la présente invention en se référant aux dessins annexés, sur lesquels: la fig. 1 est une coupe verticale avant d'un moteur selon la présente invention; la fig. 2 est une vue en coupe par II- II de la fig. 1; la fig. 3 est une vue de face du moteur; la fig. 4 est une vue en coupe montrant le moteur vu dans la direction des flèches IV- IV, le segment supérieur de carter seul étant enlevé; et les fig. 5 à 8 sont des diagrammes illustrant le principe de fonctionnement du moteur à combustion interne selon la présente invention. Le carter 49 d'un moteur à combustion interne loge une roue à aubes ou rotor 1 supporté de façon tournante dans ce carter et est muni sur le dessus d'une chambre à combustion, 10. Comme on peut le voir sur les fig. 1 et 2, le rotor 1 comporte une multiplicité d'aubes motrices disposées sur une partie de sa circonférence de manière à former une première rangée d'aubes 2. De part et d'autre du rotor 1, sur la dis- tance s'étendant de la buse 31 qui sera décrite par la suite jusqu'aux lumières d'échappement 50, se trouvent des plaques à aubes 4 fixes qui sont logées dans le carter et dont chacune comporte une rangée d'aubes de guidage 3 alignées sur sa périphérie. Sur l'arbre 5 du rotor 1 sont montées des plaques à aubes 7 comportant chacune une seconde rangée d'aubes 6 en phase avec la première rangée d'aubes 2. De la même manière que ci-dessus, une rangée d'aubes de guidage et une troisième rangée d'aubes peuvent être disposées sur le c8té extérieur de chaque seconde rangée d'aubes 6 si on le désire. Les formes des aubes peuvent être déterminées en fonction de la théorie des aubes de turbine à gaz. De préférence, les aubes de la première rangée 2 se présentent sous la forme d'aubes motrices, et les aubes de la seconde rangée 6 ainsi que les rangées suivantes se présentent sous la forme d'aubes de réaction. Les rangées d'aubes de guidage 3 servent à chan- ger la direction d'écoulement des gaz libérés des premières rangées d'aubes et à diriger les gaz dans la rangée d'aubes suivante 6. Sur la partie de la circonférence du rotor 1 des plaques rotatives 7 à aubes, o est absente la rangée 2 ou 6 d'aubes, se trouve une surface 8 en arc de cercle qui a le même rayon que celui de la course des extrémités extérieures des aubes. Des plaques de raccordement 9 et 9 courbées en conformité avec la surface 8 en arc de cercle sont fixées aux aubes de la première rangée 2 aux côtés opposés de leurs extrémités avant, de manière que la surface 8 en arc de cercle et les plaques de raccordement 9,9 forment un cercle continu. La chambre de combustion 10 est délimitée par une enve- loppe 11 placée sur le carter et un couvercle 12 est fixé à ce carter hermétiquement par des vis 15, des joints 13, 14 étant disposés entre les faces de montage. Un élément formant buse 16 est monté de façon coulissante dans la partie inférieure de l'enveloppe 11, des garnitures 17 étant intercalées entre les faces de montage de cet élément et de cette enveloppe de manière que ces faces soient assemblées hermétiquement. L'élément 16 formant buse comporte une surface inférieure courbée vers l'intérieur suivant la même forme d'arc de cercle que la surface 8 du rotor 1 et les plaques de raccordement 9. Des tiges de support 18, s'étendant à travers le couvercle 12 et l'enveloppe 11, s'appuient sur l'extrémité supérieure de l'élément 16 formant buse. Des ressorts 20 sont disposés entre les extrémités supérieures des tiges de support 18 et des pattes 19 faisant saillie du couvercle 12 de manière à presser légèrement l'élément 16 formant buse contre la périphérie extérieure du rotor 1. Le carter 49 comporte dans sa partie inférieure une chambre de lubrification 21 remplie d'un lubrifiant et com- portant une plaque poreuse 22 qui y est montée de façon cou- lissante. Des fibres 23 résistant à la chaleur et a