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Générateur à pistons libres Pescara

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Schéma de fonctionnement d'un générateur de gaz à pistons libres Pescara avec sa turbine à gaz

Le principe du générateur à pistons libres est issu des travaux en thermodynamique de Raul Pateras Pescara, à partir de 1935. Celui-ci avait besoin d'air comprimé pour les commandes de ses hélicoptères.

Ses recherches visaient principalement à obtenir :

  • une puissance massique plus élevée que celle d'un moteur Diesel,
  • un meilleur rendement
  • l'utilisation d'un carburant moins raffiné et donc moins cher.

Principe

Schéma simplifié d'un générateur à pistons libres Pescara

Le générateur à pistons libres fonctionne comme un moteur Diesel 2-temps qui ne transforme pas le mouvement linéaire alternatif de ses pistons en mouvement circulaire continu, car il ne dispose ni de bielles ni de vilebrequin. Il n'en résulte donc que des cycles compression-détente. L'admission et l'échappement se font par l'intermédiaire de lumières qui se découvrent en fin de course.

Il est constitué de deux pistons doubles qui s'approchent et s'écartent l'un de l'autre. La première partie du piston, de plus faible diamètre, est la partie « motrice ». La seconde partie, d'un plus grand diamètre et située en arrière, est la partie « compressive ». Sur sa face arrière il comprime de l'air dans un volume appelé « matelas », dont la vocation est d'une part, de limiter la course de l'ensemble et d'autre part, de renvoyer les pistons l'un vers l'autre dès que la pression motrice chute après que les lumières d'échappement se sont ouvertes. Sur sa face avant, il comprime de l'air dans le cylindre compresseur. Cet air comprimé sera utilisé soit pour gonfler des bouteilles d'air de réserve, soit pour assurer le balayage du cylindre moteur après la phase d'échappement et la suralimentation lors de la phase d'admission.

Dans la version du GS34 exploité par la SIGMA. Les matelas communiquent entre eux de manière à équilibrer les pressions et les courses des deux ensembles de pistons. Lors du démarrage du générateur, une forte pression d'air comprimé, provoquée grâce à un distributeur, lance les ensembles pistons l'un vers l'autre pour engendrer une compression dans le cylindre moteur permettant à l'air comburant d'atteindre au moins 600 °C. À ce moment, le carburant pulvérisé par un injecteur se consume et provoque la forte montée en pression des gaz qui va chasser les ensembles pistons vers le point mort bas ; le cycle est amorcé.

Fonctionnement

La combustion du mélange carburant (fioul)-comburant (air) se fait à pression constante. En effet, tant que dure l'injection, la pression sur le piston moteur reste quasi-constante alors que le volume occupé par les gaz augmente consécutivement à l'éloignement des pistons vers leur point mort bas. Lorsque est atteint le rendement maximum, la pression d'air dans les matelas est égale à celle exercée par la combustion dans le cylindre moteur.

Utilisation

À partir de 1936 différents modèles de générateurs furent étudiés par le bureau d'étude Pescara qui avait réalisé des compresseurs à pistons libres pour les travaux publics (Démolition du Trocadéro). Une locomotive d'essai dans laquelle la société Alsacienne de Constructions Mécanique en 1936 a remplacé selon les indications de Raoul Pateras Pescara la chaudière à vapeur par des auto-compresseurs à pistons libres fournissant de l'air comprimé à la même pression que celle de la vapeur. Le premier modèle GS30 fut intégré dans un groupe électrogène qui comprenait deux générateurs GS30 et une turbo-dynamo de 350 kW. Ce groupe fonctionna jusqu'en 1939 aux usines Alsthom de Belfort. Un générateur industriel vertical d'une puissance de 700 ch et d'un poids de 6 tonnes environ, oscillant à 500 impulsions par minute, et fonctionnant entre 1,5 et 4.5 kg/cm².

L'idée géniale du marquis de Pescara fut de balayer la partie moteur par l'air comprimé et ainsi alimenter des turbines grâce à la récupération de l'énergie contenue dans les gaz d'échappement. C'est ainsi qu'est né à partir des compresseurs les générateurs à pistons libres[1].

À la fin de la Seconde Guerre mondiale, la Marine nationale a reçu au titre de dommages de guerre des sous-marins de construction allemande qui étaient équipés de compresseur d'air Junker fonctionnant selon ce système. À la même époque, la tendance étant de remplacer les moteurs à pistons par des moteurs rotatifs du genre turbines à gaz, des ingénieurs de la société Sigma et de la société Rateau appliquèrent l'idée du Marquis aux gaz d'échappement de ce système pour faire fonctionner une turbine à gaz ; le dispositif fut alors appelé « Générateur de gaz à pistons libres ».

