Brevet FR2688543A1 — publié le 19930917

Liinvention concerne un appareil réglable de guidage de l'écoulement pour une turbine de turbocom- presseur à gaz d'échappement d'un moteur à combustion interne, appareil qui comprend un élément inséré ou insert de forme annulaire entre un canal de guidage en forme de spirale de la turbine d'un turbocompresseur à gaz d'échappement et une roue à aubes traversée radiale- ment ou diagonalement par l'écoulement, avec disposition dans l'insert annulaire de passages répartis sur la périphérie de celui-ci, les passages situés devant une embouchure du canal de guidage en spirale formant une section d'entrée de l'écoulement et établissant une communication pour l'écoulement entre le canal de guidage en spirale et la roue de la turbine du turbocompresseur et l'insert annulaire formant avec une partie de man- chon tubulaire réglable un manchon de réglage annu- laire d'un seul tenant, qui est déplaçable en trans- lation dans le sens de l'axe longitudinal de la roue. Par le document DE-OS 28 43 202, on connaît déjà un turbocompresseur à gaz d'échappement de ce type générique, comportant une roue radiale entourée d'un canal de guidage ou volute en forme de spirale Une25 cloison annulaire est disposée axialement fixe entre la volute et la roue radiale et présente des percées en forme de tuyères, réparties sur sa périphérie et in- clinées en direction de l'axe de la roue radiale par rapport à la direction tangentielle à cette roue La cloison annulaire est précédée d'un obturateur dé- plaçable dans le sens de la périphérie et par lequel la section des percées en forme de tuyères est réglable. Par le document DE-AS t 011 671, on connaît en outre un appareil réglable de guidage de l'écoulement, avec lequel, dans une turbomachine radiale, des gaz sont amenés à travers une grille déflectrice réglable à une roue à aubes (turbine radiale) La grille déflectrice réglable est composée de plusieurs couronnes d'aubes directrices disposées l'une derrière l'autre, de dimen- sions et/ou de formes différentes, et est déplaçable en translation dans le sens axial et réglable manuellement. Par le document DE-OS 26 33 587, on connaît en plus un dispositif tubulaire mobile en translation entre un carter à double flux et une roue à aubes d'un turbo- compresseur à gaz d'échappement d'un moteur à combustion interne Une régulation dans la domaine de charge partielle s'effectue dans ce cas par une coupure d'un flux en fonction de la charge La pression d'admission maximale admissible est limitée par un tiroir ou vanne de décharge. Le brevet US 4 492 520 montre un véhicule automobile propulsé par une turbine à gaz et possédant une turbine radiale comportant une grille déflectrice réglable avec plusieurs couronnes d'aubes directrices de configurations différentes, dont le réglage axial peut être effectué en fonction de paramètres de marche du moteur. Dans le cas des appareils réglables connus pour le guidage de l'écoulement sous la forme de grilles déflectrices sans possibilité de recouvrir les aubes par25 un obturateur, il faut installer un dispositif de freinage moteur séparé puisque, avec les couronnes d'aubes directrices disposées axialement l'une derrière l'autre selon l'état connu de la technique, la réalisa- tion appropriée de la section d'étranglement par l'ap- pareil de guidage de l'écoulement n'est pas possible. De plus, les appareils réglables de guidage de l'écoulement pourvus d'aubes directrices du type connu ont l'inconvénient que seulement un réglage par paliers quant à la direction d'arrivée de l'écoulement à la roue à aubes est possible, de sorte qu'un fonctionnement optimal de la turbomachine est seulement réalisable à certains points de fonctionnement Bien qu'une régula- tion continue du débit massique au moyen d'un mécanisme d'obturation à mobilité azimutale soit connue, ce dispositif complique la structure de l'appareil de guidage de l'écoulement par le nombre relativement important de pièces mobiles. Le but de l'invention est de réaliser un appareil de guidage de l'écoulement du type générique indiqué, de manière que l'on obtienne un appareil