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PERFECTIONNEMENTS AUX TURBINES A GAZ FONCTIONNANT EN GROUPES.
On a déjà proposé des turbines à gaz où le groupe constituant la partie turbine de l'installation consiste en au moins deux turbines ou groupes de turbines, indépendants l'un de l'autre au point de vue mécanique, un de ces groupes commandant le compresseur ou les compresseurs destinés à la compression de l'agent de travail, tandis que l'autre groupe de turbines, branché en série avec le premier, est principalement destiné à porter la charge utile. Ces ins- tallations présentent l'inconvénient que, par exemple dans le cas d'une turbine "primaire" entraînant le compresseur et d'une turbine "secondaire" portant la charge utile, les conditions d'exploitation des 'deux machines ne peuvent pas être rendues indépendantes les unes des autres mais, de façon générale, tout changement dans le fonctionnement d'une unité réagit sur celui de l'autre.
En examinant de près cet effet mutuel, il est tout d'abord évident que la turbine primaire doit fournir la puissahne justement nécessaire pour
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entraîner le compresseur et les machines auxiliaires éventuelles, etc... tandis que le reste du travail obtenu de l'agent doit être développé par la turbine secondaire, Ici, la turbine primaire et la turbine secondaire ont toutes deux des caractéristiques "chute de pression-vitesse" différentes suivant leurs différentes destinations;
en supposant une quantité constante du gaz amené, ceci signifie que dans le cas d'une variation de vitesse, la chute de pression utilisée dans la turbine varie généralement aussi et notamment en raison de la solution adoptée et principalement du fait de l'angle d'attaque des aubes, dans le cas de variation de vitesse de sens donné (par exemple diminution) la chute de pression augmente ou diminue également. Dans le cas d'une seule turbine indépendante, qui n'est pas montée en série avec une autre turbine, pour une chute de pression donnée, l'effet de la caractéristique se manifeste en ce que dans le cas d'une variation de vitesse, la quantité de gaz utilisée dans la turbine varie également en raison de la caractéristique.
Si, contrairement à ce cas, suivant l'invention, les deux turbines, d'ailleurs indépendantes l'une de l'autre au point de vue mécanique, sont branchées en série dans le courant de l'agent de travail, pour un tel système la chute de pression totale qui y est utilisée, peut être considérée comme déterminée et la quantité de gaz pas- sant par les turbines a la même valeur. Pour une puissance utile et pour une vitesse de la turbine primaire prescrites, dans la disposition suivant l'in- vention, l'agent de travail sortant de la turbine entraînant le compresseur (turbine primaire) est à une température et à une pression données.
Aussi la masse de cet agent de travail sortant pendant l'unité de temps est-elle donnée, de sorte que, dans ces conditions, la chute de pression se présentant dans la turbine primaire est généralement donnée et ainsi l'agent de travail de quanti- té invariable, sortant de la turbine primaire, devrait être utilisé dans la turbine secondaire avec une chute de pression prescrite (dont la valeur peut être obtenue en retranchant la chute de pression qui se présente dans la tur- bine primaire, de la chute de pression totale.
Cependant, vu cette dernière circonstance, il ne correspondra théoriquement à la chute de pression de la turbine secondaire, déterminable de la manière ci-dessus, qu'une seule vitesse déterminée sur la caractéristique de cette turbine ; et, dans le cas d'une forme favorable de la caractéristique, seules des déviations qui n'influencent que légèrement @@ fonctionnement pour- raient se présenter* Toutefois, de façon générale, pour la répartition prescri-
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-te de la chute de pression, à part la vitesse déterminée pour la turbine secondaire par sa caractéristique, aucune autre vitesse ne peut entrer en ligne de compte;
si, cependant, la turbine secondaire devrait toute de même marcher à une autre vitesse, la répartition de ,la chute de pression entre les deux turbines devrait aussi différer de celle qui apparaitrait/comme désirable dans les circonstances données, en vue des conditions de charge, de la maniè- re exposée ci-dessus.
En conséquence, dans des conditions qui s'écartent du régime le plus favorable admis comme point de départ, par exemple lors d'une modification non désirée de la vitesse de la turbine primaire et de la quan- tité de gaz passant par les turbines, l'ajustement du régime au nouvel étant de compensation ne serait possible que moyennant une modification de la puis- sance et une diminution sensible du rendement, D'une façon générale, on peut constater qu'à la pression et à la température données et à la vitesse pres- crite, la turbine secondaire - abstraction faite de quelques cas exception- nels - ne peut pas utiliser la quantité d'agent de travail passant par la turbine primaire avec un bon rendement.
