Brevet FR2587411A1 — publié le 19870320

TURBOCOMPRESSEUR ENTRAINE PAR UN GAZ D'ECHAPPEMENT ET DU TYPE A DEUX PASSAGES D'ECOULEMENT. ________________________-_______________________________ La présente invention concerne un turbocompresseur entraîné par un gaz d'échappement et du type à deux passages d'écoulement, et elle a trait, plus particulièrement, à un turbocompresseur entraîné par un gaz d'échappement et du type à deux passages d'écoulement qui convient pour empêcher la destruction d'une cloison par suite de la fatigue thermique. On utilise un turbocompresseur entraîné par un gaz d'échappement et du type à deux passages d'écoulement dans le but d'améliorer la capacité de suralimentation d'un moteur quand il tourne à faible vitesse par utilisation des impul- sions d'échappement ou par rétrécissement des passages d'écoulement afin d'augmenter le débit du gaz. Dans un turbocompresseur réalisé de cette façon, l'enveloppe en forme de volute est divisée radialement par une cloison consistant en une plaque annulaire,de manière que ces passages deviennent indépendants l'un de l'autre à l'inté- rieur délimité par la surface intérieure de l'enveloppe en forme de volute. Une roue de turbine du type à écoulement radial est disposée dans l'enveloppe et la suralimentation du moteur est effectuée à l'aide d'un compresseur relié à cette roue de turbine. On prévoit une valve d'ouverture et de fermeture de passage d'écoulement puis on ferme cette valve lorsque le moteur tourne à faible vitesse afin d'augmenter le débit du gaz en raison du rétrécissement des passages. Pendant que le turbocompresseur réalisé de cette manière fonctionne, la température de la cloison atteint une valeur plus élevée que celle des autres parties de cette cloison par suite du gaz sous haute température, de sorte que le turbocompresseur se trouve déformé plastiquement par compression. Quand ce turbocompresseur ne fonctionne pas, les températures de toutes ces parties deviennent uniformes, ce qui fait que des tensions de traction y apparaissent. Quand le turbocompresseur fonctionne et s'arrête de façon répétée de nombreuses fois, spécialement lorsque le démarrage du turbocompresseur a lieu brusquement sous l'effet du gaz d'échappement se trouvant à une température élevée, il arrive dans certains cas qu'une fissure apparaisse dans la cloison en raison de la fatigue thermique de cette dernière. Cette contrainte thermique se manifeste par suite de la différence entre la température de la cloison et celle de la surface extérieure de l'enveloppe à laquelle la cloison est fixée. Toutefois, les problèmes que soulève la défaillance de la cloison sous l'effet de la fatigue ont été peu pris en compte jusqu'à présent. Les techniques se rapportant à un turbocompresseur de ce type sont décrites, par exemple, dans le brevet US n 3 614 259. Un objectif de la présente invention est la réa- lisation d'un turbocompresseur capable d'empêcher les défaillances de la cloison dues à une fatigue thermique par réduction à un minimum de la différence entre la température de la cloison et celle de la surface extérieure de la partie de l'enveloppe à laquelle la cloison est fixée. Selon un premier aspect de la présente invention, on atteint l'objectif ci-dessus à l'aide d'un turbocompres- seur entraîné par un gaz d'échappement du type à deux passages,dans lequel la surface extérieure de la partie de l'enveloppe à laqueileest fixée la cloison est recouverte d'une matière calorifuge pour favoriser l'augmentation de la température de cette partie de l'enveloppe, et pour réduire ainsi à un minimum la différence entre la tempéra- ture de l'enveloppe et celle de la cloison, ceci permettant la défaillance de la cloison qui a pour origine la fatigue thermique et qui est provoquée par la contrainte thermique qui s'y manifeste. Selon un second aspect de la présente invention, on atteint l'objectif ci-dessus à l'aide d'un turbocompres-. seur entraîné par un gaz d'échappement et du type à deux passages d'écoulement dans lequel la partie terminale libre de la cloison est recouverte d'une matière calorifuge pour supprimer l'augmentation de la température de cette partie terminale libre de la cloison et réduire ainsi à un minimum la différence entre la température de l'enveloppe et la température de la cloison, ceci permettant d'éviter la défaillance de la cloison qui a pour origine la fatigue thermique et qui est provoquée par la contrainte