de l O structure aussi simple que possible comparativement aux appareils de guidage de l'écoulement connus, en évitant les inconvénients mentionnés de l'état de la technique. Selon l'invention, on obtient ce résultat par le fait que le déplacement axial du manchon de réglage annulaire, ensemble avec la partie de manchon tubulaire située directement à côté de l'insert annulaire, permet de réduire la section d'entrée de l'écoulement de manière qu'à la suite de la réduction, elle représente une section d'étranglement d'une fente de freinage pour un frein moteur. L'un des avantages de l'exécution selon l'invention est que, grâce à la réalisation d'un seul tenant du manchon de réglage de l'appareil de guidage de l'écoulement, on obtient une simplification essentielle de la construction comparativement aux solutions connues jusqu'à présent. Une autre carcatéristique prévoit que la section d'étranglement de la fente de freinage est réglable en fonction de paramètres de marche du moteur à30 combustion interne. Lorsque, selon une autre caractéristique, les passages sont formés par au moins une couronne d'aubes directrices torsadées, on obtient une régulation conti- nue optimale de la machine d'écoulement pour chaque35 point de charge Le changement continu de l'angle des aubes directrices est obtenu dans ce cas par la torsion des aubes alors que la largeur du profil reste à peu près la même Dans le régime de frein moteur, les aubes sont déviées hors de l'écoulement et une partie du manchon de réglage tubulaire est glissée en majeure partie autour de la roue Des problèmes de résistance des aubes peuvent ainsi être évités aussi sous des pressions dynamiques relativement élevées. Un autre mode de réalisation de l'invention prévoit que la longueur de profilage des profils, dans le sens de la longueur des aubes directrices formées dans l'insert annulaire, change de façon continue, de manière que l'aire sous-tendue par le nez, la base et les cordes des aubes possède à peu près le contour d'un trapèze Il est possible aussi que les aubes directrices ne présentent pas de profilages et que la ligne moyenne du profil des aubes soit courbée à peu près en arc de cercle. Ainsi, on peut également obtenir une régula- tion continue de la turbomachine avec une exécution de construction très simple donc économique de la grille déflectrice de l'appareil de guidage de l'écoulement Un changement de l'angle des aubes est obtenu dans ce cas par la largeur variable du profil alors que le rayon de courbure de la ligne moyenne du profil reste le même Un autre avantage du mode de réalisation à configuration trapézoïdale concerne les grands débits massiques puisque l'on dispose ainsi d'une grande section d'écou- lement dans la zone des pointes des aubes se terminant en forme de trapèze. Lorsque, selon une autre caractéristique, les aubes directrices de la grille déf lectrice sont consti- tuées d'une partie fixe intégrée dans le carter et d'une partie mobile en translation reliée à l'insert annu- laire, il devient possible d'intégrer la partie fixe des aubes dans la spirale du turbocompresseur et de disposer la partie mobile des aubes dans la prolongement continu de la partie fixe des aubes On peut prévoir dans ce cas différents rayons de courbure des parties des aubes, de sorte que cette exécution procure une plus grande souplesse dans la construction. Les passages peuvent être réalisés comme des percées séparées dans l'appareil de guidage de l'écou- lement, percées qui peuvent être inclinées sur la direction radiale de l'appareil On obtient ainsi une variante particulièrement économique des dispositifs de guidage de l'écoulement de l'appareil puisque les percées peuvent être constituées par exemple par des perçages obliques dans un corps de base tubulaire. Lorsque, selon une autre caractéristique de l'invention, une partie de l'appareil de guidage de l'écoulement est réalisée sous la forme d'un piston réglable hydrauliquement, on obtient une optimisation de la construction de l'appareil puisque l'on dispose ainsi d'une possibilité simple, sur le plan de la construc- tion, d'effectuer une régulation