En particulier, il est difficile de coordonner les chutes de pression des turbines primaire et secondaire dans le cas où la turbine primaire fonctionnant à vitesse constante ou presque constante, la turbine secondaire doit débiter une puissance utile constante ou/presque constante à des vitesses variables.,
L'objet de l'invention réside dans un procédé de réglage et dans l'installation correspondante qui permettent de faire varier les conditions d'exploitation et les vitesses des turbines primaires et secondaires libre- ment et indépendamment l'une de l'autre avec une perte de rendement insigni- fiante.
Comme il résulte de ce qui précède, du fait de la diversité des carac- téristiques des turbines, la difficulté principale de la coordination des chutes de pression des turbines primaires et secondaires résulte de ce que la quantité d'agent de travail qui passe est supposée avoir la même valeur pour les deux turbines, Comme la chute de pression se manifestant dans la turbine peut être influencée aussi par la variation de la quantité de gaz passant par la turbine, cet inconvénient peut être éliminé, c'est-à-dire que l'obtention des avantages mentionnés est rendu possible d'une manière relativement simple en opérant l'ajustage des chutes de pression des turbines branchées en série à la valeur exigée par les vitesses et les conditions de charge momentanées ;
il suffit, dans ce but, de diminuer la quantité d'agent de travail passant
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par au moins une des turbines par rapport à la quantité totale d'agent de travail participant au cycle tout en développant du travail ; peut y arriver en dirigeant une fraction réglable appropriée de l'agent de travail par une conduite contournant la turbine mentionnée entièrement ou partiellement.
Ceci est admissible car, en particulier, si du fait de sa construction ou de sa caractéristique, une turbine fonctionne dans les conditions données, approxi- mativement à la pression voulue, et cela sans avoir recours à des conduites de contournement, l'extraction d'une fraction relativement réduite de l'agent de travail par le chemin de contournement n'entraîne aucune perte de rende- ment appréciable; de toute façon, cette diminution du rendement est sensible- ment inférieure à celle qu'on constaterait dans le cas où la turbine à gaz devrait utiliser une quantité invariable d'agent de travail, c'est-à-dire si les chutes de pression se présentant dans les turbines devaient s'ajuster à ces conditions.
Pour faire mieux comprendre l'invention, la figure 1 montre la disposition d'une variante de la réalisation du procédé. La figure 2 montre la disposition d'une telle installation qui comporte plusieurs turbines pri- maires et secondaires. La figure 3 est la coupe schématique d'une turbine, utilisable comme turbine primaire ou secondaire, munie d'une conduite de pré- lèvement, tandis que la figure 4 représente une telle disposition, où les conduites de contournement des turbines contournent les étages de pression supérieure.
A la figure 1, la conduite d'amenée 4 se raccorde à la tubulure d'amenée 3 du compresseur 1 entraîné par la turbine primaire 2, tandis que la tubulure de refoulement 5 est raccordée à la conduite de refoulement 6. Celle- ci est reliée à la tubulure d'amenée à haute pression 8 de l'échangeur de chaleur 7, représenté à titre d'exemple, tandis que la tubulure de sortie à haute pression 9 de celui-ci est raccordée au foyer 11 alimenté par le brûleur ou pulvérisateur 10. Le foyer est relié à la tubulure d'amenée 13 de la tur- bine primaire 2 par la conduite de liaison 12, tandis que la tubulure d'échap- pement 14 de la turbine communique avec la tubulure d'amenée 17 de la turbine secondaire 16 par la conduite de passage 15.
La turbine secondaire, dont l'ar- bre 18 entraîne la charge utile, est raccordée à la tubulure d'amenée à basse pression 21 de l'échangeur de chaleur 7 par la tubulure d'échappement 19 et la conduite d'échappement 20; la tubulure de sortie à basse pression 22 de @
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l'échangeur de chaleur est reliée à la conduite d'échappement 25:La conduite de contournement 23' est branchée en parallèle avec la turbine primaire 2. entre la tubulure d'amenée 13 et celle d'échappement 14 ; cette conduite 23' comporte un organe de réglage 24 susceptible d'en varier la section.
De même, la conduite de contournement 25 est branchée en parallèle avec la turbine se- condaire 16 entre ses tubulures d'amenée 17 et d'échappement 19, cette con- duite comportant l'organe 26 réglant la section. En amont de la tubulure d'amenée 17 de la turbine secondaire est insérée l'organe d'étranglement 27. tandis que l'organe de réglage 28, susceptible de régler la section, est insé- ré dans la conduite d'échappement, en amont du point où la conduite de con- tournement 25 se raccorde à la tubulure d'échappement 19 de la turbine secon- daire.
