Brevet FR2491136A1 — publié le 19820402

Une turbine à gaz comprend plusieurs composants qui sont, à la fois, onéreux et encombrants à fabriquer. D'un point de vue économique, il n'est, par conséquent, pas souhaitable de construire des turbines à gaz dans un trop grand nombre de tailles de manière à couvrir les exigences de puissance prévalant commercialement par exemple dans l'industrie automobile. Une turbine à gaz peut être considérée comme comprenant un générateur de gaz et une partie d'entratnement, et il existe des turbines à gaz qui comprennent trois rotors de turbine dont un est monté sur le meme arbre que le compresseur et en même temps que lui, une chambre de combustion constituant un générateur de gaz. Les deux rotors restants sont prévus pour un courant gazeux en série et constituent une partie d'entratnement, laquelle, par l'intermédiaire d'un engrenage, est reliée à l'arbre d'entraînement de sortie et également, par l'intermédiaire d'une transmission interne, à l'arbre du compresseur. Les composants ci-dessus forment un ensemble d'en tratnement dans lequel les éléments sont reliés entre eux par une canalisation de gaz. La présente invention a pour objet de rendre possible de réaliser des mécanismes à puissance de sortie variable au moyen d'un nombre limité de composants de base dans le générateur de gaz et la partie d'entraSnement. Les rotors du générateur de gaz et de la partie d'entratnement peuvent être choisis de manière à présenter une capacité de manipulation des gaz sensiblement comparable de manière que les deux jeux de rotors soient doublés, mais le mécanisme présente alors un arbre de transmission interne commun entre l'engrenage et les deux générateurs de gaz. L'arbre de transmission interne commun rend l'installation plus simple et meilleur marché, de sorte qu'il n'y a pas là simplement une question de doublement d'une taille de base. De nombreuses possibilités de variantes peuvent être obtenues s'il existe deux tailles de base pour les turbines, et il est possible d'apparier certains petits générateurs de gaz avec une partie d'entraînement plus grande, ou vice versa, un plus grand générateur de gaz avec des parties d'entraînement plus petites. Les rotors de la partie dtentratnement peuvent ainsi présenter une capacité de manipulation de gaz beaucoup plus importante que le rotor du générateur de gaz de sorte qu'au moins deux générateurs de gaz sont reliés par une partie d'entraînement commune Les arbres du rotor des générateurs de gaz peuvent alors être montés dans le prolongement lun de l'autre perpendiculairement au système d'arbre du rotor de la partie d'entrainement, ou encore parallèles à ce dernier. Dans la disposition formant un certain angle, les arbres du rotor des générateurs de gaz peuvent être dispo sés dans le même plan général que la volute d'entrée du premier rotor de la turbine dentratnement, et il est fréquemment souhaitable de faire en sorte que des canali satinons de transit soient formées entre les générateurs de gaz et la partie dtentratnement, ces ces canalisations-pré- sentant des éléments d'obturation pour qu'un générateur de gaz particulier puisse être fermé temporairement. I1 est également possible que le rotor de turbine du générateur de gaz présente une capacité de manipulation de gaz considérablement plus importante que les rotors de la partie dtentraSneoent de sorte que deux parties den- tratnement soient reliées à un générateur de gaz commun. Le système d'arbre des parties d'entraînement peut alors être disposé selon un certain angle par rapport au générateur de gaz, ou être parallèle à celui-ci. Lorsque l'espace disponible le permet et que le besoin sen fait sentir, il est évidemment également possible de tripler l'un des éléments ci-dessus. Diverses autres caractéristiques de l'invention ressortent d'ailleurs de la description détaillée qui suit. Des formes de réalisations de l'objet de l'invention sont représentées, à titre d'exemples non limitatifs, au dessin annexé La fig. 1 illustre un mécanisme de turbine à gaz conforme à l'invention dans lequel les générateurs de gaz et les parties d'entratnement présentent une égale capacité de manipulation des gaz et dans lequel ceux-ci sont en double. Les fig. 2 et 3 illustrent des mécanismes dans lesquels le générateur de gaz présente une capacité de manipulation des gaz considérablement plus importante que n'importe laquelle des parties d'entratnement Les fig. 4, 5 et 6 montrent des mécanismes dans lesquels la partie d'entratnement présente une capacité de manipulation des