FR2491137A1 - GAS TURBINE MECHANISM - Google Patents
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Abstract
Description
De nombreuses turbines à gaz utilisées pour la propulsion de véhicules sont pourvues de trois rotors fonctionnant sur des arbres séparés. Habituellement, un rotor est monté sur le même arbre que le compresseur, un rotor constitue le dispositif d'alimentation principal de la puissance de sortie (turbine de puissance), alors que le troisième rotor est inclus dans le système de transmission de maniere qu'il puisse assister l'entraînement soit du compresseur soit de la turbine d'entratnement, en fonction de la charge. Many gas turbines used for vehicle propulsion have three rotors operating on separate shafts. Usually, a rotor is mounted on the same shaft as the compressor, a rotor constitutes the main device for supplying the output power (power turbine), while the third rotor is included in the transmission system so that it can assist the drive of either the compressor or the drive turbine, depending on the load.
La présente invention apporte des solutions avantageuses en ce qui concerne les systèmes de canalisations, d'arbres, de stators et de rotors, ainsi que leurs positions relatives, pour réduire au minimum leur longueur et leur volume et réduire également de ce fait le poids et finalement obtenir des ensembles d'arbres et d'engrenages aussi simples que possible. Ce qu'on recherche est un minimum de pertes de courant gazeux à l'accélération et à la décélération en liaison avec la puissance extraite des gaz, et la récupération de pertes de courant sous forme de radiations de même que la chaleur des gaz d'échappement. The present invention provides advantageous solutions with regard to piping systems, shafts, stators and rotors, as well as their relative positions, in order to minimize their length and their volume and thereby also reduce the weight and ultimately get sets of shafts and gears as simple as possible. What is sought is a minimum of gas current losses at acceleration and deceleration in connection with the power extracted from the gases, and the recovery of current losses in the form of radiation as well as the heat of the gases. exhaust.
Pour obtenir ce résultat, il faut considérer le type et la conception des composants du point de vue de leur résistance et de la technique de leur fabrication, surtout en ce qui concerne les céramiques utilisées pour de petits composants de turbines. To achieve this result, the type and design of the components must be considered from the point of view of their strength and the technique of their manufacture, especially with regard to the ceramics used for small turbine components.
Un mécanisme à turbines à gaz selon la présente invention est caractérisé en ce qu'au moins l'un des rotors de turbine est disposé de manière à être traversé par le courant de gaz de façon générale radiale et de manière que les gaz passent au rotor suivant en utilisant de façon maximale l'énegie résiduelle contenue dans les gaz sortants. A gas turbine mechanism according to the present invention is characterized in that at least one of the turbine rotors is arranged so as to be traversed by the gas flow generally radially and so that the gases pass to the rotor following by making maximum use of the residual energy contained in the outgoing gases.
Les rotors de la seconde et de la troisième turbine peuvent être du type radial et disposés dans le même plan, le courant traversant le rotor de la seconde turbine étant dirigé vers l'extérieur alors que le courant qui traverse le rotor de la troisième turbine est dirigé vers l'intérieur et sort axialement. Le rotor de la première turbine peut être disposé de manière que le courant le traverse axialement, avec transfert des gaz au moyen d'un dispositif à aubes de guidage internes aú second rotor de turbine dont le diamètre est plus important que celui du premier rotor. The rotors of the second and third turbines can be of the radial type and arranged in the same plane, the current passing through the rotor of the second turbine being directed towards the outside while the current flowing through the rotor of the third turbine is directed inward and out axially. The rotor of the first turbine can be arranged so that the current flows through it axially, with gas transfer by means of a device with internal guide vanes to the second turbine rotor whose diameter is larger than that of the first rotor.
En variante, les gaz provenant du rotor de la première turbine peuvent êtrve guidés directement vers le rotor d'une seconde turbine de diamètre sensiblement égal à celui du premier rotor et disposé de manière que le courant traversant combiné -soit radial et axial. Cependant, le rotor de la première turbine peut également être disposé de manière que le courant de gaz soit dirigé radialement vers l'intérieur, le transfert des gaz vers un second rotor ayant sensiblement le même diamètre étant ainsi obtenu directement. Le rotor de la seconde turbine peut alors être disposé de manière à être traversé par un courant combiné radial et axial, le troisième rotor étant disposé dans le même plan que le second. As a variant, the gases coming from the rotor of the first turbine can be guided directly towards the rotor of a second turbine of diameter substantially equal to that of the first rotor and arranged so that the combined through-current is radial and axial. However, the rotor of the first turbine can also be arranged so that the gas stream is directed radially inward, the transfer of the gases to a second rotor having substantially the same diameter being thus obtained directly. The rotor of the second turbine can then be arranged so as to be traversed by a combined radial and axial current, the third rotor being disposed in the same plane as the second.
Le troisième rotor de turbine peut être conçu de manière que le courant qui le traverse radialement entoure le second rotor et qu'il reçoive de ce fait un courant de gaz dirigé radialement et provenant de ce second rotor. The third turbine rotor can be designed so that the current which passes through it radially surrounds the second rotor and thereby receives a stream of gas directed radially from this second rotor.