La conduite 29, avec l'organe de réglage de la section 30 qui y est inséré, est prévue pour le réglage du groupe primaire turbine-compresseur et elle crée une liaison entre la tubulure d'amenée à haute pression 8 de l'é- changeur de chaleur 7 et la conduite d'échappement 23, Ce dispositif fonc- tionne de la manière suivante :
Le compresseur 1 commandé par la turbine 2 aspire l'agent de travail par la conduite d'amenée 4 et la tubulure 3 et il le comprime à une pression supérieure, Du compresseur l'agent de travail parvient par la con- duite 6 à la tubulure d'amenée 8 de l'échangeur de chaleur 7 et après avoir passé par l'échangeur de chaleur, il le quitte par l'orifice de sortie 9.
Dans l'échangeur de chaleur l'agent de travail absorbe la chaleur de l'agent de travail fatigué sortant de la turbine secondaire. L'agent de travail ré- chauffé parvient dans le foyer 11 qu'il traverse partiellement et dans lequel il absorbe la chaleur du combustible brûlé. Ensuite l'agent de travail par- vient dans la turbine primaire 2 par la conduite de liaison 12 et la.tubulure d'amenée 13. Là il se détend partiellement et développe le travail nécessaire pour l'entraînement du compresseur, des machines auxiliaires, etc., couplés avec la turbine primaire. L'agent de travail quitte la turbine primaire par la tubulure 14 et, par la conduite 15 et la tubulure d'amenée 17, il parvient dans la turbine secondaire 16, dans laquelle il se détend encore, tout en développant le travail nécessaire pour entraîner la charge utile.
L'agent de travail quittant la turbine secondaire par la tubulure 19 et la conduite 20 parvient enfin dans l'échangeur de chaleur 7, dont il traverse la chambre à basse pression, tout en communiquant sa chaleur à l'agent de travail frais et ensuite il quitte l'échangeur de chaleur par la tubulure d'échappement 22.
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Vu que la turbine primaire doit développer juste le travail néces- saire pour la commande du compresseur et des machines auxiliaires couplées à cette turbine, il faut que dans la turbine primaire se présente une certaine fraction déterminée de la chute de pression totale disponible. Au cas où la turbine primaire, du fait de sa caractéristique et dans les conditions données (vitesse, volume de gaz passant par seconde, etc..), la chute de pression se- rait supérieure à la valeur désirée, en ouvrant l'organe d'étranglement 24 dis- posé dans la conduite de contournement 23, on fait passer une partie de la quan- tité de gaz vers l'amont de la turbine secondaire, en contournant la turbine primaire, de sorte que le volume de gaz traversant la turbine primaire diminue.
Comme, de façon générale, la chute de pression se manifestant dans une turbine diminue en raison de la diminution du volume de gaz passant par l'unité de temps, on réussit ainsi à diminuer la chute de pression dans la turbine pri- maire à la valeur désirée. D'autre part, si le cas se présentait que dans les conditions données la turbine secondaire utilisait une partie excessive de la chute de pression totale, en raison de la caractéristique de cette turbine, toit en diminuant la vitesse de la turbine primaire, on peut réduire le volume du gaz traversant la turbine secondaire en ouvrant l'organe de réglage 26 de la conduite de contournement 25, de sorte qu'on peut ajuster la chute de pression qui s'y présente à la valeur désirée.
Si l'installation de turbine à gaz fonctionne à charge fraction- nelle, on peut réduire le débit de l'installation par des méthodes très diver- ses et connues d'ailleurs. Un moyen pour opérer cette réduction consiste à laisser passer une partie de l'agent de travail comprimé par le compresseur dans la conduite d'échappement 23, tout en réduisant la quantité de combustible brûlé et en ouvrant simultanément la soupape d'étranglement 30 de la conduite de contournement 29, sans que cette fraction de l'agent de travail passe aussi par les turbines.
Si, par exemple, on ne veut pas réduire la vitesse de la turbine primaire dans une grande mesure mais si l'on désire que la turbine secondaire soit arrêtée transitoirement, il est utile de fermer entièrement une des soupapes d'@étranglement 27 ou 28 ou toutes les deux, outre l'ouverture complète simultanée de la soupape d'étranglement 26, pour que l'agent de tra- vail ne puisse pas passer par la turbine secondaire.