thermique qui s'y manifeste. Selon un troisième aspect de la présente invention, on atteint l'objectif ci-dessus à l'aide d'un turbocompres- seur entraîné par un gaz d'échappement et du type à deux passages dans lequel un trou traversant est formé dans la partie de l'enveloppe o est fixée la cloison pour y intro- duire un gaz d'échappement sous haute température et réduire ainsi à un minimum la différence entre la température de l'enveloppe et celle de la cloison, ceci permettant d'éviter la défaillance de la cloison qui a pour origine la fatigue thermique et qui est provoquée par la contrainte thermique qui s'y manifeste. Selon un quatrième aspect de la présente invention, on atteint l'objectif ci-dessus à l'aide d'un turbocompres- seur entraîné par un gaz d'échappement et du type à deux passages dans lequel l'épaisseur de la partie de pied de la cloison est plus petite que celle de la partie terminale libre de cette dernière de manière à réduire ainsi à un minimum la différence entre la température de l'enveloppe et celle de la cloison, ceci permettant d'éviter la défaillance de la cloison qui a pour origine la fatigue thermique et qui est provoquée par la contrainte thermique qui s'y mani- feste. On va maintenant décrire la présente invention en se référant aux dessins annexés, sur lesquels: la figure 1 est une vue extérieure partiellement arrachée de la structure générale du turbocompresseur entraîné par un gaz d'échappement et du type à deux passages selon la présente invention; la figure 2 est une vue agrandie d'une partie principale du turbocompresseur de la figure 1; la figure 3 est une vue agrandie d'une partie principale d'un autre mode de réalisation de la présente invention; la figure 4 est une vue agrandie d'une partie principale d'un autre mode de réalisation encore de la présente invention; la figure 5 est une vue agrandie d'une partie principale d'un autre mode de réalisation du turbocompres- seur selon la présente invention; la figure 6 est une vue agrandie d'une partie principale d'un autre mode de réalisation de la présente invention; la figure 7 est une vue agrandie d'une partie principale d'un autre mode de réalisation du turbocompres- seur selon la présente invention; et la figure 8 est une vue agrandie d'une partie principale d'un autre mode de réalisation du turbocompres- seur selon la présente invention. L'intérieur d'une enveloppe 1 de turbine (dont le rayon de la partie ayant le diamètre extérieur le plus grand est d'environ 130 mm), laquelle enveloppe est en fonte austénitique à forte teneur en nickel, est divisée radiale- ment par une cloison consistant en une plaque annulaire fixée à la surface intérieure d'une. partie de l'enveloppe formant volute. Un passage d'écoulement étroit 3 et un passage 4 qui est plus large que le passage 3 sont des passages pour le gaz qui sont séparés l'un de l'autre par une cloison 2 et qui sont indépendants l'un de l'autre. Une valve 5 est utilisée pour ouvrir et fermer le passage d'écoulement étroit 3 et le passage d'écoulement large 4. Quand un moteur tourne à faible vitesse, la valve 5 est fermée pour permettre à un gaz de s'écouler à travers le passage étroit 3 seul, et pour provoquer l'augmentation du débit du gaz s'écoulant dans ce passage. L'enveloppe 1 renferme une roue de turbine 6 du type à écoulement radial qui est adaptée pour être entraînée en rotation par un courant de gaz. Un compresseur 8 est relié à la roue 6 de turbine par l'intermédiaire d'un arbre rotatif 7 de manière à suralimenter un moteur à combustion interne avec un gaz (par exemple de l'air). Une matière calorifuge 9 est fixée à l'enveloppe 1 de manière à s'étendre le long de la surface extérieure de cette dernière avec un espace libre étroit formé entre la matière calorifuge 9 et la surface extérieure de l'enveloppe 1. Par conséquent, la matière calorifuge 9 agit de manière à empêcher la chaleur de rayonner de la surface extérieure de l'enveloppe 1 et d'empêcher la tempé- rature de cette surface extérieure de diminuer. On va maintenant décrire ce mode de réalisation de façon plus détaillée en se référant à la figure 2 qui est une vue agrandie d'une partie principale de cette dernière. On forme la matière calorifuge 9 en maintenant une fibre réfractaire de 30 mm de largeur et de 4 mm d'épaisseur dans une plaque de tôle 9a, et on la fixe à un moteur à combus- tion interne de manière qu'il existe un espace libre étroit entre la matière