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Société dite "Holzwarth Gas Turbine Company of America" Perfectionnements aux turbines
La présente invention se rapporte aux turbines à explosions. Elle a pour objet de réaliser un refroidis- sement convenable des parties de la turbine frappées par les gaz de la combustion, à savoir les parois de la cham- ure de combustion, les tuyères et les aubes dela turbine.
D'une part, ce refroidissement ne doit être poussé que jusqu'à un degre tel qu'il ne nuise pas au cycle de tra- vail, dont le rendement est d'autant plus élevé que la température à laquelle les gaz sont introduits dans le cycle est plus élevée et que les gaz sont moins refroidis en abandonnant de la chaleur aux parois. D'autre part, le refroidissement doit avantageusement être de nature telle que la chaleur transmise à l'agent de refroidissement puisse 'être utilisée pour le cydle de travail. Si l'on
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voulait utiliser de l'eau comme agent de refroidissement, la température ne devrait pas dépasser 60 C., si l'on voulait éviter en toute sûreté la formation de vapeur,
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ou bien on aevrait placer l'eau bous pression.
Le relirai- dissement avec de l'eau à 80 diminue trop fortt..ù.6n'; le renae-tnz du cycle de travail étant donne ue et refroi- cisE:.en Eralève aux gaz une trop urunue quantité ke cha- leur; là mise sous pression de l'eau présente l'in- convnient que l'on doit rendre étanches les eliuacrec- de refroidissement, ce qui implique det frais et nuit à la sccuritM du fonctionnement.
La présente invention a pour out c.'éviter lE inconvénients existant dans le cas d'un ref:roiaÜ.....6:..6nt rar ecu et de permettre une bonne utilisation de la cha- leur enlevée par le refroidissement.
Le premier uoyen de résoudre ce problème consis-
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te à choisir c#àe agent de refroidissement de 11-iu4le température d'éuullition élevée et à laiswer inb ren- dre à l'agent de refroidissement une ter""turé plus élevée, sans qu'il soit nécessaire d'utiliser des .rc;ssions plus fortes dans les chambres de refroidissement.
La fig. 1 de la planche I représente sc:i1eum...i- queiaent une forme de réalisation.
1 débine l'une* des ch0ré d'explosion d'une turbine à explosions. 2 désigne les soupape& de tuyère, à travers lesquelles les gaz de la combustion 'écoulent dans les tuyères ; 3désigne l'anneau de tuyères, dans
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lequel les soupapes de tuyères sont Dontées; 4 assigne les tuyères, qui reçoivent le courant de baz de la cobub- tion sortant des soupapes des tuyères et qui le dirigent contre les aubes (non représentées) de la turoine. pendant
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le travail de la turbine, la chaleur des baz se coF.L:unic;,ue en partie aux parois des chambres d'explosion, en partie aux soupapes des tuyères et aux tuyères.
Ces parties de-
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viennent ainsi si chaudes qu'elles doivent être refroi- dies, le refroidissement devant être d'une nature telle que le rendement de la turbine soit aussi élevé que pos- sible.
Le système de refroidissement prévu à cet effet est constitué par le dispositif suivant.
Une pompe à huile 5 est raccordée par des con- duites appropriées 5a aux chambres de refroidissement, qui entourent les chambres d'explosion 1, les soupapes de .tuyères 2 et l'anneau de tuyères 3, de la manière habituel- le. Des conduites.de retour 5b vont de ces chambres de refroidissement à un échangeur de température 6; après avoir parcouru celui-ci,l'agent de refroidissement re- vient par la conduite de retour 5c au coté d'aspiration de la pompe 5. L'échangeur de température 6 est muni d'un orifice d'entrée 7, et d'un orifice de sortie 8, par exem- ple pour la circulation d'eau d'alimentation, qui sert à l'échange de température avec l'huile chaude.
Par cette disposition, l'huile, à température de vaporisation éle- vce, est refoulée au moyen de la pompe, 5 à travers les conduites 5a jusqu'aux différentes chambres de refroidis- sement. L'huile enlève ainsi la partie de la chaleur en excès, qui nuirait aux organes de machines avec lesquels elle vienarait en contact, et refroidit ainsi la chambre d'explosion, les soupapes de tuyères et l'anneau de tuyè- res. L'nuile à température élevée revient alors à la pom- pe 5 en passant par les conduites 5b, l'échangeur de tem- pérature 6 et la conauite de retour 5c.
L'eau, que l'on a fait passer à travers l'échangeur de température, entrant en 7 et sortant en 8, est fortement chauffée par absorp- tion de chaleur ; il est possible d'amener ainsi jusqu'à 2000 C. la température de l'eau. La chaleur peut ainsi . être utilisée.
