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PROCEDE POUR LE REGLAGE DE TURBINES A GAZ ET INSTALLATION POUR LA REALISATION
DE CE PROCEDE. -
Il existe des installations de turbines à gaz où l'agent de tra- vail, après compression et Introduction de chaleur préalables, se détend dans la partie turbine de l'installation en vue de fournir du travail; en outre, la chaleur du gaz détendu sortant de la turbine est transmise à l'agent de travail frais, comprimé à une pression supérieure, dans un échangeur de chaleur prévu à cet effet.
Lorsque l'installation doit fonctionner avec une charge fractionnelle à une vitesse donnée par d'autres considérations (celle-ci n'étant donc pas ré- duite pour le réglage de la puissance), il y a lieu de réduire, par rapport à l'état oorrespondant à la charge normale, au moins une des trois quantités, notam- ment,le poids de l'agent de travail passant par la turbine, le rapport de la pression d'amenée et celle d'échappement de la turbine, enfin la température absolue moyenne, régnant dans la turbine, En conséquence, suivant les systèmes
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proposés jusqu'ici, on peut agir, tant sur la quantité du gaz en passage que sur le rapport de pression disponible pour la turbine, par un étranglement prévu avant le compresseur, de même que (en particulier dans le cas de compresseurs à passage axial)
par le déplacement angulaire des aubes fixes du compresseur; de plus, on peut réduire la température régnant dans la turbine, en réduisant la quantité du combustible introduit dans l'agent de travail, sans réduire la quan- tité de l'agent de travail en passage. Tous ces procédés présentent cependant des inconvénients car par exemple, le premier et le troisième procédés donnent un mauvais rendement dans le cas de charges fractionnelles en produisant, d'une part une perte d'étranglement dans la quantité totale d'août de travail passant par la turbine et, d'autre part, une diminution de la température de la quantité totale d'agent de travail. Dans le second procédé, le déplacement angulaire des aubes présente une complication de construction, bien que cela soit très favo- rable au point de vue du rendement.
Le procédé de réglage suivant l'invention présente, d'une part, une solution plus simple au point de vue de la construction que le déplacement des aubes et, d'autre part, au point de Vue du rendement, il permet d'obtenir des valeurs qui se trouvent entre celles de ce dernier procédé et celles rela- tives aux deux autres procédés mentionnés.
Dans le procédé et l'installation suivant l'invention, au cours du réglage, une fraction de l'agent de travail est soustraite au cycle de tra- vail avant d'entrer dans la turbine et, le cas échéant, encore avant le passage total par le compresseur, sans fournir du travail; de cette façon le poids de l'agent de travail entrant dans la turbine et passant entièrement par celle-ci, donc aussi le travail fourni par la turbine diminuent.
Or, le procédé de réglage ne s'étend que sur cette fraction prélevée de l'agent de travail, donc les per- tes (par exemple par étranglement) se manifestant dans cette fraction prélevée seront également sensiblement inférieures à celles qui se seraient présentées si la quantité totale d'agent de travail avait été dirigée par les procédés provo- quant les pertes,
La figure 1 représente la disposition schématique d'une installa- tion se prêtant à l'exécution du procédé. La figure 2 est la coupe schématique d'un compresseur prévu pour l'installation destinée à la réalisation du procédé, tandis que la figure 3 est un détail de la coupe d'un compresseur muni de plu- sieurs prises et qui se prête à la réalisation du procédé.
A la figure 1, une extrémité de l'arbre 2 de la turbine 1 est
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couplée à l'arbre 4 du compresseur 3, tandis que l'autre extrémité de l'arbre 2 fournit le travail utile. Au compresseur 3 se raccordent, d'une part, la conduite d'amenée 5, et, d'autre part, la conduite de sortie 6 reliée à la tubulure d'a- menée à haute pression 8 de l'échangeur de chaleur 7 représenté à titre d'exemple Le foyer 10 est inséré après la tubulure de sortie à haute pression 9 de l'échan- geur de chaleur 7. Le foyer comporte le brûleur 11 et il est relié à la tubulure d'amenée 12 de la turbine, tandis que la tubulure d'échappement 13 de celle-ci est reliée à la tubulure d'amenée à basse pression 14 de l'éohangeur de chaleur 7.