calorifuge 9 et l'enveloppe 1. Quand on fait tourner un moteur à combustion interne pour automobiles, dans lequel est installé le turbocompresseur décrit ci-dessus, jusqu'à ce que la tempé- rature des gaz d'échappement ait atteint 900 C, la différence entre la température de la partie terminale libre de la cloison 2 et la température de la surface extérieure 10 de la partie de l'enveloppe 1 à laquelle est fixée la cloison prend la valeur de 85 C, ceci montrant que la différence de température de 85 C est à peu près égale à la moitié de la différence de température correspondante de 180 C enregistrée quand la partie mentionnée de l'enveloppe 1 n'est pas recouverte de la matière calorifuge 9. Par ailleurs, même si on fait fonctionner le moteur de cette manière et si on l'arrête de façon répétée 104 fois, on ne constate aucun endommagement de la cloison 2. Par contre, si on fait fonctionner et si on arrête ce même moteur de façon répétée de la manière mentionnée alors que l'enveloppe 1 n'est pas recouverte de la matière calorifuge 9, de fines fissures dues à la fatigue thermique apparaissent dans la surface extérieure de la cloison 2 après que les opérations mentionnées ci-dessus auxquelles est soumis le moteur n'ont été répétées que 230 fois. La figure 3 montreun autre mode de réalisation. Dans ce mode de réalisation, une matière calorifuge 11, qui consiste en un revêtement calorifuge formé par pulvérisation d'oxyde de zirconium à l'aide d'un plasma sous basse pres- sion, est formée sur la surface extérieure 10 de la partie d'une enveloppe 1 à laquelle une cloison 2 est fixée de telle manière que la matière calorifuge 11 s'étend depuis le point de l'enveloppe 1 o commence la volute jusqu'à un point de cette enveloppe qui est espacé de 120 et o la hauteur de la cloison 2 n'est pas supérieure à trois fois son épaisseur et o la contrainte thermique a une faible amplitude. La largeur de la matière calorifuge 11 est de mm, ce qui représente trois fois l'épaisseur de la cloison 2,et son épaisseur est de 0,3 mm. On choisit ces dimensions de manière que la température de la surface extérieure 10 n'augmente pas exagérément. Ce mode de réalisation a une structure simple et permet de réduire à un minimum la contrainte thermique dans la cloison. La figure 4 montre un autre mode de réalisation encore. La section transversale d'une enveloppe 1 a la forme d'un coeur depuis le point de cette enveloppe o commence la volute jusqu'à un point de cette enveloppe espacé de , un évidement 12 étant formé dans la surface extérieure de la partie de l'enveloppe 1 à laquelle est fixée une cloison 2. Cet évidement 12 est rempli d'une matière calori- fuge 9 consistant en une fibre réfractaire et la surface circonférentielle extérieure de la matière calorifuge 9 est maintenue par une plaque de tôle convexe 9a soudée par résistance sur la surface extérieure de l'enveloppe 1 et dans laquelle sont ménagés des trous d'aération. Dans cette structure, la température de la partie de l'enveloppe 1 à laquelle est fixée la cloison 2 augmente et on peut utiliser l'évidement 12 comme un espace dans lequel est disposée la matière calorifuge, l'enveloppe 1 pouvant, de ce fait, être compacte. La figure 5 montre un autre mode de réalisation de la présente invention. Après avoir moulé une enveloppe 1, on meule une partie terminale libre 13 d'une cloison 2. On revête une partie de pied 14 de la cloison 2 avec un agent anti-fusion consistant en de la poudre de graphite. On pulvérise à la flamme avec un plasma la poudre d'oxyde de zirconium sur la surface extérieure de la cloison 2 pour former une couche calorifuge 11 consistant en un revêtement de blindage ther- mique d'environ 0,3 mm d'épaisseur. Quand on met en marche un moteur à combustion interne pour automobile dans lequel se trouve un turbocompresseur ayant la structure décrite cidessus, afin d'introduire un gaz d'échappement sous haute température dans les passages d'écoulement 3, 4, les deux surfaces latérales de la cloison 2 viennent en contact avec ce gaz d'échappement sous haute température. Toutefois, une brusque augmentation de la température de la cloison 2 se trouve évitée en raison de la couche calorifuge 11 présente sur la partie terminale libre de cette dernière. Par contre, une augmentation de la température de la partie pied 14 de grande épaisseur de la cloison 2 et de la température de la surface intérieure de l'enveloppe 1, qui sont exposées