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Il a été constaté que l'on peut obtenir une
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amélioration notable du rendement de telles #turoinet z. eoiibutition en faisant effectuer tout le cycle u.e #cravi-il ;:OU:3 des teupératures et des pression aussi sl6.ve ue possible. Conformément à l'invention,la chambre u'eciiap- peuent c...ui, dans les turbines à cououszion Iiabituelleô, est en communication directe avec 1 'a-aashérE , eau main- . tenue à une pression plus élevée, par exeiaple de 10 at- mosphères. De deze que la pression d'écho.';.;6üE:u::, on ac- croît également la pression d'amenée pour l'air ue coiious.- tion eu le combustible.
Si, à titre d'e e.le, un c...",,-,-'ç,e le. cixau'ore de combustion avec un ..élanGe d'air et i-e cou- bustiole tous une pression de 10 aria. et Si l'explosion
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s'effectue à cette pression, elle s'élève jusqu'a 5v a.tm. Si, dans de telles turbines, comme il est avantagea;: ¯,our assurer un refroidissement suffisant, ondamet sur la roue
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à aubes non seulement les gaz de la cuaustic,.i aua-i de la vapeur, on choisira également pour la vapeur admise
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la e#e pressienue la pression uaxiilla deL az, c'ewi-. dire dans l'exemple considéréune pression de 5G ati.i. et proi4ativellent la;mé.e pression d'àchapeuenc;, c'e:.,- a-dire ébalement 10 atm.
L'utilisation ultérieure des az et valeur .=, qui ne sont que partiellement détendus, peut avoir lieu de différente smanières.
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Conforciement à la présente invention, on ué- lanoe les az et vapeurs derrière la roue à auLEo::' ae la turbine a haute pression. Il a été constate Hue ce ué- lane possède, dans l'exemple considéré, une te;;J.j?&r2"ture d'environ 450 C.
La chambre d'échappement de la turbine sert
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ainsi alors coiuiue chambre collectrice et chambre de iaee- lane pour les gaz d'explosion, les vapeurs et l'air de
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refroidissement, ce dernier devant toujours être envoya.
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dans les turbines à explosions pour assurer l'évacuation des gaz d'échappement hors des chambres de combustion. Le mélange est alors amené à une turbine à plusieurs étapes, et on disposera de préférence cette dernière turbine de telle manière qu'elle actionne également l'axe de la tur- bine à gaz à haute pression, le mélange se détendant en étages jusqu'à la pression atmosphérique.
On fait ensuite, de préférence, passer le mélange de gaz de la combustion, vapeur et air, à travers une chaudière de récupération des chaleurs perdues et on le laisse ensuite s'échapper dans l'atmosphère sans condensation de la vapeur. La va- peur produite dansla chaudière de récupération des cha- leurs perdues est utilisée pour le refroidissement de la turbine à gaz à haute pression. Cette turbine, dans la- quelle le fluide moteur se détend de 50 à 10 atm., peut être une turbine Curtis avec une double couronne ; toute-fois on peut également obtenir de bons résultats, ou même encore des résultats meilleurs, avec une turbine à action avec une Leule couronne.
Le deuxième étage de détente, de 10 atm. à la pression atmosphérique, est réalisé de pré- férence dans une turbine à réaction à plusieurs étages, à travers laquelle on fait passer le mélange de vapeur et de gaz de la combustion, avec une vitesse moyenne, mais avec un rendement très élevé.
On obtient deux avantages principaux par ce nouveau mode opératoire : des pressions initiales élevées assurent, en combinaison avec une construction appropriée de la turbine, un rendement élevé et une grande durée. En d'autres mots, le rendement théorique devient très élevé (60% et davantage) par l'utilisation des hautes pressions, et le rendement mécanique devient également très"élevé, par la division ou répartition de la chute de pression et par la réduction de la vitesse du jet. Des turbines possé-
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dant cette construction atteignent un rendement total de
40%, c'est-à-dire plus que ce qu'onpouvait obtenir jus- qu'ici dans des moteurs thermiques.
Au lieu d'amener les gaz d'échappement ae l'é- tape a haute pression à une turbine à réaction à plusieurs étages, on peut également, au moyen de ces gaz d'echappe- ment (avec une pression d'environ 10. atm.), alimenter les cylindres d'une machine de locomotive ou d'une machine marine.
Un autre avantage de l'invention reside en ce u'il est possible de diminuer notablement les imensions et le poids de toute l'installation par rapport aux dis- positions employées jusqu'ici; cette possibilité résulte aussi de l'utilisation des hautes pressions et au plus @ rand nombre de tours de l'arbre de la turbine.
Un exemple d'une disposition d'ensemble suivant l'invention ést représenté sur la planche II des dessins ci-joints, qui doivent être considères comice schémentques 10 désigne la turbine à haute pression, à la périphérie de laquelle sont disposées les tuyères 11, alimentées par les gaz de combustion, qui alternent avec des tuyères à vapeur Les tuyères à gaz 11 reçoivent leurs gaz de combustion à partir des chambres d'explosion 13. 14 dési- gne les tuyères pour l'amenée d'air de balayage.