hydraulique de l'appa- reil de guidage de l'écoulement. Lorsque l'appareil de guidage de l'écoulement est réglable en fonction de paramètres de marche du moteur à combustion interne, conformément à une autre caractéristique, la grille déflectrice peut être réglée en fonction de tels paramètres au moyen d'un vérin pneumatique, hydraulique ou électrique Le moteur est ainsi exploité de façon optimale, surtout dans le régime d'accélération et dans le régime à pleine charge aux basses vitesses de rotation.30 Lorsque, selon d'autres caractéristiques, l'appareil présente au moins une arête oblique de distribution dans sa paroi latérale et que la section d'entrée de l'appareil représente en même temps la section d'une fente de freinage, fente dont la section est réglable en fonction de la vitesse de rotation du moteur, on obtient la possibilité simple et avantageuse de réaliser la section de la fente de freinage pour le frein moteur par la section d'entrée de l'écoulement de l'appareil A une position de fin de course, il reste encore juste ouverte la section d'étranglement (section de la fente de freinage) nécessaire pour le régime de frein moteur Un dispositif séparé de frein moteur n'est donc pas nécessaire. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront plus clairement de la descrip- tion d'un exemple de réalisation non limitatif d'un turbocompresseur à gaz d'échappement d'un moteur à combustion interne, ainsi que des dessins annexés sur lesquels: la figure 1 est une coupe partielle suivant un plan méridien d'une roue à aubes dans un carter comprenant un appareil de guidage de l'écoulement dans un mode de réalisation de l'invention sous la forme d'une grille déflectrice réglable, faisant partie d'un manchon de réglage; la figure 2 montre, dans une disposition identique à celle de la figure 1, une position de fin de course du manchon de réglage avec la grille déflectrice, correspondant à une position pour le régime de frein moteur; la figure 3 est une représentation schéma- tique des éléments essentiels pour un fonctionnement d'un moteur à combustion interne avec régulation de la section d'une fente de freinage en fonction de la vitesse de rotation du moteur; la figure 4 est une représentation des aubes directrices trapézoïdales selon l'invention; la figure 5 est une représentation de l'appareil de guidage de l'écoulement avec plusieurs rangées de trous agencées axialement l'une derrière l'autre en tant que dispositifs de guidage de l'écoule- ment, ainsi que de la fente de freinage; la figure 6 est une coupe du dispositif selon la figure 5 prise perpendiculairement à la direc- tion de déplacement de l'appareil de guidage de l'écou- lement et passant par une rangée de trous ayant une inclinaison relativement faible sur la direction radiale de cet appareil; et la figure 7 est une coupe analogue à la figure 6, mais passant par une rangée de trous inclinés relativement fortement par rapport à la direction radiale de l'appareil de guidage de l'écoulement. La figure 1 montre une coupe partielle suivant un plan méridien d'un carter 1 avec une roue à aubes 2 d'une turbomachine (par exemple d'un turbocompresseur à gaz d'échappement) qui n'est pas représentée plus en détail et fait partie d'un moteur à combustion interne non représenté Entre le carter 1 et la roue 2, est disposé un manchon de réglage annulaire 3 déplaçable axialement par rapport à l'axe longitudinal 18 de la roue et constitué de deux parties de manchon tubulaires n O 4 et 5 et d'un élément inséré ou insert annulaire sous la forme d'une grille déflectrice 6 comportant des aubes directrices 7 torsadées Entre les aubes 7, se trouvent par conséquent des passages 42 torsadés. La partie de manchon tubulaire 4 présente un perçage 8 recevant un tenon de coulissement 9 guidé dans une coulisse 10 Sur le tenon 9 est articulée une tringlerie non représentée, elle-même reliée à un vérin hydraulique ou pneumatique lequel n'est pas non plus représenté communiquant avec le moteur à combustion30 interne Par ce mécanisme, le manchon de réglage 3 est guidé axialement dans une fente 13 et peut être réglé en fonction de