Brevet FR2524065A1 — publié le 19830930

Turbine à gaz perfectionnée La présente invention se rapporte à une turbine à gaz, en particulier à une turbine à gaz d'échappement pour entraîner un compresseur de suralimentation de moteurs à combustion interne. I1 est connu que la vitesse de rotation de la turbine entraînée par les gaz d'échappement et la vitesse de rotation du compresseur de suralimentation dépendent du régime du moteur. Or, le compresseur, notamment lorsqu'il s'agit d'un compresseur centrifuge, ne présente un bon rendement que dans une plage de fonctionnement déterminée. I1 est également connu que la contre-pression des gaz d'échappement due à la turbine augmente la consommation de combustible et affecte les performances du moteur. Plusieurs solutions ont été envisagées pour réduire la dépendance de la vitesse de rotation des turbocompresseurs de suralimentation vis-àvis du régime des moteurs à combustion interne. Ces solutions sont basées essentiellement sur une augmentation du rendement de la turbine et donc de celui du compresseur par la variation de la section d'entrée des gaz d'échappement. On peut citer par exemple la turbine à dérivation partielle des gaz d'échappement à soupape de décharge, la turbine équipée d'un distributeur à aubes réglables et la turbine à volute variable. Les inconvénients de la turbine à dérivation partielle des gaz sont les pertes d'énergie et l'augmentation de la consommation de combustible aux régimes élevés du moteur ; ceux de la turbine à distributeur à aubes réglables sont un grand encombrement, un poids élevé et un coût important.La turbine à volute variable présente des difficultés de réalisation d'une volute idéale permettant une grande variation de sections d'écoulement. De plus, ces turbines ne présentent pas un bon rendement dans une large plage de débits de gaz d'entraînement de la turbine et, dans le cas d'un turbocompresseur de suralimentation, ne permettent pas une suralimentation optimale du moteur par le compresseur entraîné par la turbine à gaz d'échappement dans une large plage de régimes du moteur. La présente invention propose une turbine à gaz, en particulier une turbine à gaz d'échappement pour l'entraînement d'un compresseur de suralimentation de moteurs à combustion interne qui remédie aux inconvénients des turbines précitées. Cette turbine comprend une roue de turbine tournant à l'intérieur d'un carter. Ce carter presente une ouverture d'entrée de gaz d'entraînement débouchant à l'intérieur du carter suivant une direction sensiblement tangentielle à cette roue et une volute pour guider la veine d'écoulement des gaz d'entraînement sur la périphérie de la roue. Elle comporte aussi des moyens réglables définissant la section d'entrée des gaz et permettant de contrôler de l'extérieur la section d'entrée de ces gaz. Conformément à l'invention, les moyens réglables qui définissent la section d'entrée des gaz sont constitués par un masque escamotable qui peut coulisser au voisinage immédiat de la périphérie de la roue dans une rainure interne du carter de turbine entre une position escamotée et une position de masquage maximal correspondant respectivement aux sections maximale et minimale d'entrée des gaz. Cette disposition permet de conserver une volute de forme idéale avec, par exemple, des sections de passage arrondies. Elle permet ainsi de modifier la section d'entrée des gaz vers la roue de turbine sans affecter l'aspect aérodynamique de ces gaz. I1 s'avère possible, par le déplacement du masque escamotable, de réduire ou d'augmenter à volonté la section d'entrée des gaz d'entraînement, c'est-à-dire d'augmenter ou de réduire la vitesse d'écoulement de ces gaz et, de ce fait, la vitesse de rotation de la turbine indépendamment du débit des gaz d'entraînement. Dans le cas d'une turbine entraînant un compresseur de suralimentation, il est ainsi possible de faire varier à volonté la vitesse de rotation de la turbine et du compresseur, c'est-à-dire le débit d'air de suralimentation du moteur, à tous les régimes du moteur. I1 est donc facile d'obtenir une grande variation de section d'entrée des gaz d'échappement. Cette variation de section peut être encore augmentée par l'augmentation de la convergence de la volute. Différents modes de réalisation peuvent être envisagés dans le cadre de la présente invention pour le masque définissant la volute du carter de la turbine et pour la commande de ce masque. L'invention est expliquée plus en détail ci-après à l'aide de trois modes de réalisation, pris à titre illustratif mais nullement limitatif, en se référant aux dessins annexés dans lesquels - la figure I est une coupe axiale d'un premier mode de réalisation d'une turbine conforme à l'invention. - La figure 2 est une section suivant AA de la figure I. - La figure 3 est une section suivant BB de la figure 1. - La figure 4 est une coupe axiale