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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.