Les= gaz de combustion, l'air de balayage et la vapeur, sortant de la turbine à haute pression,.pénètrent danb une chambre d'échappement ou chambre collectrice 15, dans: laquelle ils sont mélangés, la pression dans cette chambre ae mé- lane étant de 10 atm. environ, tandis que la pression du fluide moteur dans les chambres de combustion lors de l'explosion se détend à partir de 50 atm, environ. De la chambre d'échappement 15, le mélange gazeux pénètre dans le deuxième étae de la machine de détente, désigné par 16. Cet étage est de préférence tel qu'il permette une @
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détente de 10 atm. à la pression atmosphérique ou une pression voisine de celle-ci.
Dans l'exemple de réalisa- tion représenté, il a été choisi à cet effet une turbine à plusieurs étages. Toutefois, on peut, comme mentionné lus @aut, également utiliser une machine à piston, telle que celle.: habituellement employées comme machines de lo- comotivesou machines marines.
L'échappement de la deuxième machine de déten- te, approximativement à la pression atmosphérique, tra- verse un faisceau tubulaire 17 ou un échangeur de tempéra- ture analogue, pour produire de la vapeur dans la chaudiè- re 18 ; cette vapeur est alors amenée aux tuyères 12, De préférence, cette deuxième machine de détente actionne, confie représenté, le même arbre que celui actionné par la turoine à haute pression.
Dans une autre forme de réalisation de l'inven- tion, les' gaz et vapeurs, s'échappant de la turbine à haute pression avec une pression supérieure à la pression atmosphérique, ne sont pas évacués ensemble, mais séparé- ment, et sont encore détendus séparément dans des turbi- nes à plusieurs étages de pression. Les gaz détendue, s'é- chappant d'une telle turbine à plusieurs étages, sont alors amenés à une cha.udière de récupération de chaleur, pour produire la vapeur à hau-te pression, et sont ensuite évacués dans l'atmosphère. La vapeur, s'échappant de la turbine à plusieurs étages, est amenée à une turbine à vapeur à basse pression, qui est raccordée à un conden- seur. Ces trois turbines peuvent agir toutes sur le même arbre.
Toutefois les turbines peuvent être utilisées pour actionner séparément des machines différentes. Par exem- ple, l'une d'elles peut être utilisée pour actionner les souffleries qui alimentent d'air et de gaz la turbine à haute pression ou la turbine à gaz à basse pression,
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Dans la turbine à haute pression, la te:.jser.tu- #re des baz à admettre est, dans les conditions consiué- rées comme favorables, d'environ 1700 C, la température de la vapeur d'admission est d'environ 320 C., 1- tempé- rature ce sortie des gaz de la turbine à haute pression
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est d'environ 100G' , , la température ae sortie de la vapeur est d'environ 120 C.
Les Èaz et vapeurs :ont-ae- nés, avec ces températures, c'est-à-dire sans être mélan- gés entre eux, à une turbine à plusieurs étapes (turbine
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à pression moyenne). Dans cette turbine à pression moyen- ne, la température des gaz descend jusqu'à 450 C, et la
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température de la vapeur s'élève par contre e. 450'- G. Rn- iin, dans la turbine à basse pression, la tejuuératuru de la vapeur descend à 120 C.
Les pressions appropriées dans les différente étapes, dans les conditions admises, sont approximative- ment les suivantes : la pression initiale dans la turbine
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a. haute pression pour les gaz et les vapeurs et ce 25 a till. la presticn à' échappement est de 4 ataa. Dans le euxiëme étage, la pression descend de 4 atm, à 1,06 atm. Dans la turbine à vapeur à basse pression, la détente a lieu jus- qu'à la pression du condenseur, 0,05 atm. La vapeur exerce un effet de refroidissement, aussi bien dans la turbine à haute pression que dans la turbine à pression moyenne.
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Tréanmoins, la température de la vapeur s'abaisse dans l'é- tape à haute pression par suite de la détente très forte.
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Dans l'étape intermédiaire (turbine à pression moyennez, l'effet de refroidissement de la vapeur se continue, et la cnaleur absorbée par celle-ci possède une valeur telle- ment élevée qu'elle surpasse le refroidissement produit par la détente, la vapeur absorbant de la chaleur non seu- lement à partir du rotor, mais aussi à partir du stator de la turbine. La vapeur suivant à travers la turoine un}
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trajet distinct de celui des gaz, c'est-à-dire n'étant pas chauffée avec les gaz, il est possible d'utiliser toujours à nouveau la même vapeur.
Ce fait présente un avantage particulier dans des cas où l'alimentation en eau pure est limitée, par exemple dans des nagires pour sectionner l'hélice ou des machines auxiliaires. Au point de vue mécanique, un rendement plus élevé de toute l'ins- tallation estassuré, par la répartition de toute la production de travail sur plusieurs étages, que par l'u- tilisation d'une turbine à un seul étage, par exemple une turbine Curtis.