l'abrasion sont placées sur la plaque poreuse 22 et cette plaque 22 est poussée vers le haut par des ressorts 24, grâce à quoi la surface 8 en arc de cercle du rotor 1 et les surfaces courbées des plaques de raccordement 9 se trouvent lubrifiées en perma- nence. Le couvercle 12, l'enveloppe 11 de la chambre de combus- tion et l'élément 16 formant buse comportent intérieurement des chambres d'eau respectives 25, 26 et 27 auxquelles sont raccordés un tuyau d'entrée 28 et un tuyau de sortie 29 en vue d'une circulation d'eau de refroidissement pour refroidir intérieurement ces éléments. L'enveloppe 11 de la chambre de combustion comporte dans sa paroi inférieure une sortie de gaz de combustion. L'élément 16 formant buse comporte une buse de décharge 31 communiquant avec la sortie 30 de gaz et inclinée dans la direction d'une tangente à la périphérie extérieure du rotor 1. Dans la chambre de combustion 10, à l'ouverture de la sortie 30 de gaz de l'enveloppe 11, se trouve une paroi 63 d'agitation servant à perturber l'écoulement tourbillonnaire des gaz dans la chambre pour favoriser un mélange du carburant avec l'air. Le couvercle 12 comporte une lumière d'entrée 32 pour l'air comprimé ainsi qu'un injecteur 31 de carburant et une bougie d'allumage 34. La lumière d'entrée 32 communique avec un conduit 35 d'air comprimé qui est raccordé à son extrémité avant à un accumulateur 36 de manière à acheminer l'air com- primé jusqu'à la lumière d'entrée 32. A l'accumulateur 36 est raccordé un compresseur 38 qui est entraîné par un pignon 37 se trouvant sur l'arbre 5. Quand l'arbre 5 tourne, l'air comprimé est engendré et envoyé dans l'accumulateur 36. Une soupape 39 est disposée de façon coulissante dans la lumière 32 d'entrée d'air et comporte une tige 40 de soupape. Un ressort 42 disposé entre l'extrémité avant de la tige 40 de soupape et un support 41 pousse la soupape 39 dans une direc- tion o celle-ci ferme la lumière d'entrée 32. Un arbre 44 à came portant une caine excentrée 43 est disposé au-dessus de la tige 40 de soupape. L'arbre 44 à came est accouplé à l'arbre 5 par l'intermédiaire d'un pignon 45 et d'une chaîne 46 et il tourne en même temps que l'arbre 5 de manière à abaisser l'extrémité supérieure de la tige 40 de soupape et à ouvrir la lumière 32 d'entrée d'air comprimé à une cadence appropriée. L'injecteur 33 de carburant est raccordé à une pompe 48 à carburant pouvant être actionné par un pignon 47 se trouvant sur l'arbre 5. La bougie d'allumage 34 est reliée à un rupteur 48a accouplé de façon similaire au pignon 47 se trouvant sur l'arbre 5. L'injection du carburant et le jaillissement de l'étincelle sont effectués par ces moyens avec une cadence appropriée en synchronisme avec la rotation de l'arbre 5. Les lumières d'échappement 50 communiquant avec les trajets suivis par les secondes rangées d'aubes sont formées dans les parois latérales opposées du carter 49, en avant de la buse de décharge 31 dans la direction d'avance du rotor 1. Les gaz d'échappement s'échappent par des conduits (non repré- sentés) raccordés aux lumières 50. Un peu plus en avant des lumières d'échappement 50, dans la direction d'avance se trouve: une entrée 51 d'air frais formée dans la paroi péri- phérique du carter 49 et communiquant avec le trajet suivi par la première rangée 2 d'aubes, et des ouvertures d'échappement 52 formées dans les deux parois du carter 49 et communiquant avec le trajet suivi par les rangées finales 6 d'aubes. L'entrée 51 d'air est raccordée à un moyen 53 fournissant de l'air frais sous pression. Le moyen 53 fournissant de l'air frais et représenté sur les fig. 2 et 3 comprend des aubes 54 présentes sur les côtés extérieurs des plaques 7 des dernières rangées d'aubes pour aspirer de l'air frais dans des ouvertures d'entrée 55 formées au centre du carter et pour refouler cet air