Brevet FR2503791A1 — publié le 19821015

La presente invention se rapporte à des turbines dans lesquelles des combustibles gazeux arrivent dans une chambre de combustion et y sont brûlés, les gaz de combustion résultants servant à entrainer un organe de sortie d'énergie. La demande de brevet en cours FR 78 33252 propose une unité de combustion pouvant fonctionner au combustible gazeux et à laquelle est incorporé un agencement d'amenée de gaz ap proprié. Cette unité s'est révélée commercialement intéressante et l'inventeur a poursuivi sa mise au point pour en améliorer le rendement et lui permettre d'utiliser differents types de soupapes de commande de manière efficace. Suivant l'invention, il est prévu une turbine destinée à utiliser du combustible gazeux, l'unité comportant une chambre de combustion ; un compresseur pour l'envoi d'air à la chambre de combustion ; un moyen d'amenée de gaz pour l'envoi à la chambre de combustion de combustible gazeux destiné à brûler dans l'air ; un moyen d'inflammation de fluides combustibles situé dans la chambre de combustion ; et un moyen de sortie d'énergie pouvant être entrainé par les gaz de combustion résultants, caractérisée en ce que le moyen d'amenée de gaz comprend au moins une buse destinée à projeter ou combustible gazeux dans l'air arrivant dans la chambre de combustion, en direction de la région du moyen d'inflammation de fluides combustibles et à l'opposé du sens d'écoulement d'une partie au moins de rair, à une vitesse supérieure à celle d'écoulement de l'air au voisinage de la buse. La ou chaque buse peut avoir toute forme appropriée, mais présente avantageusement une sortie à section non circulaire de largeur sensiblement supérieure à son épaisseur et peut être disposée de façon à faire passer une couche aplatie de combustible gazeux devant le moyen d'inflanmìation de fluides combustibles. En outre, la buse ou l'une au moins des buses peut comporter un orifice de soutirage pour laisser du gaz pénétrer dans la chambre separement du courant principal de gaz arrivait à avers la buse.Une proportion allant jusqu'à 40 du gz eut passer de la buse dans la charre travers cet orifIce La char t re de combustion peut être tubulaire et munle d'un collecteur à une extrémité et le compresseur peut être agencé pour envoyer de l'air au collecteur par un trajet d'arrivée d'air. Le moyen d'amenée de gaz peut alors envoyer le combustible gazeux se mélanger avec de l'air dans la chambre de combustion en aval du collecteur. Une proportion limitée du combustible gazeux peut arriver directement dans la chambre de combustion à travers une ou plus d'une buse secondaire, tandis que la majeure partie du combustible gazeux peut arriver à travers une ou plus d'une buse primaire. On a constaté expérimentalement qu'en utilisant des buses primaire(s) et secondaire(s) disposées de part et d'autre du moyen d'inflammation de fluides combustibles, on peut rendre la combustion beaucoup plus efficace qu'avec une seule buse d'arrivée de gaz, et que la combustion peut alors apparaître sur un front relativement large disposé en travers de la chambre de combustion. L'unité peut comprendre une enveloppe primaire comportant des parois extérieure et intérieure qui définissent la chambre de combustion, le collecteur étant monté sur la paroi extérieure et le trajet d'arrivée d'air étant ménagé entre les parois intérieure et extérieure. Des ouvertures peuvent être ménagées en des endroits appropriés dans la paroi intérieure pour permettre l'arrivée d'air dans la chambre de combustion. En prévoyant le trajet d'arrivée d'air entre les parois intérieure et extérieure, on permet en outre à l'air de subir un préchauffage le long de la paroi intérieure. Avec cet agencement, on peut monter au moins une buse sur la partie de la paroi intérieure située à l'extrémité de la chambre, et au moins une autre buse dans une partie périphérique de la paroi intérieure. Le moyen de sortie d'énergie peut comprendre un rotor prévu à l'extrémité de la chambre de combustion opposée au collecteur pour tourner sous l'effet des gaz de combustion sortant de la chambre de combustion. Le rotor peut tourner dans une chambre de rotor autour d'un axe sensiblement perpendiculaire à celui de la chambre de combustion, mais décalé par rapport à ce dernier, la charre de combustion déoucnt non radialement