La tubulure de sortie à basse pression 15 de l'échangeur de chaleur se rac- corde à la conduite d'échappement 16 des gaz fatigués, La conduite de sortie 6 du compresseur et la conduite 16 des gaz fatigués sont reliées par la conduite de contournement 17 comportant la soupape d'étranglement 18. Ce dispositif fonc- tionne de la manière suivante :
Le compresseur 3 aspire l'agent de travail frais par la conduite d'amenée 5 et après l'avoir comprimé à une pression supérieure, il le refoule par la conduite de sortie 6 dans l'échangeur de chaleur 7.
L'agent de travail comprimé traverse l'échangeur de chaleur 7 et s'y réchauffe par la chaleur des gaz d'échappement de la turbine; ensuite il parvient par la tubulure de sortie 9, au moins partiellement, dans le foyer 10, où du fait de la chaleur du combustible introduit par le brûleur ou pulvérisateur 11, sa température augmente encore plus L'agent de travail entre par la tubulure d'amenée 12 de la turbine dans celle-ci et y fournit du travail en se détendant pour la quitter par la conduite d'échap- pement 13. D'ici l'agent de travail parvient par la tubulure d'amenée 14 de l'échangeur de chaleur dans celui-ci; il le traverse et communique sa chaleur à l'agent de travail frais comprimé. Enfin l'agent de travail sort de l'échangeur de chaleur par la tubulure de sortie à basse pression 15 et quitte l'installa- tion par la conduite 16.
Dans le cas de pleine charge, la soupape de réglage ou d'étranglement 18, montée dans la conduite de prélèvement ou de contournement 17 est entièrement fermée mais à charge fractionnelle, la soupape 18 est ouverte, c'est-à-dire que la section libre de la conduite de prélèvement est modifiée en raison de la charge. Ainsi une fraction de l'agent de travail comprimé, fourni par le compresseur, quitte l'installation directement, sans passer par la turbi- ne.
L'organe de réglage 18 produit bien une perte d'étranglement, toutefois cel- le-ci ne s'étend que sur la fraction de l'agent de travail qu'il faut extraire du cycle de travail justement par le réglage. Dune*, par ce procédé de réglage, une partie du gaz amené au compresseur est écartée lors de la charge fraction-
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-nelle, avant son entrée dans la turbine, de sorte que la quantité de gaz passant par la turbine est inférieure à celle passant par le compresseur. La circonstance que la quantité de gaz passant par la turbine pendant l'unité de temps diminue, entraîne que la chute de pression se manifestant dans la turbine sera également inférieure, ce qui diminue encore plus la puissance fournie par la turbine, et en conséquence rend le réglage encore plus efficace.
En même temps, la perte due au réglage diminue également, car avec la diminution de la chute de pression de la turbine, la pression initiale de la détente, donc la pression finale de la compression diminue également et l'agent de travail prélevé par le réglage subit une perte par étranglement inférieure.
Sans compliquer sensiblement l'installation nécessaire pour la réalisation du procédé, le rendement peut être amélioré en préletant la quantité superflue de l'agent de travail non après le compresseur, mais déjà entre les étages du compresseur. La figure 2 montre une telle solution du compresseur. Le rotor 21 portant les aubes mobiles 22, se trouve sur l'arbre 20 du compresseur, supporté dans le bâti le* Les aubes fixes 23 sont fixées dans le bâti 19 et la conduite de prélèvement 24, dans laquelle se trouve l'organe de réglage ou d'étranglement 25, est branchée entre deux étages du compresseur sur l'espace annulaire 26 prévu dans le bâti.