à travers les sorties 56 et les cames 57 dans l'entrée 51 d'air. Le moyen 53 fournissant de l'air frais peut être modifié de façons diver- ses. Par exemple, l'entrée 51 d'air peut être raccordée à l'accumulateur 36 par un canal de manière à recevoir l'air comprimé provenant du compresseur 38. Le rotor 1, les plaques à aubes fixes 4, les plaques à aubes 7 pour la seconde rangée et les rangées suivantes d'aubes, et l'arbre 5 qui sont tous chauffés du fait de leur contact avec les gaz de combustion très chauds ont une struc- ture creuse. Le tuyau 28 ramifié est branché aux plaques à aubes fixes 4 pour le passage de l'eau de refroidissement à travers l'intérieur des plaques. L'arbre 5 est pourvu à une de ses extrémités d'un joint tournant 58 pour le passage de l'eau de refroidissement à travers l'arbre et à travers l'intérieur des plaques à aubes rotatives 7 et du rotor 1. L'eau sort par un joint rotatif 59 se trouvant à l'autre extrémité de l'arbre. L'arbre 5 entraîne un arbre de sortie 62 par l'inter- médiaire d'un train d'engrenages 60 et 61. Quand l'extrémité avant de la première rangée d'aubes 2 du rotor 1 en cours de rotation se trouve à une position située immédiatement avant la buse de décharge 31 après avoir passé devant l'entrée 51 d'air (fig. 5), l'air frais aspiré dans la rangée 2 d'aubes à travers l'entrée 51 a chassé les gaz d'échappement des rangées 2 et 6 d'aubes à travers les ouvertures d'échappement 52, cela en remplissant les rangées d'aubes. Le mélange d'air comprimé et de carburant remplissant la chambre de combustion 10 explose lors de l'allumage par une étincelle engendrée par la bougie d'allumage 34. Lors de l'explosion à l'intérieur de la chambre de combus- tion 10, un courant de gaz de combustion sort de la buse de décharge 31 à travers la sortie 30 de gaz et heurte directe- ment les aubes de la rangée 2 du rotor 1 de manière à entrai- ner ce rotor (fig. 6). Du fait que les gaz de combustion engendrés dans la chambre de combustion 10 lors de l'explosion heurtent directement la première rangée 2 d'aubes du rotor 1, il y a peu ou pas de perte d'énergie. Plus le diamètre du rotor 1 est grand, plus le couple résultant est important. Les gaz de combustion heurtant directement la première rangée 2 d'aubes se mélangent à l'air frais remplissant les espaces compris entre les aubes de manière à soumettre les imbr lés des gaz à une combustion secondaire parmi les aubes et s'écou- lent dans les rangées d'aubes de guidage 3 tout en se dilatant progressivement, après quoi les gaz tournent et s'écoulent dans les secondes rangées d'aubes 6. Quand les secondes ran- gées 6 d'aubes passent devant l'orifice d'échappement 50 à mesure que tourne le rotor 1, le gaz dans les rangées sort par l'échappement 50 tout en communiquant un couple aux secondes rangées d'aubes par réaction. Bien que les gaz de combustion sortant de la buse de décharge 31 de la chambre de combustion contiennent encore une quantité considérable de composants imbrûlés, les gaz se mélangent avec l'air frais en vue d'une combustion secondaire pendant qu'ils traversent les rangées 2 et 6 d'aubes. Du fait que les imbrûlés se trouvent ainsi éliminés, les gaz de combustion peuvent s'échapper des lu- mières d'échappement 50 sans pollution de l'air et sans ratés. Quand la majorité des aubes de la première rangée 2 du rotor 1 a dépassé la buse de décharge 31 et que plusieurs aubes de la partie arrière de cette rangée se trouvent encore à l'arrière de la buse de décharge 31 (fig. 7), la soupape 39 de la chambre de combustion 10 est abaissée par la came 43 et ouvre la lumière d'entrée 32 ce qui permet à l'air comprimé de l'accumulateur 36 de s'écouler à travers le conduit 35 jusque dans la chambre 10 et à balayer la chambre 10 en expulsant les gaz d'échappement de cette chambre 10 jusque dans la rangée 2 d'aubes par