La planche III représente un exemple de reali- sation.
10 désigne la turbine à haute pression, dont le rotor est actionne par des gaz de combustion provenant des tuyères 11 et par de la vapeur provenant des tuyères Les gaz d'échappement sont recueillis dans la boîte 13, tandis que la vapeur d'échappement est recueillie dans un collecteur distinct 14. Pendant toute la durée du travail, .on veille à ce que les gaz et vapeur restent sé- parés. 15 désigne la turbine à pression moyenne. Les gaz arrivent à la première couronne de tuyères 16 en venant de la chambre d'échappement 13. Les tuyères à vapeur 17 sont alimentées à partir du collecteur de vapeur 14. La vapeur d'échappement de cette turbine à pression moyenne passe par la conduite 18 à la turbine à basse pression 19.
Les gaz d'échappement de la turbine à pression moyen- ne passent à travers un faisceau tubulaire ou un disposi- @tif analogue échangeur de température 20, pour produire de la vapeur dans la chaudière 21. La vapeur produite est alors amenée par la conduite 22 aux tuyères 12 de l'étage à haute pression.
Un inconvénient, dans la turbine à pression
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moyenne alimentée par les gaz chauds, consiste dans les fortes variations dans la pression à laquelle les gaz sortent de la turbine à haute pression, étant donne que cette turbine à haute pression est actionnée par des ex- plosions/ Ces variations de pression ne peuvent pas être évitées dans l'alimentation de la turbine a haute pres- sion. L'invention a pour but d'atténuer autant que possi- ble les variations de pression, tout au moins dans leur effet sur la turbine à pression moyenne.
Ceci est outenu, conformément a.l'invention, par le fait que, dans le cou- rant des gaz entre l'échappement de la turbine a haute pression et leur évacuation dans l'atmosphère, on inter- cale des réservoirs de régularisation ou de compensation, dans lesquels la pression des gaz s'établit et se main- tient à une valeur moyenne. Ces récipients ou réservoirs sont de préférence utilisés également dans un autre but, pour employer les chaleurs perdues des gaz pour la produc- tion de vapeur. Ces réservoirs de régularisation de la pression peuvent aussi bien être placés devant que der- rière la turbine à pression moyenne.
Les planches IV et V des dessins ci-jointe re- présentent deux formes de réalisation différentes de cet- te disposition.
Sur la planche IV, le récipient d'équilibrage de la pression 14 est placé derrière la turbine à près- sion moyenne 15. Il comporte un revêtement en une masse calorifuge, pour diminuer les pertes de chaleur par rayon- nement, et comprend la capacité 14', dans laquelle'les gaz viennent à l'état de repos et prennent une pression régulière, ainsi qu'un serpentin tubulaire 14", qui sert à la production de vapeur destinée à alimenter la turbi- ne à haute pression.
Sur la planche V, le récipient de régularisation/
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de la pression 14 est disposé entre la turbine à haute pression et la turbine à pression moyenne. La forme donnée à ce récipient peut, pour le reste, être la même que dans l'exemple précédent. La chaudière à vapeur est également placée en cet endroit de l'installation, de sorte que la température des gaz alimentant la turbine à pression moyenne est d'abord abaissée..
Dans les deux cas, la capacité intérieure 14' du réservoir 14 agit, pour des dimensions appropriées, comme régulateur de pression et un compensateur de pres- sion, pour donner au courant de gaz delà combustion une pression et une vitesse restant pratiquement les mêmes, bien que les gaz sortent de la turbine à haute pression par à-coups, c'est-à-dire avec une pression variant for- tement. On peut faire arriver dans le système tubulaire 14" aussi bien de l'eau que de la vapeur ; le premier cas il sert comme chaudière à vapeur,dans le deuxième comme chauffeur.
Ceci dit, nous déclarons considérer comme étant de notre invention et revendiquer : "1 - Un procédé pour le refroidissement de tur- bines à combustion, caractérisé en ce que l'on fait cir- culer, à travers les chambres de refroidissement des par- ties de la turbine exposées aux températures élevées, en particulier les chambres de combustion, les soupapes de tuyères et l'anneau de tuyères, un courant d'huile à point d'ébullition élevé, qui abandonne utilement dans un échangeur de température la chaleur ainsi absorbée.
2 .- Un dispositif pour la réalisation du pro- cédé suivant 1, caractérisé par la disposition d'une pom- pe de circulation pour de l'huile à point d'ébullition éle- vé, cette pompe étant reliée par une conduite aux chemises de refroidissement de la turbine et à un échangeur de tem-
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pérature, celui-ci comportant des orifices d'entrée et ae sortie pour un fluide, par exemple de l'eau, absor- bant la chaleur abandonnée par l'huile,
3 .- Un mode de fonctionnement de turbines à explosions, avec refroidissement par de la vapeur qu'on fait passer par les mêmes aubes que celles rencontrées par les gaz provenant d'explosions, caractérisé en ce que les gaz de la combustion et la vapeur de refroidisse- ment sont introduits dans la turbine sous une pression si élevée qu'ils possèdent, à leur sortie de la roue de turbine,
une pression notablement supérieure à la pres- sion atmosphérique et que les gaz et vapeurs, ayant fourni du travail dans cette turbine à haute pression, fournissent encore du travail dans une deuxième machine de détente.