Si le second rotor de turbine est disposé de manière que le courant le traverse axialement, les gaz passent au troisième rotor par l'intermédiaire d'une volute jumelée dont les chambres sont disposées de façon générale dans le même plan. L'une au moins des parois de transfert est dans ce cas conformée de préférence sous forme d'une lèvre pivotante. If the second turbine rotor is arranged so that the current flows axially, the gases pass to the third rotor by means of a twin volute whose chambers are generally arranged in the same plane. At least one of the transfer walls is in this case preferably shaped in the form of a pivoting lip.
Le second et le troisième rotor peuvent avoir sensiblement le même diamètre et être disposés de manière que le courant-les traverse radialement, le premier rotor, qui est également disposé de façon que le courant de gaz le traverse radialement, comprenant un arbre disposé perpendiculairement à l'arbre des deux autres rotors mentionnés en dernier. The second and the third rotor may have substantially the same diameter and be arranged so that the stream passes through them radially, the first rotor, which is also arranged so that the stream of gas passes through it radially, comprising a shaft arranged perpendicular to the shaft of the two other rotors mentioned last.
Des modes de réalisation de l'invention seront maintenant décrits avec référence aux dessins annexés. Embodiments of the invention will now be described with reference to the accompanying drawings.
La figure 1 représente un mécanisme à turbines à gaz selon un premier mode de réalisation de l'invention. FIG. 1 represents a gas turbine mechanism according to a first embodiment of the invention.
La figure 2 représente une volute jumelée de transit entre le second et le troisième rotor. FIG. 2 represents a twin scroll of transit between the second and the third rotor.
Les figures 3 et 4 représentent des modifications apportées au mécanisme selon la figure 1. Figures 3 and 4 show modifications to the mechanism according to Figure 1.
La figure 5 représente un mécanisme où le premier rotor de turbine est monté "dos contre dos" par rapport au compresseur. FIG. 5 represents a mechanism where the first turbine rotor is mounted "back to back" with respect to the compressor.
La figure 6 représente une volute jumelée de transit entre le second et le troisième rotor de turbine selon le mode de réalisation de la figure 5. FIG. 6 represents a twin scroll of transit between the second and the third turbine rotor according to the embodiment of FIG. 5.
La figure 7 représente à plus grande échelle une partie encerclée sur la figure 6 dans la zone de transition entre les deux chambres de la volute jumelée. FIG. 7 represents on a larger scale a part encircled in FIG. 6 in the transition zone between the two chambers of the twin volute.
La figure 8 représente un mécanisme où les second et troisième rotors sont coaxiaux. Figure 8 shows a mechanism where the second and third rotors are coaxial.
La figure 9 représente à plus grande échelle la disposition des aubes des second et troisième rotors de la figure 8. FIG. 9 shows on a larger scale the arrangement of the blades of the second and third rotors of FIG. 8.
La figure 10 représente un mode de réalisation modifié du mécanisme selon la figure 5, le second et le troisième rotor étant du type axial. FIG. 10 represents a modified embodiment of the mechanism according to FIG. 5, the second and the third rotor being of the axial type.
La figure 11 représente un mécanisme où le premier rotor de turbine et le compresseur sont montés perpendiculairement par rapport à l'arbre des deux autres rotors. FIG. 11 represents a mechanism where the first turbine rotor and the compressor are mounted perpendicular to the shaft of the other two rotors.
Le mécanisme à turbines à gaz représenté à la figure 1 comprend un compresseur 10 entraîné par un premier rotor 11 de turbine à gaz. Une chambre de combustion est indiquée en 12 et un échangeur de chaleur qui transfert la chaleur résiduelle des gaz d'échappement à l'air provenant du compresseur est indiqué schématiquement par la ligne en tiretés et référencé 13. Deux autres rotors de turbine sont indiqués respectivement en 14 et 15, et ils sont interconnectés par un engrenage du type planétaire, désigné dans son ensemble en 16. L'arbre 17 du compresseur et du premier rotor de turbine 11 sont également reliés à l'engrenage. Le compresseur de même que les deux rotors de turbine 14, 15 mentionnés en dernier sont munis d'aubes de guidage d'entrée réglables. The gas turbine mechanism shown in FIG. 1 comprises a compressor 10 driven by a first gas turbine rotor 11. A combustion chamber is indicated at 12 and a heat exchanger which transfers the residual heat from the exhaust gases to the air coming from the compressor is shown diagrammatically by the dashed line and referenced 13. Two other turbine rotors are indicated respectively at 14 and 15, and they are interconnected by a planetary type gear, generally designated at 16. The shaft 17 of the compressor and of the first turbine rotor 11 are also connected to the gear. The compressor as well as the two turbine rotors 14, 15 mentioned last are provided with adjustable inlet guide vanes.
