CH642720A5 - Method for reducing the passage cross-section of gas in the distributor of a turbine, and turbocompressor for implementing this method - Google Patents

Method for reducing the passage cross-section of gas in the distributor of a turbine, and turbocompressor for implementing this method Download PDF

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CH642720A5
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Jacques Delesalle
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Alsacienne Constr Meca
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Description

La présente invention concerne les moteurs thermiques à suralimentation et, notamment, les moteurs Diesel suralimentés par un turbocompresseur dont la turbine est entraînée par les gaz d'échappement du moteur.
On sait que les performances des moteurs thermiques s'accroissent rapidement grâce aux progrès de leur suralimentation. Les turbocompresseurs modernes atteignent un rapport de pression de 4,5 à 5, ce qui autorise des pressions moyennes effectives (Pme) moteur de 25 bar environ, et il est possible de monter deux turbocompresseurs en série, autorisant ainsi des Pme de 33 et plus.
Malheureusement, ces turbocompresseurs sont conçus pour un fonctionnement proche du point nominal (puissance maxi du moteur) et donnent des résultats décevants aux faibles charges du moteur.
En outre, un problème de principe se pose: l'énergie motrice contenue dans les gaz d'échappement qui actionnent la turbine dépend du produit débit x température, c'est-à-dire la puissance du moteur. La pression de suralimentation est ainsi à peu près proportionnelle à la puissance du moteur. Or, il faudrait qu'elle soit proportionnelle au couple délivré par le moteur, et non à sa puissance, afin que celui-ci fonctionne à peu près à excès d'air constant.
Il en résulte que, lorsque le moteur est utilisé à vitesse variable, pour la propulsion d'un véhicule par exemple, le couple disponible aux bas régimes est assez faible, hors de proportion avec les performances nominales du moteur.
Par exemple, pour une Pme nominale supérieure à 25 bar, il est impossible sans artifice d'embrayer l'hélice d'un bateau à l'arrêt sans caler alors que, à pleine vitesse, les performances sont remarquables.
On sait que la turbine d'un turbocompresseur comprend essentiellement un distributeur de gaz d'échappement, constitué par une couronne d'aubes fixes, qui dirige les gaz sur les ailettes du rotor de la turbine. Le compresseur du turbocompresseur comprend essentiellement un rotor à ailettes attelé à l'arbre de la turbine, et un diffuseur d'air de suralimentation.
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Pour remédier à l'inconvénient précité, il faudrait pouvoir adapter les dimensions des turbocompresseurs (distributeurs de gaz et diffuseurs d'air) aux paramètres de fonctionnement du moteur, notamment au couple demandé au moteur.
Des solutions ont été proposées et appliquées:
- n'utiliser aux faibles charges qu'un secteur du distributeur de gaz, mais cela introduit une perte par ventilation;
- utiliser plusieurs turbocompresseurs en parallèle, un quart ou une moitié d'entre eux seulement étant utilisés aux faibles charges, mais cela est encombrant et les vannes nécessaires sont de technologie délicate et difficiles à actionner en synchronisme, ou
- utiliser un turbocompresseur à géométrie variable mécaniquement: les aubages de distributeur et, éventuellement, de diffuseur sont orientables comme cela se pratique dans certaines turbomachi-nes industrielles et aéronautiques, mais au prix d'une complication mécanique.
Ces diverses solutions reviennent à réduire la section de passage des gaz dans le ou les turbocompresseurs, aux faibles charges du moteur, mais ce sont des solutions mécaniques compliquées et coûteuses.
La présente invention permet, dans un turbocompresseur, de réduire sélectivement la section de passage des gaz par une action fluidique sur la veine de gaz, sans nécessiter aucune pièce mécanique mobile supplémentaire.
Le procédé suivant l'invention consiste à insuffler un jet d'air sous pression entre les aubes fixes du distributeur de gaz de la turbine, en direction sensiblement radiale vers la veine de gaz, de façon à établir un barrage fluidique restreignant la section de passage effective de la veine de gaz entre les aubes vers le rotor de la turbine. De préférence, on insuffle un jet d'air entre chaque paire d'aubes fixes du distributeur.
Grâce à ce procédé, la veine de gaz chauds voit sa section restreinte par les jets d'air qui la frappent sensiblement perpendiculairement.