gaz considérablement supérieure à celle de l'un quelconque des générateurs de gaz qui lui est relié. Le mécanisme illustré à la fig. 1 comprend deux turbines à gaz sensiblement identiques et qui sont reliées par l'intermédiaire d'un engrenage 10 du type planétaire présentant un arbre d'entratnement de sortie 11. L'embrayage et les autres étages réducteurs sont respectivement réfé- rencés 12 et 13. Chaque turbine à gaz comporte un compresseur 14 et un premier rotor de turbine 16 fixé au même arbre 13 que le compresseur. Distincts du rotor et dans le même passage de l'écoulement gazeux en aval de ce dernier se trouvent deux autres rotors de turbine 17 et 18 dont les arbres sont reliés à l'engrenage 10 d'une manière connue en elle-même. Une chambre de combustion 19 (figurée en hachures) et un échangeur de chaleur 20 appartiennent à chacun des ensembles. Les deux arbres 15 du compresseur sont reliés entre eux par un engrenage 10 par l'intermédiaire d'un arbre de transmission interne 21 de sorte que, lorsque cela est nécessaire, la puissance peut être transférée vers le générateur de gaz ou, lors du freinage, cet élément peut emmagasiner l'énergie en excès. Dans "l'installation jumelée" illustrée à la fig. 1, le système de rotor est construit dans un carter commun, mais dans une forme de réalisation de base de linstallation ce sont des systèmes à air et gaz complètement distincts. Les ensembles à rotor et stator sont fabriqués sous une forme symétrique qui, lors de la fabrication, constitue une simple copie de modèles de moulages. Les autres composants sont identiques dans les deux ensembles, par exemple l'étage réducteur à arbre et engrenage ( & l'exception des éléments fous) ainsi que la chambre de combustion, l'schan- geur de chaleur y compris les éléments d'étanchéité, etc. L'ensemble de l'appareil d'alimentation en combustible et les accessoires, tels que le moteur de démarrage, le géné- rateur, la pompe à combustible, la pompe d'huile de lubrification ainsi que le système (électronique) de commande ou de contrôle sont communs et ne sont pas représentés au dessin Des roues libres, éventuellement verrouillables, sont introduites dans chaque ensemble d'entraînement, tant au niveau des éléments d'entraînement auxiliaires, à savoir l'étage réducteur à engrenages entre l'arbre du générateur à gaz et l'arbre de renvoi ou de rétroaction, qutau niveau de l'engrenage réducteur de la turbine dtentraSnement et/ou de la turbine auxiliaire. L'emplacement de ltéchangeur de chaleur est déterminé par les exigences d'installation et la place disponible. Les canalisations gazeuses des deux ensembles "jumelés" sont complètement distinctes, et les ensembles peuvent, par conséquent, être reliés et séparés indépendamment l'un de l'autre. Toute installation présente les mêmes composants jusqu'à environ 90 * L'ensemble de base inclus, il est possible de couvrir des puissances correspondant à N, 2N, 3N, (et 4N). En équipant l'ensemble d'entraînement avec un étage d'entrée supplémentaire vers le compresseur (dirigé vers l'intérieur axialement ou radialement), et certains autres réglages d'ordre secondaire, il est possible d'augmenter la puissance de l'ensemble de base (A) d'environ 50 % (B), de sorte que les ensembles sont toujours identiques jusqu'à environ 93 * Un ensemble unique de base donne ainsi les étages de puissance N (lA); 1,3N (lB); 2N (2A)g 2,3N (A+L); 3N (2B); 3,5N (2A+B); 4N (3A+2B) 4,5N (3B); 3,3N (A+3B)I 6N (4B). En commençant par un ensemble de base par exemple de 73 kW (100 ch), il est possible d'obtenir dix autres tailles de moteurs de 112,5 kW (150 ch), 130 kW (200 ch), 187,3 kW (230 ch), 225 kW (300 ch), etc. jusqu'à 450 kW (600 ch). Ceci nécessitera trois carters différents mais avec les mêmes sorties, les mêmes commandes, les mêmes liaisons boulonnées et liaisons aux échangeurs de chaleur, les mêmes chambres de combustion, etc. I1 est ainsi pos sible d'obtenir une production à haut rendement.Si on désire commencer avec un carter supplémentaire pour deux turbines, les séries de puissance 73 kW, 112,5 kW, 130 kW, 187,3 kW et 223 kW peuvent être couvertes avec les mêmes composants en ce qui concerne le reste de l'ensemble. Ainsi les frais de fabrication, l'usinage et l'outillage peuvent être divisés en cinq classes de puissance et il peut se trouver quelque vingt applications utilisant des installations uniques et jumelées. La terme de réalisation selon la fig. 1 permet une économie de charge particulièrement bonne car, par exemple, une charge totale de 30 % correspond à 100 * pour