4 .- Une forme d'exécution du mode de fonction- neuent suivant 3, dans laquelle les gaz et vapeurs, sor- tant de la turbine à haute pression, sont mélangés dans la chambre d'échappement de la turbine et ce mélange est amené à une deuxième machine de détente.
5 .- Une variante, dans laquelle on fait passer le mélange de gaz et vapeurs, sortant de la deuxième ma- chine de détente, à travers une chaudière de récupération de chaleur, pour produire la vapeur nécessaire au refroi- dissement de la turbine à haute pression.
$6 ,- Un appareil pour la réalisation du procédé suivant 3 et 4, caractérisé par une turbine à gaz à haute pression, alimentée par des gaz d'explosions et vapeurs, -par une chambre collectrice, dans laquelle se mélangent les gaz et vapeurs ayant parcouru la turbine à haute pres- sion- et par une deuxième machine de détente, dans laquel- le ce mélange peut fournir encore du travail.
7 - Le raccordement de la deuxième machine de
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détente à une chaudière de récupération de chaleur, dont la chambre de vapeur est reliée aux tuyères à vapeur'de la turbine à haute pression.
8 .- La disposition suivant laquelle les az et vapeurs, sortant de l'étage à haute pression, sont recueillis séparément et sont encore détendus séparé- ment dans une turbine à pression moyenne, les gaz de combustion étant amenés ensuite à un appareil de récupé- ration des chaleurs d'échappement en vue de produire la vapeur à haute pression.
9 .- La disposition suivant laquelle la vapeur, s'échappant de l'étage à pression moyenne, est amenée seu- le à un étae à basse pression.
10 .- Une installation de turbines à gaz et à vapeur pour la réalisation de la disposition suivant 8 , caractérisée par une turbine à haute pression, alimen- tée par des gaz d'explosion et des vapeurs, -par une turbine à pression moyenne, dans laquelle les gaz et va- peurs, partiellement détendus et sortant de la turbine à haute pression, peuvent travailler séparément,- et par un appareil de récupération des chaleurs d'échappement, dans lequel les gaz détendus produisent de la vapeur,.qui est conduite à la turbine à haute pression.
11 .- Dans une installation de turbines suivant 10, l'utilisation d'une turbine à basse pression, dans laquelle la vapeur détendue est amenée à sa sortie de la turbine à pression moyenne.
12 .- La disposition d'un récipient de régula- risation de la pression dans le courant de gaz de la com- bustion, entre l'échappement de la turbine à gaz à haute pression et l'évacuation à l'atmosphère, ce récipient pou- vant constituer simultanément un générateur de vapeur. /
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13 .- L'emplacement de ce récipient de régula- risation de la pression, formant générateur de vapeur, en avant de la turbine à pression moyenne.
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Company known as "Holzwarth Gas Turbine Company of America" Improvements to turbines
The present invention relates to explosion turbines. Its object is to achieve suitable cooling of the parts of the turbine affected by the combustion gases, namely the walls of the combustion chamber, the nozzles and the blades of the turbine.
On the one hand, this cooling should only be pushed up to a degree such that it does not adversely affect the work cycle, the efficiency of which is all the higher than the temperature at which the gases are introduced into the work cycle. the cycle is higher and the gases are cooled less leaving heat to the walls. On the other hand, the cooling should advantageously be such that the heat imparted to the cooling medium can be used for the working cycle. If we
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wanted to use water as a coolant, the temperature should not exceed 60 C., if one wanted to safely avoid the formation of steam,
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or else the water should be placed under pressure.
The readjustment with water at 80 decreases too much t..ù.6n '; the renae-tnz of the working cycle being given and cooled:. by reducing the gases to too great a quantity of heat; When the water is pressurized, it has the disadvantage that the cooling eliuacrect must be sealed, which involves expense and adversely affects the safety of operation.
The object of the present invention is to avoid the drawbacks existing in the case of a ref: roiaÜ ..... 6: .. 6nt rar ecu and to allow good use of the heat removed by the cooling.
The first way to solve this problem is
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You can choose this high boiling temperature coolant and give the coolant a higher temperature without the need to use heaters. stronger rc ssions in the cooling chambers.
Fig. 1 of Plate I shows one embodiment.