Le procédé et l'installation suivant l'intention se prêtent parti- culièrement aux équipements de véhicules, où l'on désire que la turbine secon- daire puisse débiter un couple variant approximativement en raison inverse de
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la vitesse, c'est-à-dire une puissance constante, à des vitesses très variables Dans ce cas, la turbine primaire fonctionnera à pleine charge à une vitesse à peu près constante et la vitesse de la turbine secondaire variera considérable- ment. Pour un tel régime, comme il résulte de ce qui suit, on adopte de préfé- rence des turbines de caractéristique spéciale qui cependant , généralement, ne peuvent pas être mises en parfait accord, c'est-à-dire que la hute de pression utilisée par la turbine secondaire ne sera pas toujours égale à la valeur dési- rée.
Dans ce cas le procédé et l'installation suivant l'invention conviennent le mieux, car les différences des caractéristiques peuvent être compensées avec une très petite perte de rendement. Cette perte de rendement sera d'autant plus petite que la fraction de la quantité de gaz à extraire par la conduite de contournement et la différence de pression entre les deux extrémités de la conduite de contournement seront plus petites.
Si la caractéristique pression- volume de la turbine est très raide, ce qui signifie que lors de l'augmentation du volume de gaz en passage la chute de pression dans la turbine diminue brus- quement (par exemple à raison d'un pourcentage au moins supérieur à celui de l'augmentation du volume), le réglage ex-posé n'entraînera que des pertes insi- gnifiantes, car il suffira d'extraire seulement une petite fraction de l'agent de travail par la conduite de contournement pour agir sur la chute de pression de la turbine d'une manière importante.
Pour cette raison, il est utile de prévoir des turbines d'une telle caractéristique laide dans l'installation suivant l'invention,
Dans la disposition représentée sur la figure 2, plusieurs com- presseurs, commandés par les turbines primaires, fonctionnent en parallèle avec plusieurs turbines secondaires également branchées en parallèle, Les compres@ seurs 31, 31' sont commandés par les turbines primaires 32, 32'.Les compres- seurs refoulent l'agent de travail comprimé par les conduites 33, 33' dans la conduite collectrice 34, par laquelle il parvient dans la chambre à haute pres- sion de l'échangeur de chaleur 37.
L'agent de travail passant par l'échangeur de chaleur se réchauffe, absorbe de la chaleur ultérieure dans le foyer 38 et entre dans la conduite collectrice 39 où il passe par les conduites 40, 40, dans les turbines primaires 32, 32'. Le gaz quittant ces dernières arrive par les conduites 41, 41' dans la conduite collectrice 42 et de là dans les tur- bines secondaires 43, 43', 43". L'agent de travail quittant les turbines se- condaires arrive dans la conduite collectrice 44 et ensuite dans la chambre
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à basse pression de l'échangeur de chaleur 37. Il la traverse et quitte l'ins- tallation par la conduite d'échappement 45. Dans cette installation la con- duite contournant les turbines primaires est constituée par la conduite de liaison 46 reliant les conduites collectrices 39 et 42.
Dans cette conduite 46 se trouve l'organe de réglage 47 destiné à régler la section, L'organe 47 joue le rôle de l'organe de réglage 24 de la figure 1. Les conduites collectrices 42 et 44 sont reliées par la conduite 48 contournant les turbines secondaires, dans laquelle se trouve l'organe de réglage 49 prévu pour faire varier les sec- tions. L'organe 49 toue le rôle de l'organe de réglage 26 de la figure 1. Les turbines secondaires utilisées dans cette disposition se prêtent bien pour la commande individuelle des essieux de locomotives. Dans l'exemple décrit on n'a représenté qu'un seul foyer et un échangeur de chaleur communs, mais on peut en prévoir plusieurs branchés en parallèle.
Dans la turbine à gaz représentée à la figure 3, au lieu de pré- voir une conduite contournant la turbine, certains étages de la turbine sont munis de prises, de sorte que les conduites de prélèvement ne constituent des conduites de contournement que pour une certaine partie de la turbine. Les conduites de prélèvement 53, 53', 53" sont branchées sur le bâti 52 de la turbine entourant le rotor 51 en communication avec l'espace de travail de la turbine. Dans ces conduites se trouvent les organes de réglage 54, 54,54" prévus pour le réglage des sections jusqu'à la fermeture totale, L'arbre 55 de la turbine entraîne ,si celle-ci est utilisée comme turbine primaire, le com- presseur et les machines auxiliaires et s'il s'agit d'un turbine secondaire, l'arbre entraîne la charge utile.
Dans le schéma de la figure 1, la turbine représentée à la figure 3 peut remplacer la turbine primaire 2 ou la turbine secondaire 16. Si la turbine primaire est munie de prises, les conduites de prélèvement se raccordent à la chambre d'amenée de la turbine secondaire, tan- dis que si c'est la turbine secondaire, les conduites de prélèvement débouchent dans la conduite d'échappement de celle-ci. Si la chute dépression dans la tur- bine primaire est trop élevée, en ouvrant les organes de réglage des conduites de prélèvement, une fraction de l'agent de travail est admise à la turbine secondaire par les conduites de contrournoment, de sorte que dans les étages de la turbine contournés par une fraction du courant de gaz, la chute de pres- sion diminue et alors la chute de pression utilisée par la turbine diminue également.