la pre- mitre demi-installation et correspond à une consommation en combustible faible à 1/2 charge. A 1/4 de charge on obtient environ la même économie que précédemment à 1/2 charge, etc. Dans la forme de réalisation selon la fig. 1 avec deux turbines auxiliaires 18, il est possible d'obtenir deux sorties supplémentaires de puissance, lesquelles peuvent être utilisées en même temps ou individuellement pour entratn-r un équipement particulier tel que, par exemple, un équipement hydraulique d'excavatrices, de bulldozers, de machines forestières, équipements de levage, etc. L'installation peut être équipée de deux ou de quatre échangeurs de chaleur, avec ou sans une disposition by-pass, selon le cycle de charge et de l'application envisagée. En tant que domaine d'utilisation il a précédemment été mentionné des ensembles lourds et on peut ajouter les machines de travaux publics tels que les déchargeurs, les machines forestières, les installations marines, les machines à moissonner, les tracteurs, les machines de construction, etc; mais, du fait de la bonne économie de charge, l'ensemble peut également être utilisé pour des véhicules automobiles de classe moyenne et supérieure, véhicules de sport et de course, autobus, autocars, véhicules de chemin de fer, etc. et pour des installations industrielles fixes ainsi que pour des installations de production d1énergie électrique. La fig. 2 montre une forme de réalisation présentant un gros générateur de gaz 14a, 16a, 19a (200 *) et deux petites turbines dentraSnement 17, 18 correspondant cha- cune à 100 *, à savoir la puissance nominale, par exemple 73 kW, comme précédemment. Les parties dtentratnoment sont exactement les mêmes qu'à la fig. 1, mais le générateur de gaz est dimensionné pour une puissance double (190 kW), ctest-à-dire qu'elle présente des dimensions linéaires qui ne sont que de 40 * environ plus important que l'ensemble de base.L'arbre de transmission interne 21a vers le gEné- rateur de gaz est ici relié aux deux ensembles dssentrat- nement par l'intermédiaire dtun étage réducteur à engrenage conique 23 et de roues libres 26, 27. Du fait qu'on obtient deux sorties deentratnement pila, cette forme de réalisation est bien appropriée à ltentratnement de deux roues distinctes ou de paires de roues (arbre). Le système de transmission interne comprend en outre des roues libres 28, 29 au niveau des deux engrenages 10 de chaque côté de ceux-ci, ce qui fait que lorsqu'une roue/paire de roues est entratnée en rotation,-une action de "verrouillage différentiel" est automatiquement obtenue, de sorte qu'une puissance additionnelle est automatiquement transférée vers l'autre roue/paire de roues, ou chenille, respectivement d'un véhicule à chenilles. Une autre application importante peut être divers types d'hélicoptères à deux rotors. Du fait que la partie dtentratnement est munie d'aubes de turbine 30 réglables, la distribution ou répartition de puissance peut être amenée à varier de manière continue entre les différentes roues/arbres de roues/chenilles. Ceci peut être obtenu de manière complètement automatique, par exemple, pour des véhicules tous terrains tant civils que militaires et les véhicules de construction, dans lesquels ce qui précède est de grande importance pour l'efficacité du véhicule. En ce qui concerne la charge, l'utilisation d'une géométrie variable au niveau des aubes de guidage de la turbine permet à la canalisation de gaz de l'ensemble d'entratnement (par exemple vers une paire de roues nement) d'être complètement fermée. De cette manière le courant gazeux est réduit, au plus, à la moitié du courant maximum lorsqu'on utilise les deux ensembles d'entraînement Dans de telles applications où un rendement de charge particulièrement bon est nécessaire, le compresseur du générateur de gaz peut être muni d'un diffuseur réglable et/ou d'aubes d'entrée, en plus des aubes réglables prévues à chaque rotor de turbine de la partie d'entraînement Les échangeurs de chaleur peuvent être de type tournant, ou fixe, et ils peuvent être montés de diverses manières par rapport au générateur de gaz. La chambre de combustion 19a est plus grande (200 %) dans l'ensemble de base, mais il est également possible d'avoir deux ensembles plus petits (puissance 100 *) (série A). Le système de commande et d'alimentation en combustible est le même que dans l'ensemble de base, à l'exception de la pompe à combustible qui nécessite une capacité de pompage double. Eventuellement, on peut utiliser deux pompes provenant de l'ensemble de base. Les systèmes