Le second rotor de turbine 14 qui constitue la turbine effective de puissance est du pur type radial et elle comprend une entrée radiale et une sortie radiale, et des aubes à profil bi-dimensionnel pour la turbine elle-même et pour l'anneau de stator qui lui est associé qui est situé à l'intérieur est muni d'aubes réglables. The second turbine rotor 14 which constitutes the effective power turbine is of the pure radial type and it comprises a radial inlet and a radial outlet, and blades with two-dimensional profile for the turbine itself and for the stator ring. associated with it which is located inside is provided with adjustable vanes.
L'étage de turbine 15 (turbine auxiliaire) qui est à l'aval de la turbine de puissance est situé dans le même plan que cette dernière, de manière que la rotation des gaz après la turbine d'entraînement, qui est particulièrement importante quand la turbine est à l'arrêt ou tourne lentement, soit récupérée de maniere optimale par une "volute jumelée" 19 (figure 2) qui permet le transfert du tourbillon de sortie créé après la turbine d'entraînement un nouveau tourbillon dont le courant en rotation est dirigé dans la turbine auxiliaire 15 avec un minimum de pertes de courant (par diffusion, changement de direction, accélération, décélération). The turbine stage 15 (auxiliary turbine) which is downstream of the power turbine is located in the same plane as the latter, so that the rotation of the gases after the drive turbine, which is particularly important when the turbine is stopped or turns slowly, or is recovered optimally by a "twin scroll" 19 (Figure 2) which allows the transfer of the output vortex created after the drive turbine a new vortex whose current in rotation is directed into the auxiliary turbine 15 with a minimum of current losses (by diffusion, change of direction, acceleration, deceleration).
Le troisième rotor de turbine est constitué sous forme d'une turbine radiale dont le courant d'entrée est radial et dont le courant de sortie est dirigé axialement vers l'avant dans la direction allant du système de transmission à l'echan- geur de chaleur 13. Ainsi, la sortie du compresseur de même que l'entrée de la chambre de combustion, et la sortie de l'étage de sortie sont dirigées et concentrées sur une petite surface où l'échangeur de chaleur a été disposé, ce qui permet d'obtenir un très court parcours du courant, un minimum de changements de direction, de bonnes possibilités de déterminer une diffusion de sortie efficace du compresseur avant l'échangeur de chaleur et la chambre de combustion, et un diffuseur de sortie long et droit allant de l'étage de sortie à l'échangeur de chaleur et à la canalisation de sortie qui en part. Toutes les pièces soumises aux gaz chauds sont concentrées dans une partie centrale interne, ce qui détermine un minimum de perte de chaleur et est la raison d'un rendement élevé et d'un plus faible besoin d'isolation. The third turbine rotor is formed in the form of a radial turbine whose input current is radial and whose output current is directed axially forwards in the direction going from the transmission system to the exchanger of heat 13. Thus, the outlet of the compressor as well as the inlet of the combustion chamber, and the outlet of the outlet stage are directed and concentrated on a small surface where the heat exchanger has been arranged, which allows a very short current flow, minimum direction changes, good possibilities to determine an efficient output diffusion of the compressor before the heat exchanger and the combustion chamber, and a long and straight output diffuser going from the outlet stage to the heat exchanger and to the outlet pipe which leaves. All the parts subjected to hot gases are concentrated in an internal central part, which determines a minimum of heat loss and is the reason for a high efficiency and a lower need for insulation.
En outre, ce type de construction implique que les systèmes d'arbres, de paliers et d'engrenages soient disposés de façon nettement séparée des pièces soumises aux gaz chauds. In addition, this type of construction implies that the shaft, bearing and gear systems are arranged distinctly from the parts subjected to hot gases.
En raison du fait que la turbine du compresseur est du type axial et a de faibles dimensions, son inertie est faible alors que la turbine d'entraînement qui est reliée au véhicule est conçue de manière que son rayon soit plus important et que le courant sortant fournisse un couple maximal, en particulier au démarrage et aux vitesses lentes du véhicule, sans qu'il soit nécessaire d'augmenter la vitesse de sortie et les pertes au niveau de la turbine d'entraînement et du transit. Due to the fact that the compressor turbine is of the axial type and has small dimensions, its inertia is low while the drive turbine which is connected to the vehicle is designed so that its radius is greater and that the outgoing current provide maximum torque, particularly at start-up and at slow vehicle speeds, without the need to increase output speed and losses at the drive turbine and in transit.
Cette disposition procure des avantages significatifs quand il s'agit de turbines de véhicules automobiles où il est important que le couple de démarrage soit élevé, que l'accélération soit rapide, que l'énertie du générateur de gaz soit faible et que l'ensemble soit compact. This arrangement provides significant advantages when it comes to motor vehicle turbines where it is important that the starting torque is high, that the acceleration is rapid, that the inertia of the gas generator is low and that all be compact.
En outre les parties en contact avec les gaz chauds de même que la turbine du compresseur peuvent être fabriquées en matériaux céramiques. La volute jumelée et les autres parties immobiles sont de préférence également fabriquées en matériaux céramiques pour des raisons de coût et de poids. In addition, the parts in contact with the hot gases as well as the compressor turbine can be made of ceramic materials. The twin volute and the other stationary parts are preferably also made of ceramic materials for reasons of cost and weight.