1 debins one * of the explosion figures of an explosion turbine. 2 denotes the nozzle & valve, through which the combustion gases' flow into the nozzles; 3 denotes the nozzle ring, in
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which nozzle valves are included; 4 assigns the nozzles, which receive the cobubation base current coming out of the nozzle valves and which direct it against the blades (not shown) of the turoine. while
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the work of the turbine, the heat of the baz coF.L: unic;, ue partly on the walls of the explosion chambers, partly on the valves of the nozzles and the nozzles.
These parts of-
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thus come so hot that they must be cooled, the cooling to be of such a nature that the efficiency of the turbine is as high as possible.
The cooling system provided for this purpose consists of the following device.
An oil pump 5 is connected by suitable pipes 5a to the cooling chambers, which surround the explosion chambers 1, the nozzle valves 2 and the nozzle ring 3, in the usual way. Return pipes 5b go from these cooling chambers to a temperature exchanger 6; after having passed through this, the coolant returns via the return line 5c to the suction side of the pump 5. The temperature exchanger 6 is provided with an inlet port 7, and d an outlet 8, for example for the circulation of feed water, which serves for the exchange of temperature with the hot oil.
By this arrangement, the oil, at a high vaporization temperature, is delivered by means of the pump, through the conduits 5a to the various cooling chambers. The oil thus removes the part of the excess heat, which would harm the machine parts with which it would come into contact, and thus cools the explosion chamber, the nozzle valves and the nozzle ring. The high temperature oil then returns to the pump 5 through the pipes 5b, the temperature exchanger 6 and the return pipe 5c.
The water, which has been passed through the temperature exchanger, entering at 7 and exiting at 8, is strongly heated by absorption of heat; it is possible to bring the water temperature up to 2000 C. Heat can as well. be used.
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It has been found that one can obtain a
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notable improvement in the performance of such #turoinet z. eoiibutition by performing the entire cycle u.e # cravi-il;: OR: 3 temperatures and pressures as low as possible. According to the invention, the chamber u'eciiap- peuent c ... ui, in Iiabituelleô cououszion turbines, is in direct communication with 1 'a-aashérE, main water. withstand a higher pressure, eg 10 atmospheres. From deze that the echo pressure. ';.; 6üE: u ::, we also increase the supply pressure for the air ue coiious.- tion and the fuel.
If, as an e.le, a c ... ",, -, - 'ç, e the. Cixau'ore of combustion with a .. burst of air and the coupler all a pressure of 10 aria. And If the explosion
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is carried out at this pressure, it rises to 5v a.tm. If, in such turbines, as it is advantageous a ;: ¯, to ensure sufficient cooling, wave on the impeller
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paddle steamer not only the gases of the cuaustic, .i aua-i of the steam, we will also choose for the admitted steam
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the e # e pressienue the pressure uaxiilla deL az, c'ewi-. say in the example considered a pressure of 5G ati.i. and proi4ativell the; m.e pressure of chapeuenc ;, c'e:., - that is to say 10 atm.
The subsequent use of az and value. =, Which are only partially relaxed, can take place in different ways.
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In accordance with the present invention, the az and vapors are uelanoed behind the impeller at the high pressure turbine. It has been observed that this uelane has, in the example considered, a te ;; J.j? & R2 "ture of about 450 C.
The turbine exhaust chamber serves
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thus then coiuiue collecting chamber and airlane chamber for the explosion gases, vapors and exhaust air.
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cooling, the latter always having to be sent.
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in explosion turbines to ensure the evacuation of exhaust gases from the combustion chambers. The mixture is then fed to a multistage turbine, and the latter turbine will preferably be arranged in such a way that it also actuates the axis of the high pressure gas turbine, the mixture expanding in stages up to at atmospheric pressure.
The mixture of combustion gases, steam and air, is then preferably passed through a waste heat recovery boiler and then allowed to escape into the atmosphere without condensation of the steam. The steam produced in the waste heat recovery boiler is used for cooling the high pressure gas turbine. This turbine, in which the working fluid expands from 50 to 10 atm., May be a Curtis turbine with a double crown; however, good results, or even better results, can also be obtained with an action turbine with a crown wheel.
The second floor of relaxation, 10 atm. at atmospheric pressure, is preferably carried out in a multi-stage reaction turbine, through which the mixture of steam and combustion gases is passed, at medium speed, but with very high efficiency.
Two main advantages are obtained by this new procedure: high initial pressures ensure, in combination with a suitable construction of the turbine, high efficiency and long life. In other words, the theoretical efficiency becomes very high (60% and more) by the use of high pressures, and the mechanical efficiency also becomes very "high, by the division or distribution of the pressure drop and by the reduction. of the speed of the jet.
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in this construction achieve a total yield of
40%, that is to say more than what could be obtained until now in heat engines.
Instead of passing the exhaust gases from the high pressure stage to a multi-stage reaction turbine, it is also possible, by means of these exhaust gases (with a pressure of about 10 . atm.), feed the cylinders of a locomotive machine or a marine machine.