d'asservissement (activateurs) de réglage des aubes de guidage des turbines dentratnement sont identiques. A la fig. 2, les arbres des parties d'entrainement sont disposés dans le prolongement l'un de leautre et sont perpendiculaires à l'arbre du générateur de gaz. Comme on le voit à la fig. 3, il est également possible de disposer tous les arbres de turbine en parallèle. A la fig. 3 on a utilisé les m8mes références qu'à la fig. 2, mais il existe un certain nombre de modifications concernant arbre de transmission interne 21b qui comporte ici un étage de transmission 31 continûment variable. La disposition selon la fig. 3 implique qu'il soit possible d'utiliser la simplification du côté de la turbine d'entraînement et d'obtenir également un seul arbre de "rétroaction" commun pour le générateur de gaz et les deux turbines d'entraînement L'ensemble d'échange de chaleur peut comprendre un ensemble plus grand ou deux ensembles plus petits présentant un courant gazeux et un courant d'air qui sont communs. Ceci nécessite que les aubes de guidage d'une turbine dentratnement puissent pratiquement être fermées complètement lorsque l'autre turbine fonctionne. Eventuellement, un ensemble dentratnement est utilisé pour les appareils auxiliaires de sorte que l'énergie restante est récupérée, et que la chaleur est prélevée dans léchan- geur de chaleur. Dans certaines installations, il peut être souhaitable, comme aux fig. 4 et 6, de prévoir la disposition de manière arrondie et d'avoir deux générateurs de gaz ou plus pour une partie d'entraînement plus grande. En ce qui concerne le reste des composants ceux-ci sont les mêmes et les parties du générateur de gaz sont reférencées 14, 16, 19, alers que les rotors de la partie dtentraSnement sont référencés 10 et que arbre de transmission interne est référencé 21. Etant donné que les générateurs de gaz identiques recouvrent chacun la moitié de la puissance nominale de l'installation, le côté du générateur de gaz peut être actionné avec un bon rendement également à faible charge, de préférence du fait que la puissance dentratnement du compresseur est le facteur le plus déterminant. Etant donné également que la turbine drentraSnement et de préférence également la turbine auxiliaire présentent des aubes de guidage de turbine variables, il est possible d'entrainer avec un bon rendement l'ensemble à faible charge et à faibles vitesses. Une condition nécessaire pour la disposition selon l'invention est tout d'abord que la sortie de chaque générateur de gaz puisse être fermée, et d'autre part que le diffuseur des gaz d'échappement soit divisé en deux sorties de gaz pouvant être fermées, de sorte que les gaz provenant du générateur de gaz de travail sont amenés à force à traverser la turbine drentratnement commune, et ne peuvent pas passer vers l'arrière à travers le second générateur de gaz fermé. Ceci peut être obtenu de diverses manières, par exemple à l'aide d'une vanne (non représentée) qui peut être réglée dans trois positions différentes, à savoir fermant lun des générateurs de gaz et laissant l'autre ouvert, et les laissant tous les deux ouverts. Une disposition de fermeture simple à vanne de fermeture 40 pour chaque générateur de gaz est illustrée à la fig. 4. Les deux générateurs de gaz 41, 42 sont reliés par une volute jumelle 43 qui est elle-même reliée à l'entrée de la partie d'entratnement 44. Les arbres des générateurs de gaz se trouvent alors dans un plan coïncidant sensible- ment avec le plan du stator d'entrée du rotor 17 de la première turbine d'entraineient. La fig. 6 montre une forme de réalisation présentant deux générateurs de gaz à arbre parallèle et un arbre de "rétroaction" 21 central et commun. L'étage réducteur à engrenage du générateur de gaz présente des éléments fous incorporés pour permettre un fonctionnement individuel ainsi qu'un fonctionnement commun. Pour les mêmes raisons on trouve deux vannes de réglage 30, une vanne dans chaque sortie des générateurs de gaz, pour la fermeture et respectivement l'ouverture, d'une manière correspondant à ce qui a été décrit en liaison avec la fig. 3. Pour le fonctionnement de l'entraSnement avec un seul générateur de gaz, il est nécessaire, comme prEcédem- ment, que la volute d'échappement (diffuseur) soit divisée en deux segments, et qu'il existe au moins un échangeur de chaleur 20 et une chambre de combustion 19 pour chaque générateur de gaz. Ceci implique qu'aucune chaleur des gaz d'échappement ntest perdue, ce qui, sinon, aurait pour résultat un rendement réduit, et de plus