Si la chute de pression de la turbine secondaire est trop grande, il faut successivement ouvrir les conduites de prélèvement de la turbine secon- @
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-daire pour réduire la chute de pression utilisée par cette même turbine.
Les organes de réglage des conduites de prélèvement ne seront pas ouverts si- multanément mais, de préférence, ils seronts manoeuvrés individuellement et graduellement. Dans le procédé suivant cette disposition, les pertes qui se manifestent lors du réglage, sont inférieures de sorte que, d'une part, pour un rendement donné oa peut compenser des différences plus grandes qu'avec la disposition de la figure 1 et, d'autre part, pour une différence donnée le rendement peut être supérieur.
Dans le cas de la turbine primaire on peut raccorder les conduites de prélèvement à la chambre d'admission de celle-ci et dans le cas de la tur- bine secondaire à la chambre d'admission de cette dernière. Dans ce cas, une partie du courant de gaz contourne les étages d'admission des turbines. Le schéma d'une telle installation est représenté à la figure 4. Les conduites de contournement 58, 58t, munies des organes de réglage 57, 57', prévus pour la variation des sections jusqu'à la fermeture totale, se raccordent à la turbine primaire 56, la conduite collectrice 59 de ces conduites de contourne- ment étant reliée à la conduite d'amenée 60 de la turbine primaire. La con- duite collectrice 63 des conduites de contournement 65, 65' de la turbine secondaire 61 est raccordée à la conduite'd'amenée 64 de cette turbine.
Dans les conduites 65, 65' se trouvent les organes de réglage 62, 62', prévus pour réglage jusqu'à la fermeture totale, Si dans cette disposition la chute de pression dans une des turbines est supérieure à celle désirée, on ouvre les organes de réglage des conduites de contournement de cette turbine, de préfé- rence graduellement et un par un, en commençant aux étages de pression supé- rieure, de sorte que la quantité de gaz passant par certains étages de la turbine diminue et la chute de pression qui s'y manifeste diminuera également.
Le procédé et l'installation suivant l'invention peuvent être utilisés non seulement dans les exemples de réalisation exposés, mais encore dans le cas où l'on utilise un compresseur, une turbine et un échangeur de chaleur d'un système quelconque, même si on n'utilise pas d'échangeur de cha- leur.
Enfin le procédé et l'installation décrits peuvent être utilisés inde- pendamment de ce que la turbine primaire est branchée en amont de la turbine secondaire ou en aval de celle-ci, en désignant toujours par turbine primaire celle qui entraîne le compresseur et par turbine secondaire celle qui fournit la puissance utile car, en raison de l'invention, le réglage de la chute de pression se présentant dans les turbines individuelles peut aussi être opéré
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indépendamment de cette condition.
Les combustibles brûles peuvent être à l'état gazeux, liquide ou solide et le foyer peut être disposé, d'une manière connue d'ailleurs, non seulement en amont de la turbine, mais dans les installations munies d'échan- geur de chaleur, soit en aval des turbines, soit entre celles-ci.
.Revend d i c a t ion s .
1. Procédé de réglage pour groupe de machines comprenant un ou plu- sieurs compresseurs destinés à la compression de l'agent de travail, une tur- bine à gaz (turbine primaire) entraînant le compresseur et une turbine à gaz (turbine secondaire) branchée en série avec la turbine à gaz primaire par rapport au courant de l'agent de travail, mais indépendante de celle-ci au point de vue mécanique et fournissant la puissance utile, caractérisé en ce que le réglage des chutes de pression aux valeurs exigées par les vitesses et les conditions de charge momentanées en vue de la compensation des différences indésirables se manifestant dans le cas de conditions d'exploitation variables du fait de la diversité de leurs caractéristiques chute de pression-vitesse dans la répartition de la chute de pression des turbines branchées en série,
est opéré par la diminution de la quantité d'agent de travail passant par au moins une turbine par rapport à la quantité totale d'agent de travail partici- pant dans le cycle, tout en débitant du travail, et notamment, en dirigeant une fraction appropriée réglage de l'agent de travail par une conduite con- tournant la turbine mentionnée entièrement ou partiellement, de sorte que la détente de l'agent de travail a lieu dans les turbines branchées en série en au moins deux sections avec des quantités de gaz différentes pour chaque section.
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