paramètres de marche du moteur. Le manchon de réglage 3 est étanché axialement par une bague d'étanchéité 11, de préférence céramique, placée dans une gorge 12 du manchon 3 On peut renoncer à une lubrification particulière des surfaces de glissement grâce à l'emploi de matériaux (céramique) qui résistent à l'usure. Les aubes directrices 7 de la grille déflec- trice 6 ont une torsion relativement importante du côté de la partie de manchon tubulaire 4 (profil rabattu 14). A la position illustrée du manchon 3 (correspondant par exemple à la position de mise en marche du moteur à combustion interne), à laquelle la partie à torsion relativement forte des aubes directrices 7 règle l'écoulement arrivant sur la roue 2, un courant massique relativement faible est accéléré par la section rela- tivement étroite et un couple utile important est obtenu sur la roue 2 (turbine) sous la vitesse d'arrivée radiale élevée des gaz à la roue 2 grâce à la forte torsion des aubes directrices 7 Le flux, ainsi rétréci, améliore également le régime stationnaire de pleine charge dans la zone des plus basses vitesses de rota- tion. La torsion des aubes diminue ensuite de façon 2 G continue en direction de la partie de manchon tubulaire (profils rabattus 15 et 16) Dans un segment 17 se trouvant devant la partie de manchon 5, les aubes directrices 7 de la grille 6 ne sont plus torsadées. Dans le régime de pleine charge, le manchon de réglage 3 est déplacé de manière que le segment 17 des aubes 7 règle le courant arrivant (ouverture du flux principal). Le flux principal est conçu de manière qu'une vanne de décharge supplémentaire ne soit pas nécessaire et qu'une pompe de compresseur soit évitée. La figure 2 montre dans la même disposition que la figure 1 le manchon de réglage 3 avec les deux parties de manchon tubulaires 4 et 5 et l'insert sous la forme de la grille déf lectrice 6 avec les aubes direc- trices 7 torsadées dans une position pour le régime de35 fin moteur. En raison du déplacement du manchon de réglage 3 de manière que la partie de manchon tubulaire 5 ferme en majeure partie la section d'arrivée de l'écoulement de la roue 2, celle-ci ne peut pas être entraînée à une vitesse excessive Lorsque la section d'arrivée de la roue 2 est suffisamment réduite, de sorte qu'il subsiste seulement une section d'étranglement 19, il s'établit dans la tuyauterie d'échappement du moteur à combustion interne une pression dynamique qui peut être utilisée comme frein moteur. La figure 3 montre schématiquement un moteur et une partie d'un turbocompresseur à gaz d'échappe- ment 21, qui sont connectés à un appareil de commande 22 Ce dernier contrôle, en fonction de la vitesse de rotation du moteur et de l'actionnement du bouton de frein par lequel le conducteur manoeuvre le frein continu de son véhicule automobile, la position de l'appareil de guidage de l'écoulement et, partant, la section de la fente de freinage (section d'étranglement 19). Les signaux d'entrée 23 et 24 de l'appareil de commande 22 sont respectivement le signal de la vitesse de rotation du moteur et le signal de l'actionnement du bouton de frein Le signal de sortie 25 est un signal de commande d'un vérin 26 relié au tenon de coulissement 9 de l'appareil de guidage de l'écoulement. La vitesse de rotation du moteur est déter- minée à l'aide d'un générateur de signaux 27 qui capte par induction les révolutions d'un vilebrequin 28 du30 moteur et les convertit en un signal analogique oscil- lant Le signal d'entrée venant de l'actionnement du bouton de frein est essentiellement un signal de seuil constant avec seulement deux états de signal: "marche" et "arrêt". Le signal de sortie 25 résultant des signaux d'entrée 23 et 24, dépend de l'algorithme de commande de l'appareil de commande 22 Un algorithme adéquat est conçu de manière que lorsque la vitesse de rotation du moteur est maximale, la section d'arrivée de l'écoule- ment soit réduite à tel point que les soupapes d'échap- pement ne risquent pas d'être surchargées par une vitesse trop élevée d'application contre leurs sièges, ou par une repoussée excessive en direction du piston, et que, à