on évite que le système d'échange de chaleur et d'étanchéité soit surchauffé. De manière à fermer des parties du mécanisme, il est souhaitable de motter des roues libres à différents emplacements de telle sorte que des arbres des parties déconnectées ne soient pas entratnés en rotation. Des appareils de commande ou des vannes de divers types ainsi que des canalisations en liaison avec ceux-ci peuvent être formés de diverses façons et montés là où la place le permet. Des organes de préchauffage d'air peuvent être prévus fixes ou en rotation, et on peut en prévoir un ou plusieurs pour chaque mécanisme. S.il existe un seul organe de préchauffage d'air pour deux générateurs de gaz, cet organe de préchauffage unique doit être divisé en deux parties pour que les passages dair soient séparés. Les modes de réalisation décrits et représentés aux dessins doivent être considérés comme des exemples, et les composants qui en font partie peuvent être modifiés de différentes manières tout en restant dans le champ de lin- vention. Quand il y a des demandes d'installations spécifiques, il est alors possible d'utiliser l'espace disponible pour réaliser des économies de carburants et obtenir un faible taux d'émission et/ou un faible poids. REVENDICATIONS 1 - Mécanisme de turbine à gaz du type où un ensemble d'entratnerent comprend trois rotors de turbine dont un (16) est monté sur le même arbre (vis) que le compresseur (14) d'un générateur de gaz de ensemble, et deux autres rotors (17, 18) qui sont montés en série dans le courant gazeux constituent une partie d'entraînement qui est reliée à un arbre d'entrainement de sortie (11) par l'intermédiaire d'un engrenage ainsi qu'à l'arbre du compresseur (15) par l'intermédiaire d'une transmission interne (21), caractérisé en ce que les rotors (16, 17, 18) du générateur de gaz et/ou la partie dentratnement sont doublés pour un courant de gaz parallèle, et en ce que la transmission comprend un arbre de transmission interne commun (21) entre l'engrenage (10) et le générateur de gaz. 2 - Mécanisme de turbine à gaz selon la revendication 1, caractérisé en ce que les rotors (16, 17, 18) du générateur de gaz et de la partie d'entratnement présentent une capacité de manipulation des gaz sensiblement comparable et en ce que les deux jeux de rotors sont doublés. 3 - Mécanisme de turbine à gaz selon la revendication 1, caractérisé en ce que les rotera (17, 18) de la partie d'entratnement présentent une capacité de manipu- lation des gaz considérablement plus importante que le rotor (16) du générateur de gaz, et en ce qu'au moins deux générateurs de gaz sont reliés à la même partie d'entrat- nement. 4 - Mécanisme de turbine à gaz selon la revendication 3, caractérisé en ce que les arbres des rotors des générateurs de gaz sont montés dans le prolongement l'un de l'autre, perpendiculairement par rapport au système d'arbre du rotor de la partie d'entraînement. 5 - Mécanisme de turbine à gaz selon la revendication 4, caractérisé en ce que les arbres des rotors des générateurs de gaz sont montés sensiblement dans le plan de la volute d'entrée (43) du rotor de la première turbine dentratnement 6 - Mécanisme de turbine à gaz selon la revendication 3, caractérisé en ce que les arbres des rotors des générateurs de gaz sont parallèles au système d'arbre du rotor de la partie d'entrainement. 7 - Mécanisme de turbine à gaz selon l'une des revendications 9 ou 6, caractérisé en ce qu'on forme des canalisations de transition entre les générateurs de gaz et la partie dentraSnement, et en ce que ces canalisa- tions comprennent des éléments de fermeture (40, 50) de telle manière qutun générateur de gaz individuel puisse temporairement être fermé. 8 - Mécanisme de turbine à gaz selon la revendication 1, caractérisé en ce que le rotor de turbine (16a) du générateur de gaz présente une capacité de manipulation des gaz considérablement plus importante que les rotors (17, 18) de la partie dwentratnement, et en ce que les deux parties dentratnement sont reliées au même générateur de gaz. 9 - Mécanisme de turbine à gaz selon la revendication 7, caractérisé en ce que les deux parties dentrat- nement sont montées avec leur système d'arbre de rotor dans le prolongement l'un de l'autre, les sorties des arbres d'entratnement (lia) se trouvant dans des directions opposées. 10 - Mécanisme de turbine à gaz selon la revendication 7, caractérisé en ce que les parties deentratnement sont montées avec leurs systèmes d'arbres de rotors en parallèle et parallèles à l'arbre du rotor du générateur de gaz.