l'intermédiaire de la buse de décharge 31. Quand la dernière des aubes du rotor 1 a dépassé la buse de décharge 31 (fig. 8), la surface 8 en arc de cercle ferme la buse 31. Le rotor 1 continue de tourner pendant qu'une combustion secondaire se prolonge parmi les aubes et les gaz s'échappent. Dans la chambré de combustion 10, la soupape 39 se soulève de manière à fermer la lumière d'entrée 32 et à enfermer l'air comprimé dans la chambre 10. Pendant que l'air comprimé heurte la paroi d'agitation 63 quand il est injecté dans la chambre 10 à partir de la lumière d'entrée 32 et est par conséquent turbulent, le carburant injecté par l'injecteur 33 sous une forme atomisée se mélange avec le courant d'air comprimé. Le cycle commençant avec l'opération d'allumage de la fig. 5 recommence. Conformément à la présente invention, les opérations des fig. 5 à 8 recommencent, ce qui implique un allumage, une explosion, un échappement, et une injection de carburant dans la chambre de combustion 10. Le choc résultant de chaque explosion est communiqué au rotor 1 de manière à faire tourner l'arbre 5 et à entraîner l'arbre de sortie 62. Il est bien entendu que la description qui précède n'a été donnée qu'à titre purement illustratif et non limitatif et que des variantes ou des modifications peuvent y être appor- tées dans le cadre de la présente invention. REVENDICATIONS 1. Moteur à combustion interne du type turbine, comprenant un rotor logé dans un carter et présentant une rangée d'aubes disposées sur une partie seulement de sa circonférence et une surface en arc de cercle formée sur la partie restante de la circonférence du rotor et ayant approximativement le même rayon que la partie extérieure de la rangée d'aubes, et une chambre de combustion disposée au-dessus du carter et comportant une buse de décharge débouchant approximativement de façon tan- gentielle au rotor, un injecteur de carburant et une bougie d'allumage, la chambre de combustion communiquant avec un conduit d'air comprimé par une soupape, caractérisé par le fait que le carter (49) comporte des lumières d'échappement (50) à une posi- tion située en avant de l'orifice de la buse de décharge (31) is dans le sens d'avancement du rotor (1)?ainsi qu'une entrée d'air (51) pour l'introduction d'air frais dans la rangée d'aubes (2) et des ouvertures d'échappement (52) à une position située en avant des lumières d'échappement (50) dans le sens d'avancement du rotor. 2. Moteur à combustion interne suivant la revendi- cation 1, caractérisé par le fait que l'entrée d'air (51) com- munique par un canal (57) avec une partie côté aval du rotor o sont disposées des aubes d'alimentation d'air (54). 3. Moteur à combustion interne suivant la reven- dication 1, caractérisé par le fait que l'entrée d'air (51) com- munique avec un compresseur d'air. 4. Moteur à combustion interne suivant la revendi- cation 1, caractérisé par le fait que des secondes et autres rangées suivantes d'aubes (6) sont montées sur l'arbre rotatif (5) du rotor (1) de façon parallèle à la première rangée d'aubes (2) et que des rangées d'aubes de guidage (3) fixées au carter sont intercalées chacune entre les rangées d'aubes (2) et (6), l'entrée d'air (51) débouchant sur la circonférence de la première rangée d'aubes (2), et les ouvertures d'échappement (52) étant opposées et débouchant vers les côtés aval des dernières rangées d'aubes (6). 5. Moteur à combustion interne suivant la reven- dication 4, caractérisé par le fait que les rangées d'aubes de 4-9.522 E guidage (3) et les secondes et autres rangées suivantes d'aubes (6) sont disposées de part et d'autre de la première rangée d'au} (2) et que les lumières d'échappement (50) et les ouvertures d'échappement (52) sont ménagées dans les parois opposées du ca] ter (49), en face des côtés aval des dernières rangées d'aubes *(6).