Au début des années 1950, la Régie nationale des usines Renault dans ses ateliers de Choisy-le-Roi, construisit un prototype de locomotive mue par ce matériel : le 15 mars 1952, le « 040 GA 1 » sortait des ateliers de construction. Il pouvait développer une puissance de 750 kW (1020 ch) en régime continu et avait des très bonnes performances. Un article de M. F. Picard, directeur des Études et recherche de la Régie nationale des Usines Renault, dans la revue générale des chemins de fer parue en mai 1952, décrit la locomotive prototype 040 GA. 1. Cette locomotive, La Pescara, fut affectée en avril sur la ligne Paris-Cambrai à un service voyageurs express à trafic moyen avec départ et retour à Paris chaque jour. Les 414 km journaliers étaient parcourus en 6 heures. La charge remorquée variait de 160 à 250 t. 105000 km furent parcourus durant la première année. En 1956 après des améliorations continues, ce prototype de 59 tonnes qui faisait 1000 ch se trouvait en porte-à-faux entre le service voyageur et le transport de marchandises.

La SNCF ayant annoncé son intention de remplacer son parc vapeur en totalité, la Régie nationale des usines Renault associée à la Compagnie des ateliers et forges de la Loire (CAFL) entreprit de lancer la construction d'un autre prototype plus puissant, le « 060 GA 1 ». Il était équipé de deux groupes composés chacun d'un générateur de gaz à pistons libres Sigma-Pescara GS 34 et d'une turbine à gaz Rateau à six étages. La puissance de l'engin était annoncée pour 1770 kW (2400 ch). Le générateur « battait » entre 350 et 600 cycles par minute pour une course du piston comprise entre 400 et 500 mm. La température de sortie des gaz d'échappement était de l'ordre de 2 000 °C, mais cette température était plus basse (inférieure à 1 000 °C) lors de l'admission dans la turbine. La vitesse de rotation de cette dernière était de 12280 tr/min. Un second prototype, le « 060 GA 2 », fut mis en chantier.

Ces machines, les « CC 80001 » et « CC 80002 », dont la vitesse sur rail était comprise entre 74 et 128 km/h, seront construites à seulement deux exemplaires. En réalité la puissance de 1100 kW (1500 ch) ne fut jamais dépassée pendant les essais, écrira un technicien, et les pannes des élèments autres que les générateurs se succédèrent non sans avoir au passage brisé quelques vitres dans les gares traversées…

Un ingénieur de la SIGMA, témoin des essais indique, dans le réexamen en 2008 de ses rapports de l'époque, que ce type de locomotive ne fut pas spécialement apprécié par les cheminots et il vécut l'incident qui fit qu'une des machines fut envoyée contre un butoir et dont la réparation fut trop onéreuse. Pour une mise en service régulière, il fallait disposer de deux machines. Ce qui fit dire que ce n'était pas une réussite pour le transport ferroviaire.

Dans un article, M. Brun, ingénieur à la direction du matériel et de la traction de la SNCF en 1962, nous explique que les deux locomotives de 2200 ch comportaient chacune deux générateurs à pistons libres, et qu'elles sont depuis début 1961 en service au dépôt de La Rochelle pour la remorque de trains lourds que les locomotives Diesel CC 65000 ne peuvent remorquer.

Également, la Marine nationale mit en chantier, de 1953 à 1956, une série de 37 dragueurs de mines dont le Sirius était la tête de série. Ils portaient tous des noms de constellations ou d'étoiles. Ils étaient désignés sous le nom de « Type D » ou encore de « Type Europe occidentale ». Pour 21 d'entre eux la propulsion était assurée par des générateurs de gaz à pistons libres Sigma-Pescara accouplés à deux turbines à gaz développant au total 2000 ch. Ces unités constituaient la 1re escadrille de dragueurs de mines (1re ESDRA) basée à Cherbourg. Ils étaient tellement bruyants lors du démarrage à froid (car il fallait garder les purges de balayage ouvertes assez longtemps), qu'ils avaient la réputation, assurément surfaite, de « réveiller tout Cherbourg » mais aussi d'être très pénibles aux oreilles des mécaniciens de quart. Par contre ils possédaient une meilleure signature acoustique que les seize autres dragueurs de mines (dont trois construits pour la Yougoslavie) propulsés par des moteurs Diesels SEMT Pielstick développant la même puissance de 2000 ch. Quelques uns de ces bâtiments furent affectés au port de La Pallice à des missions de patrouilleurs à partir de 1964 et constituaient d'abord la 24e division de dragueurs de mines (24e DIDRA) (Denébola, Pégase, Bellatrix) avant d'être reclassés patrouilleurs. Leur mission qui consistait à sécuriser l'espace maritime dans le Golfe de Gascogne, au large du Centre d'Essais des Landes lors des campagnes de tirs de missiles, a pris fin en 1978.