Un turbocompresseur de suralimentation pour moteur thermique pour la mise en œuvre du procédé suivant l'invention est caractérisé en ce qu'il est prévu, dans l'enveloppe du distributeur de gaz à aubes fixes de la turbine, entre les aubes fixes, des fentes ou orifices de soufflage d'air débouchant sensiblement en direction radiale dans la section de passage des gaz d'échappement entre les aubes fixes, et en ce que lesdites fentes sont raccordées, à l'extérieur du distributeur, à une canalisation de distribution d'air communiquant avec une source d'air sous pression, grâce à quoi la section de passage des gaz d'échappement dans la turbine peut être réduite par le rideau fluidique soufflé radialement par lesdites fentes ou orifices.
L'air alimentant les fentes de soufflage peut provenir d'une source extérieure d'air comprimé, car le débit et la pression nécessaires ne sont pas considérables.
Mais, suivant une forme préférée de l'invention, cet air provient d'un prélèvement sur le circuit de suralimentation du moteur, en aval du compresseur du turbocompresseur.
Cette disposition présente un très grand intérêt, car elle combine et cumule les effets avantageux du système de réduction de la section de passage des gaz et du système connu de dérivation d'une partie de l'air de suralimentation vers la turbine du turbocompresseur.
Ce système connu de dérivation, couramment désigné sous le terme de système by-pass, consiste à prélever de l'air au refoulement du compresseur d'air et à le conduire directement à l'entrée turbine. Un organe souvent dénommé soupape de AP règle le débit d'air dérivé en fonction de certains paramètres liés au moteur. Le moteur est ainsi by-passé par une petite quantité d'air de 0 à 50% environ du débit d'air total.
L'effet du by-pass est le suivant: la turbine du turbocompresseur reçoit, lorsque le by-pass est ouvert, un débit de gaz plus grand, à une température plus faible en raison de la dilution par l'air by-passé. Quand on augmente la section de passage du by-pass, il y a augmentation de l'énergie sur la turbine, donc sur le compresseur, et la pression d'air monte.
Au-delà d'une certaine section de by-pass, la température chute trop et l'énergie sur la turbine diminue. Il existe donc un optimum. En général, il faut fermer la soupape AP à 100% de la charge nominale, et l'ouvrir en grand à 35%, le fonctionnement étant progressif, bien entendu. On voit que c'est aux faibles charges que le débit d'air by-passé est le plus grand.
Si l'on utilise cet air de by-pass pour réduire fluidiquement la section de turbine, on ajoute deux effets conduisant à une augmentation de pression de suralimentation. Or, c'est précisément aux faibles charges qu'on attend ce résultat et qu'on dispose d'air by-passé permettant d'alimenter les fentes de soufflage.
La combinaison ci-dessus du soufflage et de la dérivation d'air de suralimentation peut être complétée par l'interposition, sur le circuit des gaz d'échappement, d'une chambre de combustion placée en amont de la turbine.
Bien entendu, dans tous les cas, un organe de réglage du débit d'air est interposé sur la canalisation d'amenée d'air sous pression aux fentes de soufflage d'air.
Un système de soufflage d'air suivant l'invention peut également apporter des résultats intéressants dans le cas d'un distributeur de gaz pourvu d'aubes orientables car, dans ce cas, les jets d'air soufflés par les fentes peuvent réduire les fuites marginales autour des aubes.
L'invention sera mieux comprise à la lecture de la description détaillée qui va suivre et à l'examen des dessins annexés qui représentent, à titre d'exemple, plusieurs modes de réalisation de l'invention.
La fig. 1 est une vue schématique, en coupe par un plan axial, d'un turbocompresseur suivant l'invention et de son raccordement à un moteur thermique.
La flg. 2 est une vue en coupe radiale du distributeur à aubes fixes de la turbine du turbocompresseur, sensiblement suivant le plan II-II de la fig. 1.
La fig. 3 est une vue partielle développée du distributeur.
La fig. 4 est une représentation schématique de la restriction de la veine de gaz dans le distributeur.
La fig. 5 est une vue partielle en coupe, à plus grande échelle, du distributeur et du rotor de la turbine.
Les fig. 6, 7 et 8 illustrent la combinaison du système de soufflage d'air, pour la restriction de la veine de gaz, avec le système de dérivation d'air de suralimentation vers la turbine du turbocompresseur.
On a représenté schématiquement sur la fig. 1 un turbocompresseur 2 alimentant en air de suralimentation un moteur Diesel 4. De ce moteur, on a seulement fait figurer le collecteur d'arrivée d'air 6 et le collecteur de gaz d'échappement 8.
La turbine 10 du turbocompresseur comprend, de façon classique, un distributeur de gaz d'échappement 12 qui comporte une couronne d'aubes fixes 14 dirigeant les gaz d'échappement vers les ailettes 16 du rotor 18 de la turbine. Les gaz d'échappement, provenant du collecteur 8, pénètrent dans la turbine par l'entrée de turbine 20 et s'échappent à l'atmosphère, après avoir travaillé dans la turbine, par la galerie de sortie 22.