dans la chambre de roter pour que les gaz de combustion se heurtent au rotor afin de le faire tourneur. Une serie de pales peuvent être placées sur le pourtcur du rotor et s'étendre suivant l'axe du rotor avec la courbure voulue pour dévier les gaz de combustion vers un diffuseur formant une sortie à partir de la chambre de rotor.Dans une réalisation expérimentale concrète de l'unité comportant des buses primaire(s) et secondaire(s), on a constaté que les gaz d'échappement de l'unité comportaient peu de combustible gazeux, ce qui indiquait I'efficacité de la combustion. Selon l'un de ses aspects, l'invention couvre encore une unité de combustion comprenant une chambre de combustion tubulaire ; un collecteur situé à une extrémité de la chambre un trajet d'arrivée d'air pour l'amenée d'air au collecteur un compresseur pour l'envoi d'air au collecteur, par le trajet d'arrivée d'air ; un moyen d'amenée de gaz pour envoyer directement du gaz combustible dans la chambre de combustion afin qu'il s'y mélange avec l'air provenant dudit trajet d'arrivée; un moyen pour enflammer le mélange air-gaz dans la chambre de combustion ; et un rotor situé à une extrémité opposée de la chambre de combustion pour tourner sous l'effet des gaz de combustion arrivant de cette chambre1 caractérisée en ce que le moyen d' amenée de gaz comprend au moins une buse destinée à projeter du gaz combustible à l'opposé du rotor et vers la région du moyen d'inflammation du mélange air-gaz. On va maintenant décrire à titre d'exemple un mode de réalisation de l'invention en se référant aux dessins schématiques annexés, sur lesquels - la figure 1 représente un moteur à turbine à gaz sans son réseau d'amenée de combustible - la figure 2 est une vue partielle de ce moteur, en coupe suivant la ligne II-II de la figure 1 - la figure 3 est une vue de la machine en coupe suivant l'axe 15 de la figure 2 - la figure 4 représente un détail du moteur - la figure 5 est une vue partielle d'un moteur légère -ment modifié , et - la figure 6 représente une soupape de commande. Le moteur représenté sur les figures 1 à 4 comprend une turbine T qui est une version modifiée de la machine de combustion Diesel Klöckner-Huboldt-Deutz A.G. T164 ou T216. La turbine comporte une enveloppe 10 qui contient une chambre de rotor 12 et une chambre de combustion 14 qui s'étend suivant un axe 15 pour fournir des gaz d'entraînement à un rotor 16 monté dans la chambre de rotor. Un compresseur 18 est accouplé au rotor pour être entraîné avec lui et est destiné à alimenter la chambre de combustion en air comprimé. Un engrenage réducteur 20 est accouplé à l'arbre 22 sur lequel est monté le rotor et peut ainsi être mû par le rotor. L'arbre 22 est centré sur un axe 21 perpendiculaire à l'axe 15, mais décalé par rapport à lui. Un moteur de démarrage 24 est accouplé à une poulie 26, saillant sur la boite d'engrenage 16, par une courroie de ventilateur 28. Une batterie d'accumulateurs 30 est prévue pour entraîner initialement le moteur de démarrage et est chargée en service par un alternateur 25. Un dispositif d'allumage électronique 38 est prévu pour appliquer par intermittence une haute tension à une bougie d'allumage 40. D'une manière plus détaillée, l'enveloppe 10 comporte une partie cylindrique primaire 44 qui présente une paroi extérieure 46. La chambre de combustion présente une paroi intérieure perforée 48, à extrémité fermée, percée de trous 49 et séparée de la paroi extérieure par un trajet d'air annulaire 50. Un grand nombre de trous 49 sont perces dans l'extrémité de cette paroi. De l'air peut pénétrer dans la chambre 14 à travers les trous de la paroi 48. Comme représenté, la paroi 48 s'étrangle légèrement vers la chambre de rotor 12. La chambre de combustion 14 est reliée à la chambre de rotor par une entrée de chambre de rotor 52 qui débouche non radialement dans la chambre de rotor. La partie cylindrique primaire 44 de l'enveloppe est coiffée par un collecteur bombé 54, fixé à la paroi 46 par des brides 56 et qui présente aussi des trous 49. En fait, le collecteur 54 définit un tronçon du trajet d'écoulement 50 que 1' air peut emprunter avant de pénétrer dans la chambre de combustion. Le compresseur 18 est logé dans une enveloppe filtrante 58. I1 comporte un rotor de compresseur 60 à pales, monté sur l'arbre 22, et un carter d'admission de