La forme plate de la volute jumelée à parois parallèles à l'entrée de la turbine d'entraînement de même qu'à l'entrée de la turbine auxiliaire permet d'utiliser des aubes réglables ayant une forme bi-dimensionnelle simple, efficace et peu coûteuse, mais qui sont importantes pour le transfert du couple dans le système constitué par la turbine d'entraînement et la turbine auxiliaire. The flat shape of the twin volute with walls parallel to the inlet of the drive turbine as well as to the inlet of the auxiliary turbine makes it possible to use adjustable blades having a simple, efficient and low two-dimensional shape expensive, but which are important for the transfer of the torque in the system constituted by the drive turbine and the auxiliary turbine.
En raison du fait que les anneaux de support des aubes réglables de la turbine d'entraînement et de la turbine auxiliaire sont situés dans le même plan et pour ainsi dire tangentes les uns aux autres, les mécanismes de réglage peuvent être interconnectés directement ou reliés par l'intermédiaire d'un mécanisme à engrenages séparé. Pour certaines applications, il peut donc être possible d'utiliser un dispositif de commande commun pour les deux mécanismes à aubes de guidage. Due to the fact that the support rings of the adjustable blades of the drive turbine and the auxiliary turbine are located in the same plane and are almost tangent to each other, the adjustment mechanisms can be directly interconnected or connected by through a separate gear mechanism. For some applications, it may therefore be possible to use a common control device for the two guide vane mechanisms.
La figure 3 représente un mode de réalisation encore plus compact que celui représenté aux figures 1 et 2. Contrairement au mode de réalisation précédent, l'échangeur de chaleur 13a est représenté ici sous forme d'un régénérateur rotatif, de préférence en matériau céramique. Pour obtenir un profil de faible hauteur, la chambre de combustion 12 est disposée horizontalement, bien qu'elle puisse naturellement être verticale ou inclinée en diagonale, ce qui a pour résultat des pertes de courant légèrement plus faibles, mais une hauteur de profil légèrement plus importante. Comme précédemment, la turbine 11 du compresseur est axiale et a un très petit diamètre. La turbine de puissance 14a est toujours du type à courant sortant radial, mais dans ce cas elle fonctionne selon le mode dit à "courants mélangés", c'est-à-dire avec un mélange constitué par un courant radial et un courant axial.La volute jumelée est de même type que celle de la figure 2, mais ses dimensions sont réduites du fait que le stator d'entrée est axial, que la turbine de puissance 14a en a été rapprochée et que cette dernière est conçue pour fonctionner selon le mode à courants mélangés avec un courant de sortie dirigé radialement. La turbine de puissance et son carter sont plus compacts, ce qui réduit la longueur et les pertes de courant gazeux tout en réduisant le prix de la fabrication, le poids et le volume. Tous les rotors à l'exception de celui de la turbine 11 du compresseur sont dans ce cas du type radial et à courant mélangé. FIG. 3 represents an embodiment which is even more compact than that shown in FIGS. 1 and 2. Unlike the previous embodiment, the heat exchanger 13a is shown here in the form of a rotary regenerator, preferably made of ceramic material. To obtain a low profile, the combustion chamber 12 is arranged horizontally, although it can naturally be vertical or inclined diagonally, which results in slightly lower current losses, but a slightly higher profile height important. As before, the turbine 11 of the compressor is axial and has a very small diameter. The power turbine 14a is always of the radial outgoing current type, but in this case it operates according to the so-called "mixed current" mode, that is to say with a mixture constituted by a radial current and an axial current. The twin volute is of the same type as that of FIG. 2, but its dimensions are reduced due to the fact that the input stator is axial, that the power turbine 14a has been brought close to it and that the latter is designed to operate according to the mixed current mode with radially directed output current. The power turbine and its casing are more compact, which reduces the length and the losses of gas current while reducing the manufacturing price, the weight and the volume. All the rotors except that of the turbine 11 of the compressor are in this case of the radial and mixed current type.
Quand il s'agit de très petites unités, la turbine du compresseur est de préférence réalisée en une seule pièce avec l'arbre. Quand on utilise des matériaux céramiques, le compresseur est serti sur l'arbre en céramique dudit compresseur.When it comes to very small units, the compressor turbine is preferably made in one piece with the shaft. When using ceramic materials, the compressor is crimped onto the ceramic shaft of said compressor.
Toutes les turbines, à l'exception de la turbine de puissance 14a, ont été conçues avec des moyeux sans trous. All the turbines, with the exception of the power turbine 14a, were designed with hubs without holes.
Il est très important que la turbine du compresséur chaud ait une forme sans trous qui réduiraient sa résistance. En utilisant un arbre externe de "rétroaction" comprenant un engrenage sur le côté avant du compresseur, on peut munir les trois roues de turbine de moyeux sans trous.It is very important that the impeller of the hot compressor has a shape without holes which would reduce its resistance. By using an external "feedback" shaft comprising a gear on the front side of the compressor, the three turbine wheels can be provided with hubs without holes.