Another advantage of the invention resides in that it is possible to considerably reduce the dimensions and the weight of the whole installation compared with the arrangements hitherto employed; this possibility also results from the use of high pressures and at most @ rand number of turns of the turbine shaft.
An example of an overall arrangement according to the invention is shown on plate II of the accompanying drawings, which should be considered as schematically 10 designates the high pressure turbine, at the periphery of which the nozzles 11 are arranged, fed by the combustion gases, which alternate with steam nozzles The gas nozzles 11 receive their combustion gases from the explosion chambers 13. 14 designates the nozzles for the supply of purging air.
The = combustion gases, the purging air and the steam, leaving the high pressure turbine, penetrate into an exhaust chamber or collecting chamber 15, in which they are mixed, the pressure in this chamber ae me - lane being 10 atm. approximately, while the pressure of the working fluid in the combustion chambers during the explosion relaxes from approximately 50 atm. From the exhaust chamber 15, the gas mixture enters the second stage of the expansion machine, designated by 16. This stage is preferably such that it allows a @
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relaxation of 10 atm. at atmospheric pressure or a pressure close to it.
In the exemplary embodiment shown, a multistage turbine has been chosen for this purpose. However, as mentioned above, it is also possible to use a piston machine, such as that usually employed as locomotive machines or marine machines.
The exhaust from the second expansion machine, at approximately atmospheric pressure, passes through a tube bundle 17 or similar temperature exchanger, to produce steam in the boiler 18; this steam is then brought to the nozzles 12. Preferably, this second expansion machine actuates, shown shown, the same shaft as that actuated by the high pressure turoine.
In another embodiment of the invention, the gases and vapors escaping from the high pressure turbine with a pressure above atmospheric pressure are not discharged together, but separately, and are discharged. further expanded separately in turbines with several pressure stages. The expanded gases escaping from such a multistage turbine are then passed to a heat recovery boiler, to produce the high pressure steam, and are then vented to the atmosphere. The steam escaping from the multistage turbine is fed to a low pressure steam turbine, which is connected to a condenser. These three turbines can all act on the same shaft.
However, the turbines can be used to separately operate different machines. For example, one of them can be used to operate the blowers which supply air and gas to the high pressure turbine or the low pressure gas turbine,
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In the high pressure turbine, the te: jser.tu- #re of the baz to be admitted is, under the conditions considered as favorable, about 1700 C, the temperature of the inlet steam is about 320 C., 1- temperature this gas outlet of the high pressure turbine
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is about 100G ',, the outlet temperature of the steam is about 120C.
The gases and vapors: have-ae- born, with these temperatures, that is to say without being mixed together, to a turbine with several stages (turbine
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at medium pressure). In this medium pressure turbine, the temperature of the gases drops to 450 C, and the
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vapor temperature rises on the other hand e. 450'- G. Rn- iin, in the low pressure turbine, the tejuuératuru of the steam goes down to 120 C.
The appropriate pressures in the different stages, under the admitted conditions, are approximately as follows: the initial pressure in the turbine
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at. high pressure for gases and vapors and this 25 a till. the presticn at the exhaust is 4 ataa. In the second stage, the pressure drops from 4 atm to 1.06 atm. In the low pressure steam turbine, expansion takes place to the condenser pressure, 0.05 atm. The steam exerts a cooling effect in both the high pressure turbine and the medium pressure turbine.
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However, the temperature of the steam drops in the high pressure stage as a result of the very strong expansion.
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In the intermediate stage (medium pressure turbine, the cooling effect of the steam continues, and the value absorbed by it has such a high value that it exceeds the cooling produced by the expansion, the steam. absorbing heat not only from the rotor, but also from the stator of the turbine. The vapor following through the turoine a}
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path distinct from that of the gases, that is to say, not being heated with the gases, it is possible to always use the same steam again.
This fact is of particular advantage in cases where the supply of pure water is limited, for example in swimmers for cutting the propeller or auxiliary machinery. From a mechanical point of view, a higher efficiency of the whole plant is ensured, by the distribution of all the work output over several stages, than by the use of a single-stage turbine, for example. a Curtis turbine.
Plate III represents an exemplary embodiment.
10 designates the high pressure turbine, the rotor of which is driven by combustion gases from the nozzles 11 and by steam from the nozzles The exhaust gases are collected in the box 13, while the exhaust steam is collected in a separate collector 14. Throughout the working time, care must be taken to ensure that the gases and vapor remain separate. 15 designates the medium pressure turbine. The gases arrive at the first ring of nozzles 16 from the exhaust chamber 13. The steam nozzles 17 are supplied from the steam manifold 14. The exhaust steam from this medium pressure turbine passes through the pipe 18 to the low pressure turbine 19.
The exhaust gases from the medium pressure turbine pass through a tube bundle or similar heat exchanger 20 to produce steam in the boiler 21. The steam produced is then fed through the pipe. 22 to the nozzles 12 of the high pressure stage.