compresseur 62 (figure 3) qui entoure le rotor de compresseur 60. Le compresseur est conçu pour attirer de l'air à travers l'enveloppe 10, lui fai re franchir la chambre de rotor 12 à travers l'interstice annulaire 65 et l'envoyer sur le trajet d'écoulement 50 de fa çon que l'air préchauffe pénètre dans la chambre de combustion 14. La chambre de rotor 12 contient un aubage directeur de turbine 64 disposé dans l'enveloppe de rotor de façon que les gaz de combustion arrivant de la chambre de combustion longent un trajet arqué 67 à section diminuant progressivement et soient contraints de passer entre les aubes 66 de l'aubage directeur. Le rotor 16 comporte des pales 68 ayant, comme représenté sur la figure 3, la courbure voulue pour agir efficacement lorsqu'elles sont heurtées par les gaz s'écoulant entre les aubes 66. Un diffuseur 70 constitue la sortie de la chambre de rotor et les gaz qui s'écoulent entre les aubes et franchissent les pales du rotor sont contraints de sortir de la chambre de rotor à travers le diffuseur 70. Pour alimenter la chambre de combustion en gaz combustible, des buses primaire 72 et secondaire 74 sont respectivement fixées dans la paroi 46 et dans le collecteur 54. Ces buses font saillie à travers la paroi 48 et sont conçues pour amener du combustible gazeux dans la chambre de combustion. Les buses sont reliées à une source de combustible gazeux à faible pouvoir calorifique, ici méthane, par des conduits d' arrivée 76 qui se rejoignent par un té 78. Ces conduits d'arrivée sont reliés à une soupape de commande 80. Une valve d' alimentation 81 est disposée en amont de la soupape de commande pour régler l'envoi de gaz à la soupape 80. Les buses 72 et 74 sont formées de tuyaux coudés présentant des extrémité aplaties dont chacune définit une sortie de largeur sensiblement supérieure à son épaisseur, comme représenté sur la figure 5. Chaque sortie a une largeur au moins doubie de son épaisseur afin que les buses projettent le combustible gazeux en couches aplaties. Les buses sont disposées de façon que chacune d'elles projette une couche de combustible gazeux en travers du moyen d'inflammation constitué par l'extrémité active de la bougie d'allumage 4C. Pour assurer une arrivée de gaz adéquate à la soupape de commande 8C, et ainsi à la chambre de combustion, il faut prévoir un réseau de gaz sous pression assurant une arrivée de gaz sensiblement constante. En fonctionnement, la marche du rotor et du compresseur est amorcée par le moteur de démarrage. Le combustible gazeux traverse alors la soupape dé commande et atteint finalement les buses 72 et 74. La buse 72 le dirige specifiquement à l'encontre de l'air arrivant par le trajet d'écoulement 50 et par les trous percés dans l'extrémité de la chambre de combustion, à une vitesse supérieure à celle que l'air présente te au niveau de la buse 72. Les buses dirigent le combustible gazeux vers les bougies d'allumage 40, qui émettent par intermittence des étincelles sont l'effet du dispositif d'allumage électronique et enflamment le mélange gaz-air résultant dans la chambre de combustion 14.En raison de la manière dont le mélange est assuré dans la chambre 14, la combustion a lieu sur un front relativement large, même avec des combustibles à faibles pouvoirs calorifiques, ce qui assure une combustion efficace dans la chambre 14. Les gaz en combustion passent dans la chambre de rotor et entre les aubes 66 de façon à heurter les pales du rotor 16 et à faire tourner ce dernier. La vitesse de rotation du rotor ajustée par la valve d' alimentation 81 peut être relativement rapide grâce à la structure particulière du moteur. Bien que le moteur à turbine décrit puisse fonctionner efficacement au gaz méthane, le choix concret du gaz dépend des applications particulières et des disponibilités du marché. Bien que le moteur décrit ne comporte qu'une seule buse primaire 72, il est possible de prévoir plusieurs buses primaires 72, comme représenté avec grossissement sur la figure 5, ce qui est particulièrement avantageux avec des turbines de dimensions importantes. Bien que les buses primaires soient représentées au nombre de trois seulement, on peut les prévoir en tout nombre approprié. On peut disposer si besoin est des buses 74 et bougies 40 secondaires (non représentées sur la figure 5). Du gaz combustible arrive aux