Les générateurs à pistons libres Pescara

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

Historique

Le principe du générateur à pistons libres est issu des travaux en thermodynamique de Raul Pateras Pescara, marquis Pateras-Pescara, à partir de 1935. Il avait besoin d'air comprimé pour les commandes de ses hélicoptères. Il était souvent appelé: "Le Marquis de Pescara"

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 soient 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. A ce moment le carburant pulvérisé par un injecteur se consume et provoque le 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

A 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 (communication de M. R. 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 )

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 Usine 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 (1 020 ch) en régime continu et avait des très bonnes performances. Un article de M. F. Picard directeur des Etudes 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 6h. 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 59t qui faisait 1000cv 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 Usine 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 6 étages. La puissance de l’engin était annoncée pour 1 770 kW (2 400 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 (T° < 1000 °C) lors de l'admission dans la turbine. La vitesse de rotation de cette dernière était de 12 280 t/mn. 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 1 100 kW (1 500 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 sa réparation était 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 de 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 dans le courant des années 1950, la Marine nationale mit en chantier une série de dragueurs de mines (M701 à M759) portant des noms de constellations ou d'étoiles, dont la propulsion était assurée par des générateurs de gaz à pistons libres Sigma-Pescara accouplés à des turbines à gaz développant 2 000 ch. Ces navires, appartenant à la 10ème division de dragueurs de mines, étaient basés dans le port militaire de 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. Quelques uns de ces navires ré-affectés comme patrouilleurs côtiers (comme le P741 Eridan entres autres) furent ensuite attachés à la base sous-marine de La Pallice et chargés de missions dans le Golfe de Gascogne pour le Centre d'Essais des Landes.

Ces bâtiments sont restés en service jusqu’à la fin des années 1970. Vingt et un navires de type « Sirius » ont été mis en service par la Marines Nationale de 1953 à 1956 ; les caboteur « 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 2400 à 6000 CV. Le 8 novembre 1962, au cours de son voyage en Corse, le général de Gaulle visita le matin la centrale thermique d'Électricité de France à Apreto (Corse), qui était équipée de GS34. En 1963 Christian de Pescara élève ingénieur écrivait un article sur les générateurs à pistons libres Pescara dans la revue technique n° 69 du quatrième trimestre 1963 dans la revue des anciens ingénieurs de l'école Breguet Paris. 500.000 CV de GS34 associés à des turbines permettent la production d'énergie électrique, la propulsion de 47 navires, l'entraînement de compresseurs dans onze industries différentes représentant trente groupes terrestres. La vente s'est faite dans 40 pays.

Quelques réalisations : centrale de 600 KW à Mellaoui, centrale EDF. de 6000 KW de Cherbourg, centrale de Chartres, station des eaux de pompage de la ville de Paris, centrale des ciments Libanais à Chekka, centrale de la S.N. Repal, centrale de 1500 KW de Redeyef, centrale E.D.F de 1250 KW de Reins, centrale de 1500 KW de Nouméa,centrale d'Hassi-Messaoud, Usine Nippon Kokan Kabushiki Kaisha, centrale de Cuba. Centrale de 15000 CV d'Imperial Chemical etc.. Une voiture expérimentale fut réalisée par General Motors. Ces appareils sont construits selon une technologie d'avant la guerre 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. Il s'intègre parfaitement dans un nouveau type de dirigeable breveté en 2002 par Christian de Pescara. 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 d'une électronique de régulation qui commence à être utilisée vers 1970 dans les turbines industrielles.

Bibliographie

La journée de la COMBUSTION à VOLUME CONSTANT. VOL. XIX 1938 pages 143 à 150 et pages 211 à 214: 2 communications par M. R. 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 (www.uisba.com/documents/Gazette_2001.decembre.pdf)

Liens externes

• temps des monstres turbo-générateurs. Témoignage d'un inconnu ayant des plans qui appartenaient à la SIGMA qui a disparu et au bureau d'étude privé Pescara. Ces plans ont été également publiés par la SNCF. et dans les articles de certains ingénieurs des années 1963. L'article n°69 de l'Association des Ingénieurs de l'école Breguet publi la photo de la locomotive
• Un siécle d'invention de Raoul et Christian de Pescara