au gaz d'échappement, se trouve favorisée. Il en résulte que la différence entre la température terminale libre de la cloison 2 et celle de la surface extérieure 10 de la partie de l'enveloppe 1 à ____ _____ laquelle est fixée la cloison 2 s'amenuise, ce qui fait que l'amplitude de la contrainte thermique se manifestant dans la cloison 2 est faible. Ceci peut empêcher l'apparition de fissures d'origine thermique dans la cloison 2. La figure 6 montre un autre mode de réalisation de la présente invention. Un évidement 12 incurvé de façon circonférentielle est formé dans une surface extérieure 10 de la partie d'une enveloppe 1 à laquelle une cloison est fixée. La surface extérieure de cet évidement 12 est recou- verte d'une matière calorifuge 11 consistant en un revêtement de blindage thermique que l'on forme en pulvérisant de la poudre d'oxyde de zirconium avec un plasma sur la surface de l'évidement 12. Dans le mode de réalisation ayant cette structure, une augmentation de la température de la surface extérieure 14 de la partie de l'enveloppe à laquelle la cloison 2 est fixée se trouve favorisée, et l'amplitude de la contrainte thermique se manifestant dans la partie termi- nale libre de la cloison 2 diminue encore plus. Pour obtenir un effet d'unification de température important dans ces modes de réalisation, il est préférable de faire en sorte que la largeur des surfaces exposées de la partie pied 14 de la cloison 2 qui s'étendent dans le sens radial soit sensiblement égale à l'épaisseur de la cloison 2 et que la largeur de la matière calorifuge 11 présente sur la surface de l'évidement 12 soit égale sensi- blement à trois fois l'épaisseur de l'enveloppe. La figure 7 montre un autre mode de réalisation de la présente invention. Dans le cas o l'on moule une enve- loppe 1, on dispose un noyau en un point d'intersection de - 9 l'enveloppe 1 et d'une cloison 2 pour former un trou traver- sant 17 qui débouche dans une partie 15 d'admission de gaz et dans une partie arrière 16 d'une section formant volute de l'enveloppe 1, dans la partie de l'enveloppe à laquelle la cloison 2 est fixée. Quand l'opération de moulage est terminée, on enlève le sable du noyau du trou traversant 17. Ce trou traversant 17 communique avec un passage d'écoule- ment 3 qui communique en permanence avec le moteur à combus- tion interne. Dans le mode de réalisation de cette structure, un gaz d'échappement sous haute température s'écoule à travers le passage d'écoulement 3 (et un passage d'écoule- ment 4) et le passage traversant 17 pour chauffer la surface de l'enveloppe 1 avec laquelle le gaz est en contact. En particulier, le trou traversant 17 se trouve sur la totalité de sa circonférence dans la partie de l'enveloppe 1 à laquelle la cloison est fixée, ce qui fait que le rende- ment thermique prend une valeur élevée. Notamment, on peut chauffer la partie mentionnée de l'enveloppe simplement en introduisant un gaz d'échappement à un débit faible à travers un passage d'écoulement de petit diamètre et on peut ainsi réduire à un minimum la différence entre la température de la partie de l'enveloppe à-laquelle la cloison est fixée et celle de la partie terminale libre de la cloison 2. La figure 8 montre un autre mode de réalisation du turbocompresseur selon la présente invention. Une partie de pied 14 d'une cloison 2 est coupée à ses deux surfaces latérales de manière que l'épaisseur de la partie de l'enve- loppe qui se trouve entre le point de départ de volute et un point qui en est espacé d'environ 180 soit réduite. La partie de l'enveloppe 1 à laquelle est fixée la cloison est pourvue d'un évidement 12 qui s'étend entre un point de départ de volute et un point qui en est espacé d'environ , de manière à réduire ainsi l'épaisseur de cette partie de l'enveloppe 1. Grâce à cette structure, la température de la partie terminale libre de la cloison 2 augmente rapide-, ment quand elle est chauffée par un gaz d'échappement. Par contre, la partie de pied 14 et la partie de l'enveloppe 1 dans la surface extérieure de laquelle est formé l'évidement 12 ont une faible épaisseur et, par conséquent, la tempéra- ture de ces parties augmente notablement aussi rapidement que l'extrémité libre de la cloison 2. Ceci permet de réduire à un minimum l'apparition de contraintes thermiques dans la cloison 2. Dans le mode de réalisation ayant cette structure, il n'est pas nécessaire d'utiliser un revêtement de blindage