Ce dispositif fonctionne de manière que le compresseur qui joue le rôle du compresseur 3 de la figure 1, aspire l'agent de travail par la tubulure d'amenée 27 et le refoule par la tubulure de refoulement 28 ; si la soupape d'étranglement 25 est partiellement ouverte, une partie de l'agent de travail échappe par la conduite de prélèvement 24, de sorte que la quantité de gaz passant par la turbine 1 est inférieure à celle amenée au com- presseur. Dans cette disposition, la pression du gaz extrait par prélèvement est inférieure à la pression totale produite par le compresseur et ainsi les pertes de travail dues au prélèvement sont inférieures à celles de la disposi- tion précédente.
Le fonctionnement de cette disposition est rendu encore plus favorable par la circonstance que dans le cas du prélèvement au compresseur, la vitesse de passage dans les étages précédant le prélèvement est supérieure à cette des étages se trouvant après la conduite de prélèvement. Comme la pres- sion produite dans un étage du compresseur est sensiblement inférieure, si la vitesse de passage y est supérieure, le prélèvement diminue l'efficacité des étages précédant la conduite de prélèvement par rapport aux étages situés après le prélèvement, donc la pression régnant à l'endroit du prélèvement diminué du fait de celui-ci.
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La solution représentée à la figure 3 est encore plus favorable car ici, dans le compresseur, l'agent de travail peut être extrait non à un 'seul, mais à plusieurs endroits. A la figure 3, les aubes fixes 30 fixées dans le bâti 29 du compresseur se trouvent entre les aubes mobiles 22 montées sur le rotor 21.
Les chambres 31, 31', 31", 31"' se raccordent à l'espace de travail du compres- seur auprès du pied des aubes fixes, ces chambres étant reliées respectivement aux'conduites de prélèvement 32, 32', 32", 32"'. Dans l'exécution représentée à titre d'exemple, les conduites de prélèvement débouchent dans les rainures annulaires 34 prévues sur la surface intérieure du cylindre 33. Dans le cylindre 33 se trouve le tiroir circulaire 35 qu'on peut déplacer dans le sens de l'axe du cylindre 33. Ce dispositif fonctionne de manière qu'en cas de charge, en dé- plaçant le tiroir 35 on est en mesure de varier la section de sortie des rainures annulaires 34 se raccordant aux conduites de prélèvement individuelles* c'est-à- dire les fermer ou les ouvrir entièrement.
Grâce à cette solution, on peut pré- lever l'agent de travail à extraire, d'un espace de pression très réduite, de sorte qu'au cours du réglage il n'y a presque aucune perte de travail. Dans cette solution les conduites de prélèvement peuvent être disposées de manière que la partie du compresseur ayant des prises ne produise aucune pression et que ce ne soit que la partie du compresseur dont les conduites de prélèvement sont fermées, c'est-à-dire fortement étranglées ou qui n'ônt aucune conduite de pré- lèvement qui comprime. On peut cependant réaliser le prélèvement en plusieurs endroits du compresseur par l'application réitée du dispositif de prélèvement représenté sa? la figure 2 et suivant des solutions très diverses.
En vue d'obtenir un bon rendement, il est utile de régler aussi la quantité de combustible utilisé pour le fonctionnement de la turbine, simul- tanément avec le prélèvement, au o@urs du réglage, de manière que la température moyenne régnant dans la turbine ne varie pas ou ne varie que dans une mesure ré- duite. A ceci correspond.le procédé, si la quantité de chaleur introduite dans l'agent de travail est réglée de manière que sa température à l'entrée de la turbine, reste approximativement constante pour les charges fractionnelles et à pleine charge.
Si l'on veut maintenir la température de l'échangeur de chaleur à une valeur constante (par exemple pour qu'il reste toujours en régime station- naire) il est utile de régler la chaleur introduite dans l'agent de travail de manière que la température de celui-ci, à la sortie de la turbine, reste approxi- mativement constante pour une charge fractionnelle et à pleine charge,
Le procédé de réglage et l'installation exposés conviennent non
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seulement aux réalisations décrites en détail à titre d'exemple mais aussi pour des solutions s'écartant de celles décrites.