buses 72 de la figure 5, par les conduits d'arrivée 76, à partir d'un distributeur 82 monté entre les conduits 76 et la soupape de commande 80. Ce distributeur peut être lui-même un régulateur de pression ne laissant du gaz pénétrer dans les conduits d'arrivée 76 que dans des conditions de pression convenables. Les conduits d' arrivée sont de même longueur, le distributeur 82 étant situé au-dessus du collecteur 54 (non représenté sur la figure 5). Bien que les buses 72--soient dirigées vers le collecteur 54, on peut y prévoir des trous dirigés à l'opposé des débouchés principaux des buses, par exemple percés dans les coudes des buses 72, pour permettre au gaz combustible de quitter,à concurrence de 40%,les buses par ces trous et de mieux se répartir dans l'ensemble de la chambre de combustion. La soupape 80 de commande du moteur à turbine à gaz peut être une soupape telle que la soupape 80 décrite dans la demande de brevet FR 78 33252 précitée. En variante, elle peut être une soupape du genre représenté à titre d'exemple sur la figure 6. La soupape de commande 80 représenté sur la figure 6 comporte un corps de soupape définissant une chambre de commande 84 à section circulaire. Une paroi d'extrémité 86 de la soupape 80 est vissée dans le corps de soupape. La paroi d'extrémité 86 définit en partie une chambre de soutirage 85 et constitue un guide obturateur 88. Un obturateur creux 90 est logé hermétiquement à coulissement dans le guide 88 qui définit une autre paroi de la chambre de soutirage 85 pour isoler de la chambre de commande 84 certaines surfaces de l'obturateur. La chambre de soutirage 85 est mise à l'atmosphère par des trous ou passages de soutirage 87, une chambre de soutirage secondaire 89 et un passage de soutirage secondaire 91, de sorte que lesdites surfaces isolées de l'obturateur sont soumises à la pression atmosphérique.La chambre 89 et le passage 91 sont ménagés dans une pièce d'extrémité 93 boulonnée sur la paroi d'extrémité 86. L'obturateur présente une extrémité tronconique 92 située en face d'un siège de soupape tronconique complémentaire 94, ménagé dans la paroi d'extrémité 96 du corps de soupape opposée à la paroi 86. Les dimensions de l'obturateur 90 et du guide 88 sont telles que l'obturateur soit emprisonné dans le guide 88. Le siège de soupape 94 entoure une extrémité d'un passage d'alimentation 98 relié au conduit d'arrivée 76 et qui peut être intercepté par l'extrémité 92 de l'obturateur. La chambre de soutirage 85 contient un ressort 100 qui sollicite élastiquement l'obturateur vers une position de fermeture du passage 98. Le ressort est captif entre un épaulement intérieur 101 de l'obturateur 90 et un siège de ressort mobile 102, et entoure un bossage 103 saillant sur ce siège 102. Des passages de soutirage 105 traversent le bossage 103 pour établir une communication de fluide entre l'intérieur creux de l'obturateur 90 et la chambre de soutirage 85. On peut rapprocher ou écarter le siège de ressort 102 du siège de soupape 94 au moyen d'un goujon fileté 104, vissé dans un taraudage de la paroi d'extrémité 86 et qui agit contre le siège de ressort, après avoir déposé la pièce d'extrémité 93. Il est ainsi possible d'ajuster l'effet exercé par le ressort sur l'obturateur. De cette manière, on peut régler la soupape de commande pour qu'elle s'ouvre à l'apparition d' une pression de gaz souhaitée dans la ligne d'alimentation et prenne des degrés d'ouverture variables selon la pression de gaz. Des taraudages 106, destinés à recevoir des embouts de sortie appropriés (non représentés) sont ménagés dans la paroi d'extrémité 86 et sont angulairement équidistants autour de l'axe de l'obturateur 90. Ces embouts de sortie servent de raccords pour relier la soupape de commande à un ou plusieurs conduits d'arrivée. Dans la présente réalisation, il est prévu huit embouts de sortie angulairement équidistants, tous reliés au conduit d'arrivée 76 pour un collecteur (non représenté) en communication de fluide avec tous les raccords de sortie. Toutefois, le nombre d'embouts de sortie peut varier et les embouts peuvent être reliés à tout nombre préfixé approprié d' unités exigeant du combustible gazeux. La grandeur de la soupape de commande peut être ajustée en conséquence. Quand la marche du rotor et du compresseur est amorcée par le moteur de démarrage et que du