Le rotor 18 de la turbine est calé sur un arbre 24, sur lequel est également calé le rotor 26 du compresseur 27, ce rotor portant des ailettes 28. L'air atmosphérique 30 (ou en provenance d'un autre étage compresseur) est aspiré dans l'entrée 32 du compresseur et refoulé par la galerie 34 et la sortie 36 du compresseur vers le collecteur 6 d'air de suralimentation du moteur.
Des fentes ou orifices de soufflage d'air 38 sont ménagés dans l'enveloppe 39 du distributeur 12, entre les aubes fixes 14, et débouchent en direction radiale ou sensiblement radiale dans la section de passage des gaz d'échappement entre les aubes fixes, comme on le voit plus clairement sur les fig. 2 et 3.
Les fentes 38 sont raccordées, à l'extérieur du distributeur, à une canalisation de distribution d'air 40 communiquant avec la source d'air sous pression 42, avec interposition d'une vanne de réglage de débit d'air 41.
L'effet de restriction fluidique de la section des gaz est illustré schématiquement par la fig. 4. Les flèches 44 représentent le trajet des gaz d'échappement entre deux aubes fixes du distributeur, la
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flèche 46 représente le jet d'air soufflé par une fente 38 et la ligne 48 schématise le rideau fluidique qui restreint la section de la veine de gaz selon les flèches 44'.
Les fentes ou orifices 38 peuvent être orientés sensiblement perpendiculairement à la veine du gaz ou peuvent être inclinés, par exemple jusqu'à un angle de 30°, vers l'aval ou vers l'amont de la veine. Comme illustré par les fig. 2 et 3, on prévoit une fente 38 entre chaque paire d'aubes 14, les fentes débouchant à l'intérieur du distributeur, par exemple au voisinage du col de la tuyère formée par deux aubes voisines, en direction sensiblement radiale.
Comme représenté plus clairement sur la fig. 5, les fentes 38, ménagées dans l'anneau extérieur 39 de fixation des aubes du distributeur 12, sont alimentées par un canal de distribution d'air constitué par une gorge annulaire 50 creusée dans le bâti extérieur 52 de la turbine. Un perçage 54 dans le bâti 52 permet de raccorder la gorge 50 à la canalisation d'arrivée d'air sous pression 40.
On peut prévoir des fentes 38 de soufflage d'air dans l'anneau extérieur 39 du distributeur au lieu des fentes 38' dans l'anneau intérieur 39' de fixation des aubes, ou encore les deux à la fois comme représenté sur la fig. 5.
Les fentes 38' peuvent être alimentées par une gorge annulaire 50' raccordée à l'arrivée d'air sous pression 40 par des perçages 54' prévus dans le corps central 52' de la turbine.
Pour bien faire comprendre l'invention, on a représenté sur la fig. 1 l'alimentation des fentes de soufflage d'air 38 (et/ou 38') au moyen d'une source extérieure d'air 42.
Dans ce cas, le fonctionnement de l'installation est extrêmement simple: lorsque le moteur est à pleine charge, la vanne 41 est fermée et la turbine fonctionne normalement avec la pleine section de la veine des gaz d'échappement, avec ses performances nominales.
Pour les faibles charges du moteur, on ouvre de plus en plus la vanne 41 pour réduire la section de passage de la veine de gaz sous l'effet des jets d'air soufflé par les fentes. Il est ainsi possible d'obtenir un résultat équivalent à une réduction de section d'environ 50%, ce qui permet de rétablir une suralimentation satisfaisante du moteur à tous les régimes et remédie donc aux inconvénients rappelés au début de la présente description. Bien entendu, la vanne 41 peut être commandée automatiquement par un servomécanisme asservi aux paramètres de fonctionnement du moteur.
Mais la solution la plus avantageuse, pour un turbocompresseur conforme à l'invention, consiste à combiner le système de la réduction fluidique de section de passage dans la turbine, avec le système de dérivation (by-pass) vers la turbine d'une partie de l'air de suralimentation, ce qui permet de cumuler les avantages de ces deux systèmes.
Diverses variantes d'une telle combinaison sont illustrées par les figures schématiques 6, 7 et 8 où l'on a seulement fait figurer les circuits d'air et les circuits de gaz d'échappement.