thermique. Pour uniformiser la répartition des températures de la partie terminale libre et de la partie de pied 14 de la cloison 2 pendant une opération de suralimentation, il est préférable que l'épaisseur de la région de la partie de pied 14, dont la longueur se situe dans la fourchette de valeur correspondant sensiblement à l'épaisseur de cette partie, ne dépasse pas environ la moitié de celle de la partie terminale libre. REVENDICATIONS 1. Turbocompresseur entraîné par un gaz d'échappement et du type à deux passages d'écoulement, dans lequel une partie formant volute d'une enveloppe (1) de turbine dans laquelle s'écoule un gaz d'échappement sous haute température est divisée radialement par une cloison annulaire (2) de manière à former deux passages d'écoulement (3, 4), et une roue (6) de turbine du type à écoulement radial est entraînée pour effectuer une opération de suralimentation par un compresseur (8) relié à ladite roue de turbine, caractérisé en ce que la surface extérieure (10) de la partie (14) de l'enveloppe (1) à laquelle la cloison (2) est fixée est recouverte d'une matière calorifuge (9). 2. Turbocompresseur entraîné par un gaz d'échappement- et du type à deux passages d'écoulement selon la revendica- tion 1, caractérisé en ce que, dans la surface extérieure (10) de la partie de l'enveloppe (1) à laquelle la cloison. (2) est fixée,un évidement est formé de manière à s'étendre dans la direction circonférentielle de l'enveloppe (1), une matière calorifuge (9) étant disposée dans cet évidement. 3. Turbocompresseur entraîné par un gaz d'échappement et du type à deux passages d'écoulement, dans lequel une partie formant volute d'une enveloppe (1) de turbine dans laquelle s'écoule un gaz d'échappement sous haute tempéra- ture est divisée radialement par une cloison annulaire (2) de manière à former deux passages d'écoulement (3, 4) et une roue (6) de turbine du type à écoulement radial est entraînée pour effectuer une opération de suralimentation par un compresseur (8) relié à ladite roue de turbine, caractérisé en ce qu'une couche (11) d'un revêtement calo- rifuge est formée sur la surface d'une partie terminale libre (13) de la cloison (2). 4. Turbocompresseur entraîné par un gaz d'échappement et du type à deux passages d'écoulement selon la revendica- tion 3, caractérisé en ce que la couche (11) d'un revêtement de blindage calorifique est formée sur la surface extérieure (10) de la partie de l'enveloppe (1) à laquelle la cloison (2) est fixée. 5. Turbocompresseur entraîné par un gaz d'échappement et du type à deux passages d'écoulement, dans lequel une partie formant volute d'une enveloppe (1) de turbine dans laquelle s'écoule un gaz d'échappement sous haute tempéra- ture est divisée radialement par une cloison annulaire (2) de manière à former deux passages d'écoulement (3, 4) et une roue (6) de turbine du type à écoulement radial est entraînée pour effectuer une opération de suralimentation par un compresseur (8) relié à ladite roue de turbine, caractérisé en ce qu'un trou traversant (17), qui débouche dans une partie (15) d'admission de gaz et dans une partie arrière (16) d'une section formant volute, est formé dans une partie d'intersection de l'enveloppe (1) et de la cloison (2) de manière telle que le trou traversant (17) s'étende dans la direction circonférentielle de l'enveloppe (1), un gaz d'échappement sous haute température étant introduit dans un orifice d'admission du trou traversant (17). 6. Turbocompresseur entraîné par un gaz d'échappement et du type à deux passages d'écoulement, dans lequel une partie formant volute d'une enveloppe (1) de turbine, dans laquelle s'écoule un gaz d'échappement sous haute tempéra- ture, est divisée radialement par une cloison annulaire (2) de manière à former deux passages d'écoulement (3, 4), et une roue (6) de turbine du type à écoulement radial est entrainée par le gaz d'échappement pour effectuer une opération de suralimentation par un compresseur (8) relié à ladite roue de turbine, caractérisé en ce que l'épaisseur d'une partie de pied (14) de la cloison (2) est plus petite que celle de la partie terminale libre (13) de cette cloison. 7. Turbocompresseur entraîné par un gaz d'échappement et du type à deux passages d'écoulement, selon la revendi- cation 6, caractérisé en ce que l'épaisseur de la partie de pied (14) est inférieure à la moitié de celle de la partie terminale libre (13) de la cloison.