gaz combustible arrive dans la chambre de commande 84, à partir du réseau d'alimentation en gaz, par ouverture de la valve 81, l'obturateur 90 est écarté du siège de soupape 94 par la pression du gaz combustible en cours d'arrivée dans la chambre 84. L'effet exercé par le ressort 100 et par la pression atmosphérique sur l'obturateur 90 règle le déplacement de ce dernier. Le gaz franchit cet obturateur et les embouts de sortie et atteint finalement les buses 72 et 74. REVENDICATIONS 1. Turbine destinée à utiliser du combustible gazeux, 1' unité comportant une chambre de combustion ; un compresseur pour l'envoi d'air à la chambre de combustion ; un moyen d' amenée de gaz pour l'envoi à la chambre de combustion de combustible gazeux destiné à brûler dans l'air ; un moyen d'inflammation de fluides combustibles situé dans la chambre de combustion; et un moyen de sortie d'énergie pouvant être entraîné par les gaz de combustion résultants, caractérisée en ce que le moyen d'amenée de gaz comprend au moins une buse (72) destinée à projeter du combustible gazeux dans l'air arrivant dans la chambre de combustion (14), en direction de la région du moyen d'inflammation de fluides corbustibles et à l'opposé du sens d'écoulement d'une partie au moins de l'air, à une vitesse supérieure à celle d'écoulement de l'air au voisinage de la buse. 2. Turbine selon la revendication 1, caractérisée en ce que la ou chaque buse (72) présente une sortie à section non circulaire (figure 4) sensiblement plus large qu'épaisse de sorte qu'une couche aplatie de combustible gazeux féfile devant le moyen (40) d'inflammation de combustibles fluides. 3. Turbine selon la revendication 1 ou 2, caractérisée en ce que ladite ou au moins une susdite buse (72) comporte un orifice de soutirage en un endroit espacé du débouché de buse afin que du gaz puisse pénétrer dans la chambre indépen dampent du courant principal de gaz arrivant à travers la buse. 4. Turbine selon la revendication 1, 2 ou 3, caractérisée en ce que la chambre de combustion (14) est tubulaire et comporte un collecteur à une extrémité, le compresseur (18) étant propre à alimenter le collecteur en air par un trajet d'arrivée d'air (50), et le moyen d'amenée de gaz étant propre à faire arriver du combustible gazeux à mélanger avec de l'air dans la chambre de combustion en aval du collecteur. 5. Turbine selon la revendication 5, caractérisée en ce qu'elle comporte une enveloppe primaire présentant des parois extérieure (46) et intérieure (48) définissant la chambre de combustion (14), un collecteur (54) étant monté sur la paroi extérieure et le trajet d'arrivée d'air (50) étant ménagé entre les parois intérieure et extérieure. 6. Turbine selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce que le moyen d'amenée de gaz comprend des buses primaire et secondaire (74, 72) disposées de part et d'autre du moyen (40) d'inflammation de fluides combustibles. 7Turbine selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce que le moyen d'amenée de gaz comporte une soupape de commande qui comprend une chambre de commande (84), un passage d'admission (98) débouchant dans la chambre de commande, un siège de soupape (94) qui entoure une extrémité du passage d'admission voisine de la chambre de commande, un obturateur (90) qui peut se rapprocher et s'écarter du siège de soupape et présente une ou plus d'une surface sensiblement isolée de la chambre de commande, un guideobturateur (88) destiné à guider l'obturateur lorsqu'il se rapproche et s'écarte du siège de soupape, un moyen (100) sollicitant élastiquement l'obturateur vers le siege de soupape pour fermer le passage d'admission, et au moins une sortie (106) desservant la chambre de commande, la soupape de commande étant conçue pour permettre de soumettre lesdites surfaces isolées de l'obturateur à la pression d'une source de gaz relativement importante. 8. Turbine selon la revendication 7, caractérisée en ce que l'obturateur pénètre de façon sensiblement étanche dans le guide-obturateur et définit en partie une chambre de soutirage (85) adjacente à la partie de l'obturateur isolée de la chambre de commande. 9. Turbine selon la revendication 8, caractérisée en ce que la chambre de soutirage est reliée à l'atmosphère, de sorte que les surfaces isolées de l'obturateur sont exposées à la pression atmosphérique.