faible vitesse de rotation du moteur, la fente de freinage soit ajustée pour qu'elle corresponde à la puissance de freinage optimale réalisable. La figure 4 montre une coupe partielle suivant un plan méridien d'un appareil de guidage de l'écoule- ment possédant des aubes trapézoïdales 29, fixées aux parties de manchon tubulaires 4 et 5 L'aube 29 est délimitée par un nez d'aube 43 incliné, une base d'aube 44 droite, une pointe d'aube 47 avec une corde de profil et une racine d'aube 48 avec une corde de profil 46. L'aube 29 ne possède pas de profilage et la ligne moyenne du profil de l'aube 29 est courbée à peu près en arc de cercle Il se forme ainsi pour chaque aube 29 un profil en arc de cercle 30 qui est indiqué en pointillé sur le dessin. La figure 5 montre un autre exemple de réali- sation de l'appareil de guidage de l'écoulement avec un dispositif de guidage tubulaire 31 Ce dispositif comporte plusieurs rangées de trous 32, 33 et 34 dis- posées axialement l'une derrière l'autre A gauche de la rangée de trous 32, on a représenté une fente de frei- nage 35 avec une arête de distribution oblique 36 dans une position du dispositif de réglage 31 pour le régime de frein moteur. La fente de freinage 35 forme une découpe oblongue dont l'un des deux plans de coupe générateurs est parallèle et dont l'autre plan de coupe est légère- ment incliné par rapport à un plan radial du dispositif de réglage 31 La découpe a été ménagée de manière que la Lente créée sur la paroi latérale du dispositif de réglage 31 couvre la majeure partie de la périphérie de cette paroi La position de la fente de freinage 35 a été choisie pour que, lorsque le dispositif de réglage 31 est déplacé vers la droite jusqu'à la butée 37, la section d'arrivée de l'écoulement à l'appareil de guidage soit égale à une section d'étranglement minimale 38 du moteur à combustion interne. Les rangées 32, 33 et 34 sont formées de trous 39, 40 et 41 uniformément répartis à la périphérie du dispositif de réglage 31 et dont les axes sont inclinés sur la direction radiale du manchon de réglage L'in- clinaison des axes des trous 39, 40 et 41 augmente de la rangée 32 à la rangée 34, de sorte que la rangée 32 contient les trous ayant la plus faible inclinaison de leur axe (voir la figure 6 X, ce qui correspond à l'ou- verture du flux principal L'axe des trous 41 de la rangée 34 a une inclinaison relativement forte (voir la figure 7) par rapport à la direction radiale du dispo- sitif de réglage 31 (ouverture du flux de mise en marche). La figure 6 montre une coupe de la figure 5 normale à la direction de déplacement de 1 appareil de guidage de l'écoulement, coupe qui passe par la rangée25 32 comportant les trous 39 d'inclinaison relativement faible par rapport à la direction radiale de l'appareil de guidage de l'écoulement. La figure 7 montre une coupe de la figure 5 normale à la direction de déplacement de l'appareil de guidage et passant par la rangée 34 comportant les trous 41 d'inclinaison relativement grande par rapport à la direction radiale de l'appareil de guidage. Selon un autre mode de réalisation de l'in- vention, s'appliquant à un appareil de guidage avec des dispositifs de guidage de l'écoulement sous la forme d'une grille déflectrice, cette dernière peut également être divisée en deux ou davantage de grilles déflec- trices qui sont axialement disposées l'une derrière l'autre dans le sens de l'axe de la roue Les aubes directrices de chacune de ces grilles peuvent avoir une autre inclinaison par rapport à un plan méridien ou être torsadées. De plus, les aubes trapézoïdales peuvent également être profilées et/ou avoir une torsion Dans le cas d'aubes trapézoïdales avec un profil en arc de cercle, une construction possible consiste à utiliser des aubes en deux parties dont la partie fixe et la partie mobile sont mobiles l'une par rapport à l'autre dans la direction de déplacement du dispositif de réglage. L'appareil de guidage de l'écoulement selon l'invention est utilisable en outre dans des turboma- chines à deux ou davantage de flux Il suffit dans ce cas d'accorder la forme et les dimensions des passages