d'un second mode de réalisation d'une turbine conforme à l'invention. - La figure 5 est une section suivant AA de la figure 4. - Les figures 6, 7 et 8 sont des vues montrant trois positions du masque visible sur les figures 4 et 5. - La figure 9 est une coupe axiale d'un troisième mode de réalisation d'une turbine conforme à l'invention. La turbine illustrée par les figures 1, 2 et 3 comprend un carter 2 et une roue 4. Le carter 2 présente une tubulure d'entrée 6 par laquelle pénètrent les gaz d'entraînement de la roue 4 suivant une direction sensiblement tangentielle à celle-ci. Le profil interne en volute du carter 2 définit avec la roue 4 une section d'écoulement qui se rétrécit, dans le sens de rotation 8 de cette roue, à partir de la section d'entrée maximale Smaxi correspondant au point L sur un tour complet de la roue en passant par la section d'entrée minimale Smini correspondant au point J. Un masque constitué par une bande métallique 10 de faible épaisseur est guidé dans une rainure circulaire 14 ménagée dans le carter 2 de turbine à un jeu convenable de la périphérie de la roue 4, Cette rainure décrit une surface cylindrique IJ dont l'axe 00' est décalé de l'axe de la roue 4. Comme le montrent les figures 1 et 3, une fente axiale 16 qui débouche à l'extérieur du carter 2 s'tend en longueur sur un arc IK situé en amont du point L correspondant à la section maximale d'admission des gaz. Un levier de commande 20 solidaire de la bande 10 coulisse dans cette fente 16, entre deux positions de butée I et K correspondant respectivement aux positions extrêmes d'escamotage L et de masquage maximal de cette bande. Le second mode de réalisation de la turbine représenté aux figures 4 à 8 montre un masque constitué par une bande métallique 30 de faible épaisseur. Cette bande 30 est guidée dans une rainure latérale 34 ménagée dans le carter 35 de la turbinera un jeu convenable de la périphérie de la roue 38. Cette rainure débouche d'un côté du carter 35 à l'extérieur de la turbine et présente un profil circulaire ou spirale JL représenté à la figure 4. La bande préformée 30 présente une première partie d'extrémité constituée par un bord oblique 32 et une seconde partie d'extrémité formée par un levier de commande extérieur 36. Les figures 6, 8 et 7 représentent respectivement là bande 30 dans deux positions extrêmes et une position intermédiaire permettant de régler la section d'entrée des gaz d'entraînement de la roue 38. La bande métallique 30 peut être remplacée par une série de segments métalliques à bords obliques que l'on déplace successivement. Le troisième mode de réalisation de la turbine illustré par la figure 9 diffère, d'une part, des deux précédents en ce que le masque est constitué par une bande métallique et élastique 40 au lieu des bandes métalliques préformées et rigides 10 et 30. D'autre part, il en diffère par le fait que cette bande coulisse dans une rainure interne 44 comportant une partie L! noyée dans le carter 42 de turbine en plus de la partie courbe JL. Cette rainure 44 présente une section semblable à celle qui est représentée à la figure 2. La bande 40 est formée d'une seule pièce ou d'une série d'éléments articulés ; sa longueur est suffisante pour qu'un organe de commande extérieur 48 puisse la déplacer entre les points J et L correspondant respectivement aux sections d'entrée minimale et maximale des gaz. La turbine à gaz décrite précédemment fonctionne de la manière suivante Le masque 10, 30, 40 peut être déplacé suivant l'un des modes de réalisation décrits dans la rainure circulaire 14, la rainure transversale 34 ou la rainure interne 44, au moyen d'un organe de réglage constitué respectivement par le levier 20, le levier 36 ou l'organe de commande extérieur 48. Suivant le premier mode de réalisation, une partie de la bande se déplaçant avec le levier 20 suivant l'arc IK dans la rainure en forme de T constituée par la rainure 14 et la fente 16 est entièrement logée à l'intérieur de cette rainure en T. Cet agencement, à l'abri des gaz d'entraînement de la roue 4, assure une étanchéité convenable (fig. 3). Afin de faire varier la section d'entrée des gaz de façon importante, il est préférable de décaler de l'axe de la roue 4 l'axe de la surface cylindrique suivant laquelle se déplace la bande 10. Par le déplacement du masque 10, on parvient à un rapport Smaxi/Smini pouvant dépasser 4. Ce rapport peut être augmenté en accentuant la convergence du canal de la volute dans la zone où se trouve la bande 10 par rapport à celle qui existe dans la zone non masquée. Suivant le second mode de réalisation de la turbine, la bande métallique 30 conserve en permanence son profil courbe au voisinage immédiat de la roue 38 pour assurer un écoulement optimal des gaz d'entraînement. La variation de la section d'entrée des gaz est effectuée par le déplacement latéral de la bande 30 suivant