La figure 4 représente un autre mode de réalisation modifié où la turbine lîa du compresseur a la forme d'une turbine radiale. FIG. 4 shows another modified embodiment in which the turbine 11a of the compressor has the form of a radial turbine.
La connexion entre la boîte de vitesses 16 et l'arbre 17a du compresseur est obtenue dans ce cas au moyen d'un arbre externe à "rétroaction" 18 qui permet de réaliser chaque rotor en une seule pièce avec l'arbre qui lui est associé. The connection between the gearbox 16 and the compressor shaft 17a is obtained in this case by means of an external "feedback" shaft 18 which allows each rotor to be made in one piece with the shaft associated with it .
La figure 5 représente une modification ou la turbine de puissance 14b est constituée sous forme d'un étage axial, alors que la turbine llb du compresseur et la turbine auxiliaire 15 sont constituées sous forme de turbines radiales. FIG. 5 represents a modification or the power turbine 14b is constituted in the form of an axial stage, while the turbine 11b of the compressor and the auxiliary turbine 15 are constituted in the form of radial turbines.
De ce fait, on peut réduire encore plus les dimensions de l'ensemble, en utilisant la même technique qu'à la figure 3 et en disposant la chambre de combustion 12 horizontalement et plus près du centre, du fait des faibles dimensions de la turbine située à l'intérieur. Cette disposition procure des possibilités d'augmenter la chambre de combustion et de lui conférer des caractéristiques de faible émission, de permettre l'évaporation de carburants lourds ou la combustion de poudres ou d'émulsions pulvérulentes. Un compromis doit être trouvé entre la compacité, les caractéristiques de faible émission et la possibilité de brûler des carburants spécifiques. Le mode de réalisation selon la figure 5 exige cependant un rapport de pressions plus élevé, et la turbine du compresseur doit nécessairement être plus importante.Pour réduire l'inertie du générateur de gaz, le compresseur de même que la turbine du compresseur doivent être fabriqués sous forme d'ensembles en une seule pièce en matériaux céramiques selon une disposition "dos contre dos" et comportant un palier avant 20 du type en "porte-à-faux", mais de masses relativement faibles en raison du rotor totalement intégré. Le rotor peut être muni de paliers classiques du type assisté à l'huile et ayant une bonne durée de vie et une température de fonctionnement peu élevée. En variante, l'ensemble est muni d'un arbre externe à "rétroaction", la turbine d'entraînement pouvant être formée en une seule pièce avec l'arbre et sans trous, ce qui est préférable car elle doit être dimensionnée pour une vitesse élevée en raison de son petit diamètre.Ceci implique une vitesse de sortie élevée au démarrage et aux vitesses basses de la turbine de puissance, ce qui signifie que le transit dans la "volute jumelée" 19a-est particulièrement critique. Pour cette raison, l'une quelconque ou les deux parois au niveau de la transition entre les deux chambres 21 et 22 de la volute peuvent être munies d'une lèvre ou d'un volet 23 de géométrie variable. Lesdites lèvres ou volets peuvent être commandés par des organes de manoeuvre existants pour les aubes de guidage de la turbine de puissance ou de la turbine auxiliaire. Le mode de réalisation ayant deux lèvres 23 est représenté à plus grande échelle à la figure 7. Dans certains
cas, ce mode de réalisation peut remplacer les aubes de guidage réglables de la turbine auxiliaire, quand il y a une demande plus faible de souplesse et de transmission au cours du démarrage.Therefore, the dimensions of the assembly can be further reduced, using the same technique as in FIG. 3 and by placing the combustion chamber 12 horizontally and closer to the center, due to the small dimensions of the turbine. located inside. This arrangement provides possibilities to increase the combustion chamber and to give it low emission characteristics, to allow the evaporation of heavy fuels or the combustion of powders or powdered emulsions. A compromise has to be found between compactness, low emission characteristics and the possibility of burning specific fuels. The embodiment according to Figure 5, however, requires a higher pressure ratio, and the compressor turbine must necessarily be larger. To reduce the inertia of the gas generator, both the compressor and the compressor turbine must be manufactured. in the form of one-piece assemblies of ceramic materials according to a "back to back" arrangement and comprising a front bearing 20 of the "cantilever" type, but of relatively low masses due to the fully integrated rotor. The rotor can be fitted with conventional bearings of the oil assisted type and having a good service life and a low operating temperature. As a variant, the assembly is provided with an external “feedback” shaft, the drive turbine being able to be formed in one piece with the shaft and without holes, which is preferable since it must be sized for a speed high due to its small diameter. This implies a high output speed at start-up and at low speeds of the power turbine, which means that the transit in the "twin volute" 19a-is particularly critical. For this reason, any one or both walls at the transition between the two chambers 21 and 22 of the volute can be provided with a lip or a flap 23 of variable geometry. Said lips or flaps can be controlled by existing operating members for the guide vanes of the power turbine or of the auxiliary turbine. The embodiment having two lips 23 is shown on a larger scale in FIG. 7. In certain
In this case, this embodiment can replace the adjustable guide vanes of the auxiliary turbine, when there is a lower demand for flexibility and transmission during start-up.