Sur ces figures, le turbocompresseur est schématisé par sa turbine 10 (avec son entrée de gaz d'échappement 20 et sa sortie à l'atmosphère 22) et par son compresseur 27 (avec son entrée d'air 32 et sa sortie d'air de suralimentation 36). Les fentes de soufflage d'air 38, entre les aubes fixes de la turbine, sont alimentées par la canalisation 40 contrôlée par la vanne 41. On a représenté le moteur 4 avec son arrivée d'air de suralimentation 6 et son collecteur de gaz d'échappement 8.
Selon le mode de réalisation représenté sur la fig. 6, la canalisation 40 est alimentée en air sous pression par une canalisation en dérivation 56 raccordée sur le circuit de refoulement d'air de suralimentation du moteur, c'est-à-dire sur la canalisation 6 entre la sortie 36 de compresseur et l'entrée d'air du moteur. Une portion de l'air de suralimentation, contrôlée par la plus ou moins grande ouverture de la vanne 41, est ainsi prélevée pour alimenter les fentes de soufflage d'air 38 de la turbine.
Suivant l'ouverture de la vanne 41, le prélèvement d'air peut être compris entre 0 et environ 50% du débit d'air total. Aux faibles charges du moteur, lorsque la vanne 41 est à pleine ouverture, les fentes 38 soufflent des jets d'air puissants qui réduisent la section de passage effective des gaz mais, en même temps, du fait du débit d'air des fentes, la turbine reçoit un débit total de gaz plus grand, à une température plus faible en raison de la dilution par l'air dérivé. Ces deux effets se cumulent pour augmenter l'énergie sur la turbine,
donc sur le compresseur, c'est-à-dire pour procurer une augmentation cumulée de la pression de suralimentation. En d'autres termes, suivant l'invention, l'air dérivé est utilisé à deux fins pour obtenir une augmentation de la pression de suralimentation.
En fonctionnement, la vanne 41 est complètement fermée pour la pleine charge du moteur, et elle est complètement ouverte pour environ 35% de la charge, la manœuvre de la vanne étant bien entendu progressive.
La variante représentée sur la fig. 7 est analogue à celle de la fig. 6, si ce n'est qu'une deuxième canalisation de dérivation 58 est prévue entre la canalisation 40 d'alimentation des fentes de soufflage 38 et l'entrée 20 des gaz d'échappement dans la turbine 10. Selon cette disposition, une partie de l'air de suralimentation dérivé est réintroduite, mélangée au gaz d'échappement, dans la turbine pour augmenter l'énergie sur la turbine. Cette disposition peut être avantageuse lorsque la section des fentes de soufflage 38 est insuffisante pour laisser passer la totalité du débit d'air de suralimentation dérivé. Bien entendu, une vanne (non représentée) pourrait également être prévue sur la canalisation 58 pour doser la répartition de l'air entre les fentes et l'entrée de la turbine.
Enfin, la fig. 8 montre une disposition dérivée de celle de la fig. 7, selon laquelle on interpose une chambre de combustion 60 en amont de l'entrée 20 de la turbine 10 pour réchauffer le mélange des gaz d'échappement provenant du collecteur d'échappement 8 et de l'air de suralimentation dérivé provenant de la deuxième canalisation de dérivation 8. Cela permet encore de remonter les performances de la turbine aux faibles charges du moteur.
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Claims (19)

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    REVENDICATIONS
    1. Procédé pour réduire sélectivement la section de passage des gaz dans le distributeur à aubes fixes de la turbine d'un turbocompresseur de suralimentation pour moteur thermique, la turbine étant alimentée par les gaz d'échappement du moteur, caractérisé en ce qu'il consiste à insuffler un jet d'air sous pression entre les aubes fixes en direction sensiblement radiale vers la veine de gaz, de façon à établir un barrage fluidique restreignant la section de passage effective de la veine de gaz entre les aubes vers le rotor de la turbine.
  2. 2. Procédé suivant la revendication 1, caractérisé en ce qu'il consiste à insuffler un jet d'air entre chaque paire d'aubes fixes du distributeur.
  3. 3. Procédé selon l'une des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce que les jets d'air sont alimentés par une source d'air sous pression extérieure.
  4. 4. Procédé selon l'une des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce que l'air sous pression alimentant les jets d'air est prélevé en dérivation sur le refoulement d'air du compresseur de suralimentation qui est entraîné par la turbine et qui fournit l'air de suralimentation au moteur.
  5. 5. Procédé suivant l'une des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que le débit d'air alimentant les jets d'air est sélectivement réglable en fonction des paramètres de fonctionnement du moteur, notamment en fonction de sa charge.