Ainsi par exemple l'échangeur de chaleur 7 peut être d'un système quelconque ; on peut aussi utiliser un récupéra- teur ou il peut être tout-à-fait omis, On peut utiliser des combustibles très divers, combustibles gazeux, liquides ou solides et le foyer peut aussi être dis- posé, d'une manière connue d'ailleurs, en aval de la turbine. Le procédé peut être appliqué à des compresseurs ou turbines de réalisation quelconque; il peut également être appliqué si plusieurs turbines et compresseurs sont utilisés, le cas échéant, de manière que les compresseurs ne soient commandés que par une partie des turbines et que la charge utile soit portée par des turbines indépen- dantes de celles-là au point de vue mécanique et couplées en parallèle ou en sé- rie avec les turbines précédentes.
Dans la disposition suivant la figure 1 on peut disposer la conduite de contournement 17 et l'organe de réglage 18 après la tubulure de sor- tie à haute pression 9 de l'échangeur de chaleur 7, de façon qu'elle crée une liaison entre la tubulure d'amenée 12 et celle d'échappement 13 de la turbine.
Ainsi lors de l'ouverture de l'organe de réglage 18, l'agent de travail prélevé contourne la turbine. On peut appliquer la solution représentée à la fleure 3 à la turbine aussi, si simultanément une certaine fraction de l'agent de travail est extraite du compresseur par une ou plusieurs conduites de contrournement, c'est-à-dire qu'une fraction de l'agent de travail est dirigée de manière qu'elle contourne partiellement le compresseur de même que la turbine.
Dans ce cas,le e rotor 21 et le stator 29 sont respectivement le rotor et le stator de la turbine; le cylindre 33 est raccordé à la conduite d'échappement de la turbine (tubulure 13), de sorte que grâce aux prises 32, 32', 32", 32"' la turbine est aussi par- tiellement éliminée du cycle de travail, c'est-à-dire que dans le cas d'une charge fractionnelle il passe moins d'agent de travail (éventuellement d'une façon graduelle) par une partie de la turbine qu'il n'en entre dans le compres- seur.insi la chute de pression, se présentant dans la turbine, diminue dans le cas de charge fractionnelle aussi du fait que le courant d'agent de travail est dirigé partiellement en contournant la turbine.
En raison de l'invention, le guidage d'une fraction de l'agent de travail sur un chemin contournant la turbine a au moins partiellement deux effets au point de vue du réglage. D'une part, il diminue le travail fourni par la turbine, car la quantité d'agent de travail passant par la turbine est infé- rieure et, d'autre part, il agit sur la chute de pression se présentant dans la
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turbine par l'intermédiaire de la caractéristique de la turbine dans un tel sens qu'elle sera d'autant plus petite que la quantité d'agent de travail guidée en contournement sera plus grande. La diminution de la chute de pression dans la turbine réduit aussi la puissance.
Plus la diminution de la chute de pression dans la turbine est prononcée, moins d'agent de travail devra être guidé en contournement en vue de l'ajustage d'une charge fractionnelle donnée, ce qui est favorable au point de vue du rendement de la turbine à gaz. Comme la chute de pression ayant lieu dans la turbine est identique à l'augmentation de pression produite par le compresseur, dans le cas de charge fractionnelle, la caracteris- tique du compresseur a aussi une forte action sur le rendement de la turbine à gaz. Notamment, si l'augmentation de pression produite par un étage du compres- seur diminue, le volume de l'agent de travail, passant pendant l'unité de temps, augmente. Donc il est utile d'employer des compresseurs et des turbines qui possèdent, au moins au voisinage de la charge normale, une caractéristique pres- sion-volume raide.
Ici, si la pression avant le compresseur, a'est-à-dire en aval de la turbine, est po et la pression après le compresseur, c'est-à-dire en amont de la turbine, est @1, de plus, si le volume de gaz entrant dans le compresseur, c'est-à-dire s'échappant de la turbine pendant l'unité de temps en régime normal est Vn, la diminution de la oontrettpression du compresseur par rapport à la pression d'amenée : au voisinage du régime normal est supé- rieure à l'augmentation du volume de gaz aspiré par unité de temps par rapport au volume de gaz refoulé en régime normal : -de .