Les figures 8 et 9 représentent un mode de réalisation comprenant une turbine d'entraînement purement radiale 14 selon la figure 1, mais comprenant dans ce cas une turbine auxiliaire externe et concentrique 15a. Cette disposition assure un rendement maximal et permet d'obtenir un ensemble très compact. FIGS. 8 and 9 represent an embodiment comprising a purely radial drive turbine 14 according to FIG. 1, but in this case comprising an external and concentric auxiliary turbine 15a. This arrangement ensures maximum performance and makes it possible to obtain a very compact assembly.
La canalisation entre la turbine d'entraînement et la turbine auxiliaire d'une part, et la volute jumelée d'autre part a été dans ce cas totalement éliminée tout en obtenant dans le même temps une action de diffuseur naturelle avec une vitesse de sortie radiale très faible de la turbine auxiliaire et avec des pertes de sortie réduites en proportion. Le nombre de courbes et la longueur de la canalisation sont réduits au strict minimum, et l'ensemble constitué par le système de la turbine de puissance et la turbine auxiliaire consiste en des aubes bi-dimensionnelles simples et efficaces qui déterminent un courant bi-dimensionnel pratiquement idéal. Le système procure également un couple de démarrage maximal, probablement de 8:1 et plus, et un bon rendement sur toute la gamme de fonctionnement. The pipe between the drive turbine and the auxiliary turbine on the one hand, and the twin volute on the other hand was in this case completely eliminated while obtaining at the same time a natural diffuser action with a radial output speed very low level of the auxiliary turbine and with proportionally reduced output losses. The number of bends and the length of the pipe are reduced to a strict minimum, and the assembly constituted by the power turbine system and the auxiliary turbine consists of simple and efficient two-dimensional blades which determine a two-dimensional current. practically ideal. The system also provides maximum starting torque, probably 8: 1 or more, and good performance over the entire operating range.
Le problème est de construire une turbine de puissance résistant aux tensions de température, aux chocs thermiques et aux contraintes centrifuges, et comprenant un joint à labyrinthe suffisant entre les anneaux de turbine. Un autre avantage découlant naturellement du système est que la turbine auxiliaire qui fonctionne à la température la plus basse peut être construite en un métal composite, du moins en ce qui concerne le disque de turbine lui-même. En raison du diamètre relativement important du disque, on peut l'utiliser comme un composant à inertie de rotation naturelle en vue d'accélérations ou de décélérations momentanées et simultanées du générateur de gaz et du véhicule au moyen d'une transmission variable (CVT) 30 par exemple du type à courroie d'acier.Le système du générateur de gaz peut être disposé en variante selon le système des rotors en "dos à dos" et en porte-à-faux représenté à la figure 5, et procurant les avantages précédemment mentionnés. Dans ce cas, la transmission par rétroaction du générateur de gaz est déplacée vers un endroit situé à l'avant du compresseur, le compresseur et la turbine étant rassemblés de manière à obtenir un maximum de compacité et un minimum d'inertie (le rotor, le compresseur et l'arbre de turbine étant en matériaux céramiques et en une seule pièce), un minimum de porte-à-faux du rotor et un minimum de poids en porte- -faux du rotor.En conjonction avec des paliers à glissement et élastiques, assistés à l'huile, ceci permet d'obtenir un maximum de fiabilité de fonctionnement et de durée de vie pour le rotor du générateur de gaz qui constitue pour ainsi dire le coeur du système. The problem is to build a power turbine resistant to temperature tensions, thermal shocks and centrifugal constraints, and comprising a sufficient labyrinth seal between the turbine rings. Another advantage arising naturally from the system is that the auxiliary turbine which operates at the lowest temperature can be constructed from a composite metal, at least as far as the turbine disc itself is concerned. Due to the relatively large diameter of the disc, it can be used as a component with natural rotational inertia for momentary and simultaneous acceleration or deceleration of the gas generator and the vehicle by means of a variable transmission (CVT) 30, for example of the steel belt type. The gas generator system may alternatively be arranged according to the "back to back" and cantilever rotor system shown in FIG. 5, and providing the advantages previously mentioned. In this case, the feedback transmission of the gas generator is moved to a place located at the front of the compressor, the compressor and the turbine being brought together so as to obtain maximum compactness and minimum inertia (the rotor, the compressor and the turbine shaft being made of ceramic materials and in one piece), a minimum of cantilever of the rotor and a minimum of cantilever of the rotor. In conjunction with sliding bearings and elastic, oil-assisted, this allows maximum operating reliability and service life for the gas generator rotor, which is, so to speak, the heart of the system.