un axe parallèle à l'axe de la roue au moyen du levier de commande 36 (figure 5). La section maximale d'entrée des gaz est obtenue tant que le bord oblique 32 de la bande reste dans la rainure 34 sans recouvrir la roue 38 (figure 6). Au fur et à mesure que l'on avance la bande 30 vers l'intérieur de la turbine, on réduit la section d'entrée des gaz ; la figure 7 montre une position intermédiaire de la bande 30 associée à une section moyenne d'entrée des gaz. Lorsque la bande 30 recouvre la roue 38, la section d'entrée variable des gaz est obturée et les gaz atteignent alors les aubes de la roue 38 par la section non régulée par la bande (figure 8). La section d'entrée des gaz d'entraînement est alors minimale. Le masque 30 peut prendre la forme de deux lames articulées à la manière des lames de ciseaux de faon à procurer une section d'entrée des gaz symétrique. Dans ce dernier cas, chacune des deux lames se déplace dans chaque demi-partie du carter de turbine. Le troisième mode de réalisation de la turbine et le premier mode de réalisation permettent d'obtenir les mêmes variations relatives à la section d'entrée des gaz. La section de bande rigide et de rainure correspondant à l'arc IKL, représentée à la figure 1, est remplacée par la section de bande élastique et de rainure correspondant au segment LM, représentée à la figure 9. Dans les trois modes de réalisation représentés et décrits à titre illustratif et non limitatif, il s'avère donc possible, par le réglage de la position du masque escamotable, de faire varier de l'extérieur la section d'entrée des gaz. Dans le cas d'un turbdcompresseur de suralimentation, il est ainsi possible de faire varier la vitesse de rotation du compresseur de suralimentation entraîné directement par la turbine, indépendamment du débit des gaz d'échappement du moteur ; une suralimentation optimale peut être ainsi assurée dans une très large gamme de régimes du moteur au moyen d'un dispositif d'asservissement de la commande permettant de faire varier la section d'entrée des gaz en fonction du régime du moteur. Aux faibles charges du moteur, avec le masque totalement ou presque totalement déplacé vers la section d'entrée minimale, on peut obtenir un bon rendement de la turbine et un temps de réponse très réduit de la turbine. Aux charges élevées du moteur, avec le masque totalement ou presque totalement escamoté, on a une contre-pression réduite, donc une diminution de la consommation. REVENDICATIONS 1. Turbine à gaz perfectionnée, notamment turbine à gaz d'échappement pour entraîner un compresseur de suralimentation de moteurs à combustion interne, comprenant une roue de turbine tournant à l'intérieur d'un carter présentant une ouverture d'entrée des gaz d'entraînement débouchant à l'intérieur du carter suivant une direction sensiblement tangentielle à ladite roue et une volute pour guider la veine-d'écoulement des gaz d'entraînement sur la périphérie de la roue, et des moyens réglables définissant la section d'entrée des gaz pour contrôler de l'extérieur la vitesse d'admission desdits gaz, caractérisée en ce que lesdits moyens réglables sont constitués par un masque escamotable (10, 30, 40) qui peut coulisser au voisinage immédiat de la périphérie de la roue (4, 38, 46) dans une rainure interne (14, 34, 44) du carter de turbine entre une position escamotée et une position de masquage maximal correspondant respectivement aux sections maximale et minimale d'entrée des gaz. 2. Turbine suivant la revendication 1, caractérisée en ce que le masque (10) se déplace circulairement suivant une surface cylindrique (IJ) dont l'axe (00') est décalé de l'axe de la roue (4). 3. Turbine suivant la revendication 2, caractérisée en ce que le masque est constitué par une bande métallique préformée (10) liée à un levier de commande extérieur (20) qui coulisse dans une fente axiale débouchante (16) entre deux positions de butée (I) et (K) correspondant respectivement aux positions extrêmes d'escamotage (L) et de masquage maximal (J) de ladite bande. 4. Turbine selon la revendication 1, caractérisée en ce que le masque (30) se déplace parallèlement à l'axe de la roue (38) de turbine en conservant un profil circulaire ou spirale (JL). 5. Turbine selon la revendication 4, caractérisée en ce que le masque est constitué par une bande ou des segments métalliques préformés (30) reliés à un ou des leviers de commande extérieurs (36) et pourvus d'un ou de bords obliques (32) destinés à faire varier la section d'entrée des gaz d'entraînement de la roue (38). 6. Turbine suivant la revendication 1, caractérisée en ce que le masque (40) qui se déplace circulairement suivant une surface courbe (JL), est constitué par une bande métallique élastique (40) reliée à un organe de commande extérieur (48) et coulissant dans une partie de rainure (LM) totalement noyée à l'intérieur du carter (42) de turbine.