De même, dans les turbines à caractéristique raide, la diminution de la pression par rapport à la contre- pression #p au voisinage du régime normal est supérieure à la diminution #o du volume de gaz sortant de la turbine par rapport au volume de gaz s'échappant de la turbine en régime normal , o#v où #p et #v s'entrendent en vn po vn valeurs absolues pur la turbine et pour le compresseur,
L'utilisation de telles turbines et de tels compresseurs dans le cadre de l'invention fournit, en raison de ce qui précède, des rendements à charge f ractionnelles plus favorables que l'emploi de machines à caractéristique plate.
REVENDICATIONS
1. Procédé pour le réglage d'un groupe de machines comportant un compresseur, une turbine à gaz et, éventuellement, un échangeur de chaleur, caractérisé en ce que , en vue de produire une charge fractionnelle, une frac-
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tion réglable de l'agent de travail entrant dans le compresseur est extrait du cycle de travail, avant l'amenée dans la turbine, sans avoir fourni du travail.
2. Procédé suivant 1., caractérisé en ce qu'une partie de l'agent de travail amené au compresseur est extrait du cycle de travail àau moins un endroit de prélèvement du compresseur.
3. Procédé suivant 1, ou 2., caractérisé en ce qu'une fraction de l'agent de travail amené à la turbine est extraite de la turbine à au moins un endroit de prélèvement, sans fournir du travail ultérieur.
4. Procédé suivant 1., 2, ou 3., caractérisé en ce que lors de la variation de la puissance de la turbine à gaz, la quantité de chaleur introduite dans l'agent de travail comprimé par le compresseur est réglée de manière que la température de l'agent de travail amené à la turbine reste pratiquement cons- tante entre certaines limites de charge, à pleine charge et à charge fraction- nelle.
5. Procédé suivant 1., 2. ou 3., caractérisé en ce que lors de la variation de la puissance de la turbine à gaz, la quantité de chaleur introduite dans l'agent de travail comprimé par le compresseur est réglée de manière que la température de l'agent de travail quittant la turbine, reste pratiquement constante entre certaines limites de charge, à pleine charge et à charge frac- tionnelle.
6. Installation pour la réalisation du procédé suivant 1., carac- térisée par un branchement reliant le courant d'agent de travail entre l'entrée du compresseur et celle de la turbine à l'espace se trouvant à la pression infé- rieure du cycle de travail, et dans lequel se trouve un organe de réglage sus- ceptible de faire varier la section jusqu'à la fermeture totale.
7. Installation pour la réalisation du procédé suivant 2.,(c'est-à dire rinstallation suivant 6. ) caractérisée en ce qu'en vue du prélèvement d'une fraction de l'agent de travail du cycle de travail entre les étages du compresseur, il y a au moins une conduite de prélèvement communiquant avec l'es- pace de travail du compresseur, dans laquelle se trouve un organe de réglage susceptible de faire varier la section jusqu'à la fermeture totale.,
8. Installation suivant 6., caractérisée par une conduite de con-
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-tournement entre les conduites d'entrée et de sortie de la turbine, dans laquelle se trouve un organe de réglage susceptible de faire varier la section.
9. Installation suivant qne quelconque des revendications 6. à 8., pour la réalisation du procédé suivant 3., caractérisée en ce que, entre les étages de la turbine, en communication avec l'espace de travail de celle-ci, il y a au moins une conduite de contournement, communiquant avec l'espace se trou- vant à la pression inférieure du cycle de travail, dans laquelle se trouve un organe de réglage susceptible de faire varier la sestion.
10. Installation suivant une quelconque des revendications 6. à 9., caractérisée par un compresseur ayant une caractéristique pression-volume raide, lit Installations suivant une quelconque des revendications 6. à la*, caractérisées par une turbine à gaz ayant une caractéristique pression-volume raide.
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