En ce qui concerne le système de la turbine de puissance, la partie importante pour une turbine de véhicule automobile est constituée par les pièces immobiles du carter 31 (voir figure 9) qui sont toutes constituées par des lames réglables 32, 33 montées avec leurs mécanismes de rotation proches les uns des autres, supportées dans le même organe de manière que les deux rotors puissent être montés avec les paliers et leurs supports directement dans la partie de transmission. Regarding the power turbine system, the important part for a motor vehicle turbine is constituted by the stationary parts of the casing 31 (see FIG. 9) which are all constituted by adjustable blades 32, 33 mounted with their mechanisms of rotation close to each other, supported in the same member so that the two rotors can be mounted with the bearings and their supports directly in the transmission part.
Il en résulte une très grande simplification du montage, de l'inspection et du service, et une bonne fiabilité de fonctionnement.This results in a very great simplification of assembly, inspection and service, and good operating reliability.
Selon la figure 9, la turbine d'entraînement est fabriquée en deux parties comprenant une garniture intermédiaire flexible 34 en forme de plaque mince (anneau de blocage) en un matériau résistant à la chaleur (mais de densité réduite). According to FIG. 9, the drive turbine is made in two parts comprising a flexible intermediate lining 34 in the form of a thin plate (blocking ring) made of a material resistant to heat (but of reduced density).
La couronne d'aubes 35 est fabriquée en un matériau céramique composite comportant des fibres (éventuellement rassemblées en paquets) et dirigées longitudinalement en vue d'obtenir une résistance à la traction maximale à haute température et une résistance à la corrosion. Les anneaux latéraux 36 qui portent les aubes sont équilibrés thermiquement et mécaniquement pour obtenir des mouvements uniformes sur les deux côtés du rotor, aussi bien en ce qui concerne les changements de température que les changements de vitesse (contraintes centrifuges). En ce qui concerne le disque, on obtient une bonne flexibilité du fait de la bague de blocage élastique et mince 34 qui, si nécessaire, peut être fendue de façon appropriée pour obtenir plus d'élasticité.The blade crown 35 is made of a composite ceramic material comprising fibers (optionally gathered in bundles) and directed longitudinally in order to obtain maximum tensile strength at high temperature and resistance to corrosion. The lateral rings 36 which carry the blades are thermally and mechanically balanced in order to obtain uniform movements on the two sides of the rotor, as regards both temperature changes and speed changes (centrifugal stresses). As far as the disc is concerned, good flexibility is obtained due to the elastic and thin locking ring 34 which, if necessary, can be split appropriately to obtain more elasticity.
On obtient un blocage interdisant toute rotation relative entre la couronne d'aubes et le disque au moyen de rabats découpés dans la bague de blocage leur permettant de s'accrocher dans des évidements respectifs du disque et de la couronne d'aubes, les évidements étant formés directement lors de la fabrication (par moulage sous pression, ou en réalisant un flan pour la couronne d'aubes et le disque avant leur frittage). De préférence, la couronne d'aubes est moulée sous pression en deux pièces: un anneau portant des aubes avec un minimum de jeu, et un anneau séparé, par exemple fritté au moyen d'un procédé par pression à impacts élevés pour obtenir la pièce comprenant l'anneau et les aubes. A blocking is obtained preventing any relative rotation between the blade crown and the disc by means of flaps cut in the locking ring allowing them to hang in respective recesses of the disc and the blade crown, the recesses being formed directly during manufacturing (by pressure molding, or by making a blank for the crown of blades and the disc before sintering). Preferably, the crown of blades is die-cast in two parts: a ring carrying blades with minimum play, and a separate ring, for example sintered by means of a high impact pressure process to obtain the part. including the ring and the vanes.
En ce qui concerne la turbine auxiliaire 15a, elle peut être fabriquée soit de la même manière que la turbine de puissance, soit au moyen d'un procédé dit de "gatorizage" qui est un procédé à grand rendement pour fritter des roues de turbine métalliques avec un matériau à grande résistance, un anneau à ressort élastique en forme de "soufflet" 37 étant formé sur la partie externe du disque de manière à donner la possibilité d'une dilatation individuelle équiliDrée et uniforme des deux anneaux terminaux 38, 39 de la couronne d'aubes et du disque respectivement. On évite la conduction de la chaleur vers le disque en raison de la pièce élastique très mince qui est représentée beaucoup plus épaisse sur le dessin.En ce qui concerne l'étanchéité entre l'élément à aubes et le stator, cette étanchéité est du type à labyrinthe classique, l'une des parties, de préférence le stator, étant pourvue d'un matériau en céramique de meulage pulvérisée à la flamme sur lui. As regards the auxiliary turbine 15a, it can be manufactured either in the same way as the power turbine, or by means of a process known as "gatorizage" which is a high-efficiency process for sintering metal turbine wheels with a material with high resistance, an elastic spring ring in the form of a "bellows" 37 being formed on the external part of the disc so as to give the possibility of an individual balanced and uniform expansion of the two end rings 38, 39 of the crown of blades and disc respectively. The conduction of heat to the disc is avoided due to the very thin elastic part which is shown much thicker in the drawing. As regards the seal between the paddle element and the stator, this seal is of the type in a conventional labyrinth, one of the parts, preferably the stator, being provided with a ceramic grinding material sprayed by flame on it.