One drawback, in the pressure turbine
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medium powered by hot gases, consists of the strong variations in the pressure at which the gases leave the high pressure turbine, given that this high pressure turbine is actuated by explosions / These pressure variations cannot be avoided in feeding the high pressure turbine. The object of the invention is to attenuate as much as possible the variations in pressure, at least in their effect on the medium pressure turbine.
This is supported, in accordance with the invention, by the fact that, in the flow of gases between the exhaust of the high pressure turbine and their discharge into the atmosphere, there are interposed regulating tanks or compensation, in which the gas pressure is established and maintained at an average value. These vessels or reservoirs are preferably used also for another purpose, to employ the waste heat of the gases for the production of steam. These pressure regulating tanks can be placed both in front of and behind the medium pressure turbine.
Plates IV and V of the accompanying drawings show two different embodiments of this arrangement.
On plate IV, the pressure balancing vessel 14 is placed behind the medium pressure turbine 15. It is coated with a heat-insulating mass, to reduce heat loss by radiation, and includes the capacity. 14 ', in which the gases come to a quiescent state and take a regular pressure, as well as a tubular coil 14 ", which serves for the production of steam for supplying the high pressure turbine.
On plate V, the regulation container /
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pressure 14 is disposed between the high pressure turbine and the medium pressure turbine. The shape given to this container may, for the rest, be the same as in the previous example. The steam boiler is also placed at this point of the installation, so that the temperature of the gases feeding the medium pressure turbine is first lowered.
In either case, the internal capacity 14 'of the tank 14 acts, for appropriate dimensions, as a pressure regulator and a pressure compensator, to give the combustion gas stream a pressure and a velocity remaining substantially the same. although the gases come out of the high pressure turbine in spurts, that is to say with a strongly varying pressure. Both water and steam can be fed into the 14 "tubular system; the first case serves as a steam boiler, in the second as a heater.
That said, we declare to consider as being of our invention and to claim: "1 - A process for the cooling of combustion turbines, characterized in that one circulates, through the cooling chambers of the par- parts of the turbine exposed to high temperatures, in particular the combustion chambers, the nozzle valves and the nozzle ring, a stream of high boiling point oil, which usefully gives up heat in a temperature exchanger as well absorbed.
2 .- A device for carrying out the process according to 1, characterized by the provision of a circulation pump for oil with a high boiling point, this pump being connected by a pipe to the liners. turbine cooling system and a heat exchanger
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temperature, the latter comprising inlet and outlet orifices for a fluid, for example water, absorbing the heat given up by the oil,
3 .- A mode of operation of explosions turbines, with cooling by steam which is passed through the same blades as those encountered by the gases from explosions, characterized in that the combustion gases and the steam cooling units are introduced into the turbine at such a high pressure that they have, when they exit the turbine wheel,
a pressure significantly higher than atmospheric pressure and that the gases and vapors, having provided work in this high pressure turbine, still provide work in a second expansion machine.
4 .- An embodiment of the following operating mode 3, in which the gases and vapors, leaving the high pressure turbine, are mixed in the exhaust chamber of the turbine and this mixture is fed. to a second trigger machine.
5 .- A variant, in which the mixture of gases and vapors, leaving the second expansion machine, is passed through a heat recovery boiler, in order to produce the steam necessary for cooling the gas turbine. high pressure.
$ 6, - An apparatus for carrying out the following process 3 and 4, characterized by a high pressure gas turbine, supplied with explosion gases and vapors, -by a collecting chamber, in which mix the gases and vapors having passed through the high pressure turbine - and by a second expansion machine, in which this mixture can still provide work.
7 - The connection of the second
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expansion to a heat recovery boiler, the steam chamber of which is connected to the steam nozzles of the high pressure turbine.
8 .- The arrangement according to which the az and vapors leaving the high pressure stage are collected separately and are further expanded separately in a medium pressure turbine, the combustion gases then being brought to a recovery apparatus - ration of exhaust heat in order to produce high pressure steam.
9 .- The arrangement according to which the steam, escaping from the stage at medium pressure, is brought only to a stage at low pressure.
10 .- An installation of gas and steam turbines for the realization of the arrangement according to 8, characterized by a high pressure turbine, fed by explosion gases and vapors, -by a medium pressure turbine, in which the gases and vapors, partially expanded and leaving the high pressure turbine, can work separately, - and by an exhaust heat recovery apparatus, in which the expanded gases produce steam,. which is driven to the high pressure turbine.
11 .- In a following turbine installation 10, the use of a low pressure turbine, in which the expanded steam is brought to its outlet from the medium pressure turbine.
12 .- The arrangement of a vessel for regulating the pressure in the combustion gas stream, between the exhaust of the high pressure gas turbine and the discharge to the atmosphere, this vessel which can simultaneously constitute a steam generator. /
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13 .- The location of this pressure regulating vessel, forming a steam generator, in front of the medium pressure turbine.