  6. 6. Turbocompresseur de suralimentation pour la mise en œuvre du procédé suivant la revendication 1, pour moteur thermique, qui comprend une turbine alimentée par les gaz d'échappement du moteur et entraînant un compresseur fournissant l'air de suralimentation au moteur, la turbine comportant un distributeur à aubes fixes et un rotor dont l'arbre est attelé au compresseùr, caractérisé en ce qu'il est prévu, dans l'enveloppe du distributeur, entre les aubes fixes, des fentes ou orifices de soufflage d'air débouchant en direction sensiblement radiale dans la section de passage des gaz d'échappement entre les aubes fixes, et en ce que lesdites fentes sont raccordées, à l'extérieur du distributeur, à une canalisation de distribution d'air communiquant avec une source d'air sous pression grâce à quoi la section de passage des gaz d'échappement dans la turbine peut être réduite par le rideau fluidique soufflé radialement par lesdites fentes ou orifices.
  7. 7. Turbocompresseur suivant la revendication 6, caractérisé en ce qu'il est prévu, entre la canalisation de distribution d'air et la source, des moyens de réglage du débit d'air à travers les fentes ou orifices précités.
  8. 8. Turbocompresseur suivant l'une des revendications 6 ou 7, caractérisé en ce qu'il est prévu une fente ou orifice de soufflage d'air débouchant sensiblement radialement entre chaque paire d'aubes du distributeur.
  9. 9. Turbocompresseur suivant la revendication 8, caractérisé en ce que les fentes ou orifices de soufflage d'air débouchent à l'intérieur du distributeur au voisinage du col de la tuyère formée par les deux aubes voisines.
  10. 10. Turbocompresseur suivant l'une des revendications 6 à 9, caractérisé en ce que les fentes ou orifices de soufflage d'air sont ménagées dans l'un au moins des anneaux, extérieur ou intérieur, auxquels sont fixées les aubes fixes du distributeur.
  11. 11. Turbocompresseur suivant l'une des revendications 6 à 10, caractérisé en ce que la canalisation précitée de distribution d'air est constituée par au moins une gorge annulaire, ou collecteur, ménagée dans un bâti entourant le distributeur, toutes les fentes ou orifices précités débouchant, par leur extrémité extérieure, dans ladite gorge.
  12. 12. Turbocompresseur suivant l'une des revendications 6 à 11, caractérisé en ce que les fentes ou orifices sont orientés sensiblement perpendiculairement à la direction de la circulation de la veine de gaz entre les aubes du distributeur.
  13. 13. Turbocompresseur suivant l'une des revendications 6 à 12, caractérisé en ce que la source d'air sous pression alimentant les fentes de soufflage d'air est constituée par une source d'air extérieure.
  14. 14. Turbocompresseur suivant l'une des revendications 6 à 12, caractérisé en ce que la source d'air sous pression alimentant les fentes de soufflage d'air est constituée par un prélèvement d'air de suralimentation du moteur effectué à la sortie du compresseur entraîné par la turbine.
  15. 15. Turbocompresseur suivant la revendication 14, caractérisé en ce qu'il comprend une canalisation de dérivation d'air interposée entre la sortie du compresseur et la canalisation de distribution d'air aux fentes ou orifices précités, et en ce qu'un organe de réglage du débit d'air est monté sur ladite canalisation de dérivation (fig. 6).
  16. 16. Turbocompresseur suivant la revendication 15, caractérisé en ce qu'il comprend, en plus, une canalisation de dérivation supplémentaire branchée entre la première canalisation de dérivation précitée et la canalisation d'entrée des gaz d'échappement dans la turbine (fig. 7 et 8).
  17. 17. Turbocompresseur suivant la revendication 16, caractérisé en ce que la canalisation de dérivation supplémentaire est branchée sur la première canalisation de dérivation, en aval de l'organe de réglage du débit d'air.
  18. 18. Turbocompresseur suivant la revendication 17, caractérisé en ce qu'une chambre de combustion, pour le réchauffage des gaz d'échappement et, éventuellement, de l'air dérivé en provenance du compresseur, est montée en amont de l'entrée des gaz dans la turbine (fig. 8).
  19. 19. Turbocompresseur suivant l'une des revendications 7 à 18, caractérisé en ce que l'organe de réglage du débit d'air à travers les fentes est actionné par un servomécanisme sensible à l'un des paramètres de fonctionnement du moteur, notamment sa charge.
CH597981A 1980-08-01 1981-09-16 Method for reducing the passage cross-section of gas in the distributor of a turbine, and turbocompressor for implementing this method CH642720A5 (en)

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