La figure 10 représente une modification du mode de réalisation de la figure 5 où la turbine auxiliaire 15b a été disposée pour constituer un étage axial. Les rotors 14b et 15b sont légèrement décalés l'un par rapport à l'autre dans le sens axial, et les deux chambres de la volute 7ume- lée de transit l9b sont situées dans le même plan. FIG. 10 represents a modification of the embodiment of FIG. 5 where the auxiliary turbine 15b has been arranged to constitute an axial stage. The rotors 14b and 15b are slightly offset relative to each other in the axial direction, and the two chambers of the 7ute scroll volute 19b are located in the same plane.
La figure 11 représente une disposition de turbine selon l'invention ayant un minimum de longueur. L'arbre de "rétroaction" et d'augmentation de la turbine du compresseur comprend ici un engrenage conique 40 permettant un renvoi à 900 entre le générateur de gaz et l'unité d'entraînement. FIG. 11 represents a turbine arrangement according to the invention having a minimum of length. The “feedback” and augmentation shaft of the compressor turbine here comprises a bevel gear 40 allowing a reference to 900 between the gas generator and the drive unit.
Le rotor 10, llb du générateur de gaz est du type totalement radial, en "dos à dos" et fabriqué entièrement en matériau céramique. L'arbre de la turbine du compresseur comprend un palier 45 sur le côté froid, comme décrit précédemment. La turbine de puissance 14d et la turbine auxiliaire 15d sont du type radial, identiques à la turbine du compresseur et à la turbine d'entraînement selon la figure 4. Le courant est dirige vers l'intérieur de la turbine d'entraînement, ce qui permet d'utiliser des aubes de guidage réglables 41 entre des parois planes parallèles, permettant de simplifier la construction. The rotor 10, 11b of the gas generator is of the totally radial type, "back to back" and made entirely of ceramic material. The compressor turbine shaft includes a bearing 45 on the cold side, as described above. The power turbine 14d and the auxiliary turbine 15d are of the radial type, identical to the compressor turbine and to the drive turbine according to FIG. 4. The current is directed towards the interior of the drive turbine, which allows the use of adjustable guide vanes 41 between parallel flat walls, thereby simplifying construction.
La connexion entre le générateur de gaz et la turbine d'entraînement est réalisée au moyen d'une volute 42 qui n'applique qu'une faible charge dynamique aux aubes de guidage 43 de la turbine d'entraînement qui peut être conçue de manière qu'elle n'ait qu'un nombre réduit d'aubes, ce qui détermine une réduction correspondante des pertes par frottement provenant du courant de même que des pertes mécaniques. The connection between the gas generator and the drive turbine is made by means of a volute 42 which applies only a small dynamic load to the guide vanes 43 of the drive turbine which can be designed so that 'It has only a reduced number of blades, which determines a corresponding reduction in friction losses from the current as well as mechanical losses.
Le courant est dirigé radialement vers l'extérieur dans la turbine auxiliaire 15d, ce qui réduit au minimum la canalisation et les pertes par dérivation, du fait que les dérivations se font dans la roue qui peut être conçue de manière qu'elle n'ait que de faibles pertes de sortie. La turbine auxiliaire qui est à la température la plus basse comprend un trou central, et si on le désire on peut éliminer ce trou et le remplacer par un arbre externe comme illustré précédemment. Il en va de même pour l'engrenage de rétroaction du générateur de gaz, qui peut être disposé à la partie supérieure à l'avant du générateur de gaz qui est vertical. The current is directed radially outward in the auxiliary turbine 15d, which minimizes the pipe and the losses by bypass, because the bypasses are made in the wheel which can be designed so that it does not have only small output losses. The auxiliary turbine which is at the lowest temperature has a central hole, and if desired, this hole can be eliminated and replaced by an external shaft as illustrated above. The same goes for the feedback gear of the gas generator, which can be arranged at the top at the front of the gas generator which is vertical.
On peut placer des appareils auxiliaires si on le désire à la partie supérieure ou sur le côté du rotor en vue d'un accès aussi facile que-possible à ce système de "rétroaction".Auxiliary devices can be placed at the top or on the side of the rotor if desired for easy access to this "feedback" system.
Tous les composants des rotors ont été conçus pour que les pièces constituant les arbres, les canalisations et les stators, y compris les volutes, puissent être réalisées en matériaux céramiques. All rotor components have been designed so that the parts constituting the shafts, pipes and stators, including the scrolls, can be made of ceramic materials.
Les modes de réalisation décrits et représentés aux dessins doivent être considérés comme des exemples, et les composants qui en font partie peuvent être modifiés de différentes manières tout en restant dans le champ d'application de l'invention. Quand il y a des demandes d'installations spécifiques, il est alors possible d'utiliser l'espace disponible pour réaliser des économies de carburant, et obtenir un faible taux d'émission et/ou-un faible poids. The embodiments described and shown in the drawings should be considered as examples, and the components which form part thereof can be modified in different ways while remaining within the scope of the invention. When there are requests for specific installations, it is then possible to use the available space to save fuel, and obtain a low emission rate and / or a low weight.
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