Les « dragueurs de mines Pescara » ont été rayés des listes de la flotte à partir de 1970, les derniers en 1981.

En plus des dragueurs de mines, la marine nationale a construit un aviso escorteur propulsé par un système Pescara. Il s'agit d'un des neuf aviso escorteurs de type « Commandant Rivière », le Commandant Bory, entré en service 1964 et désarmé en 1996. Ce bâtiment, destiné aux campagnes outre-mer déplaçait 2170 tonnes pour une longueur de 103 mètres. Il était propulsé par quatre turbines à gaz (deux de croisière et deux de puissance) alimentées par seize générateurs à pistons libres Sigma-Pescara d'une puissance unitaire de 1000 ch, chacun entrainant deux hélices à pas variable Kamewa. Sa puissance totale de 16000 ch lui permettait de filer 26 nœuds. Suite à de nombreuses avaries de machine, sa propulsion d'origine a été d'abord remplacé par deux moteur Diesels Pielstick PC25, puis quatre Diesels SEMT Pielstick 12PC 1V400 développant également une puissance de 16000 ch pour une vitesse de 26 nœuds.

Les caboteurs Cantenac et Mérignac ont été mis en service en 1953. Le Liberty ship William Patterson fut modernisé par un appareil propulsif à pistons libres qui porta sa puissance de 2 400 à 6000 ch.

Le 8 novembre 1962, au cours de son voyage en Corse, le général de Gaulle visita dans la matinée la centrale thermique d'Électricité de France à Apreto (Corse), qui était équipée de GS34.

Les GS34 se sont vendus dans quarante pays. Associés à des turbines, ils permettent la production d'énergie électrique, la propulsion de 47 navires, l'entraînement de compresseurs dans onze industries différentes, représentant trente groupes terrestres.

Quelques réalisations : la centrale de 600 KW de Mellaoui, la centrale EDF de 6000 KW de Cherbourg, la centrale de Chartres, la station des eaux de pompage de la ville de Paris, la centrale des ciments Libanais à Chekka, la centrale de la S.N. Repal, la centrale de 1500 KW de Redeyef, la centrale EDF de 1250 KW de Reins, la centrale de 1500 KW de Nouméa, la centrale d'Hassi-Messaoud, l'usine Nippon Kokan Kabushiki Kaisha, la centrale de Cuba la centrale de 15000 ch d'Imperial Chemical etc.. Une voiture expérimentale fut réalisée par le constructeur automobile américain General Motors.

Ces appareils sont construits selon une technologie de 1939 (fonderie). Le rendement excellent de ces générateurs à pistons libres mériterait un nouveau regard en employant de nouveaux matériaux et une régulation électronique. En 1963, Christian de Pescara, alors élève ingénieur, écrivait un article sur les générateurs à pistons libres Pescara dans la revue technique n° 69 du quatrième trimestre 1963 des anciens ingénieurs de l'école Breguet Paris. En 1964, des nouvelles techniques sont préparées par Christian et son père Raul Pateras Pescara, qui décèdera en 1966 à Paris. Ces recherches aboutirent à la création d'une industrie importante qui disparut par manque de modernisme et qui n'a pu bénéficier de l'électronique de régulation qui commencera à être utilisée vers 1970 dans les turbines industrielles.

Notes et références

  1. Communication de Raoul de Pescara « Générateurs à pistons libres et turbine à gaz », page 211 N° 225 janvier 1939 Chaleur et industrie : la journée de la combustion organisée le 16 décembre 1938

Bibliographie

  • Moteur à explosion à pistons libre in Mécanique populaire N°53, octobre 1950 pp. 13-18
  • La journée de la Combustion à volume constant, Vol. XIX, 1938, pp.143 à 150 et pp. 211 à 214, deux communications par M. R. de Pescara
  • Christian de Pescara, Revue n°69 1963 de l'association des Ingénieurs de l'école Breguet.
  • Conférence du 14 juin 2001 UISBA de Christian de Pescara, décembre 2001

Lien externe

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