dans l'appareil de guidage au comportement de réglage désiré et aux flux de la machine. Dans un perfectionnement selon l'invention de l'appareil de commande, il est possible aussi de géné- rer, comme signal d'entrée, à la place du signal de seuil constant du bouton de frein, un signal continu ou à paliers, produit également par le biais de ce bouton. Le signal de sortie et par suite l'effet de frein moteur peuvent ainsi être influencés non seulement en fonction de la vitesse de rotation, mais aussi, avec la possi- bilité d'un accord fin, directement par le conducteur. REVENDICATIONS 1 Appareil réglable de guidage de l'écoulement pour une turbine de turbocompresseur à gaz d'échappement d'un moteur à combustion interne, appareil qui comprend un élément inséré ou insert de forme annulaire entre un canal de guidage en forme de spirale de la turbine d'un turbocompresseur à gaz d'échappement et une roue à aubes traversée radiale- ment ou diagonalement par l'écoulement, avec disposition dans l'insert annulaire de passages répartis sur la périphérie de celui-ci, les passages situés devant une embouchure du canal de guidage en spirale formant une section d'entrée de l'écoulement et établissant une communication pour l'écoulement entre le canal de guidage en spirale et la roue de la turbine du turbocompresseur et l'insert annulaire formant avec une partie de man- chon tubulaire réglable un manchon de réglage annu- laire d'un seul tenant, qui est déplaçable en trans- lation dans le sens de l'axe longitudinal de la roue, caractérisé en ce que le déplacement axial du manchon de réglage annulaire, ensemble avec la partie de manchon ( 5) tubulaire située directement à côté de l'insert annulaire, permet de réduire la section d'entrée de manière qu'à la suite de la réduction, elle représente une section d'étranglement ( 191 d'une fente de freinage ( 35) pour un frein moteur. 2 Appareil réglable de guidage de l'écoulement selon la revendication 1, caractérisé en ce que la section d'écoulement ( 38) de la fente de freinage ( 35) est réglable en fonction de paramètres de marche du moteur à combustion interne. 3 Appareil réglable de guidage de l'écoulement selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que les passages ( 42) sont formés par au moins une couronne d'aubes directrices comportant des aubes directrices ( 7) torsadées. 4 Appareil réglable de guidage de l'écoulement selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, carac- térisé en ce que la longueur de prof ilage des profils, dans le sens de la longueur des aubes directrices ( 29) formées dans l'insert annulaire, change de façon conti- nue, de manière que l'aire sous-tendue par le nez ( 43), la base ( 44) et les cordes ( 45, 46) des aubes possède à peu près le contour d'un trapèze. Appareil réglable de guidage de l'écoulement selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, carac- térisé en ce que les aubes directrices ( 291 de l'insert ne présentent pas de profilage et que la ligne moyenne du profil de ces aubes ( 29) est courbée à peu près en arc de cercle. 6 Appareil réglable de guidage de l'écoulement selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, carac- térisé en ce que les aubes directrices ( 7, 29) de la grille déflectrice ( 6) sont constituées d'une partie fixe intégrée dans le carter ( 1) et d'une partie mobile en translation, qui est reliée à l'insert annulaire. 7 Appareil réglable de guidage de l'écoulement selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que les passages ( 42) sont formés par des trous ( 39, 40, 41) répartis à la périphérie du dispositif de réglage ( 31) et dont les axes sont inclinés sur la direction radiale du manchon de réglage ( 3). 8 Appareil réglable de guidage de l'écoulement selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, carac- térisé en ce qu'une partie de l'appareil est réalisée sous la forme d'un piston réglable hydrauliquement. 9 Appareil réglable de guidage de l'écoulement selon l'une quelconque des revendications 1 à 8, carac- térisé en ce qu'il présente au moins une arête oblique de distribution ( 36) sur sa paroi latérale.