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Installation de turbine à gaz.
La présente invention se rapporte à une installation de turbine à gaz dans laquelle l'agent moteur est comprimé dans au moins un turbo-compresseur, puis est chauffé, est détendu dans au moins une turbine et est refroidi ensuite pour être de nouveau ramené au turbo-compresseur, de sorte qu'il s'établit un circuit qui staccomplit complètement à une pression supérieure à celle de l'atmosphère, Elle con- siste en ce que ce circuit n'est pas fermé, mais qu'une quantité d'agent moteur y est introduite continuellement au moins en un endroit et que de même une quantité d'agent
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moteur en est soutirée continuellement, également en un eri1
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droit au moins, et en ce que la combustion engendrant la cha0 leur nécessaire pour le chauffage a lieu, sous une pression su- périeure à celle de 1'atmosphère,
dans le courant même de l'agent moteur.
La combustion peut s'accomplir dans le courant d'agent moteur qui sort continuellement du circuit et qui renferme de l'oxygène, cet agent étant, de préference, l'air ; la chaleur de combustion, peut,au moins en majeure parme, être transmise, par échange de chaleur, à l'agent moteur qui se trouve dans le circuit ou qui pénètre dans ce dernier. En règle genérale, l'agent moteur introduit constamment dans le circuit est l'air qui est aspiré de l'atmosphère par au moins un turbo-compresseur et qui est ramené, tout en subissant au moins une fois, un re- froidissement intermédiaire, à la pression à laquelle il entre dans le circuit. L'agent moteur soutiré peut, avant qu'il se détende jusqu'à la pression atmosphérique, être conduit à tra- vers un récupérateur de chaleur.
L'introduction de l'agent moteur a lieu avec avantage sous la pression la plus faible qui règne dans le circuit et dans les conditions les meilleures avant le refroidisseur qui refroidit à basse température la quantité totale de l'aent moteur avant son entrée dans le turbo-compresseur du circuit.
Une turbine qui consomme continuellement l'agent moteur sor- tant du circuit, peut commander un turbo-compresseur qui comprime l'agent moteur que l'on doit introduire dans le circuit, les deux turbo-machines pouvant être réunies pour former un groupe indépendant qu'on appellera dans ce qui suit "groupe de char- gement". Le soutirage de l'agent moteur peut également avoir lieu, par exemple, à la pression la plus basse règnant dans le circuit, de préférence après la sortie de la turbine du circuit.
Pour régler le travail développé par l'installation, on peut, avec grand avantage, sous une vitesse angulaire cons- tante des turbo-machines du circuit et des températures et @
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rapports de pressions constantes, modifier le niveau de pres- sion du circuit tout en règlant en même temps l'amenée du combustible. On peut avec avantage modifier le niveau de pres- sion en changeant la vitesse angulaire du groupe de chargement.
Grâce à l'invention, on atteint l'avantage que toutes les machines et tous les appareils dont se compose l'installa- tion, reçoivent des dimensions relativement réduites. Les turbo-machines du circuit principal travaillent sous une pres- sion élevée, ce qui permet de faibles dimensions, tandis que la quantité d'air ou de gaz consommé par le groupe de charge- ment n'est égale qu'à 1/4 à I/6 de celle qui circule dans le circuit, ce qui conduit aussi à de faibles dimensions.D'autre part, on donne des dimensions beaucoup plus faibles non seule- ment aux refroidisseurs et aux récupérateurs (par suite du coefficient élevé de transmission de chaleur sous une pression élevée), mais aussi en particulier,
aux installations de chauffage c'est-à-dire aux chambres de combustion et aux échan- geurs de chaleur au moyen desquels de la chaleur de combustion est cédée à l'agent moteur qui se trouve dans le circuit.Bette dernière circonstance constitue un avantage particulier du mode de travail objet de l'invention, car elle est une consé- quence immédiate défait que le circuit, qui s'accomplit sous une pression supérieure à la pression atmosphérique, ne soit pas fermé.Ce n'est que pour ce motif que la combustion peut être réalisée dans le courant de l'agent moteur même, ce qui donne lieu automatiquement à une combustion sous pression et à des conditions excellentes pour la transmission de chaleur à l'agent moteur qui se déplace en un circuit.
L'invention présente en outre des avantages d'ordre tech- nique. Non seulement le rendement de l'installation reste pra- tiquement sans changement entre des limites de charge fort é écartées, parce que les rapports de pression et les tempéra- tures restent toujours approximativement les mêmes dans le cir- cuit et que les turbo-machines du circuit tournent à vitesse
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constante mais qu'en outre la pression dans la ou les chambres de combustion se modifie proportionnellement à l'energle dé- veloppée, ce qui est avantageux pour le réglace de la combus- tion.
Celà rend par exemple impossible qu'à faible charge, c'est-à-dire lorsque le niveau de pression de l'installation est relativement bas, la quantité de chaleur fournie au circuit devienne beaucoup trop grande par suite d'une erreur de régla- ge. Le passage d'oxygène par la chambre de combustion n'est en effet pas suffisamment important alors - en raison de la pres- sion plus basse - pour permettre le dégagement d'une quantité beaucoup trop grande de chaleur de combustion. Du fait que des foyers sous pression peuvent, comme on le sait, être con- duits d'une façon particulièrement avantageuse avec un très faible excès d'air, cette limitation assurée automatiquement de la chaleur apportée suivant la charge du moment, est très rigoureuse, ce qui confère à l'installation un degré de sécurite de fonctionnement très élevé.
Lorsque la chaleur de combustion est fournie par échange de chaleur à l'agent moteur du circuit, il résulte encore un autre avantage considérable du fait que le coefficient de transmission de chaleur est à peu prs proportionnel à la pres- sion. En effet, la quantite de chaleur schangée est, pour des températures de la chambre de combustion qui ne se modifient que très peu, proportionnelle à la pression et par conséquent au travail développé. Par suite, les conditions de température du réchauffeur d'air ne subissent que des variations extrême- ment faibles, ce qui garantit un réglage très rapide et exact, tandis que les influences perturbatrices (retardatrices) de l'inertie de la chaleur disparaissent pratiquement.
On obtient en outre l'avantage que, en supposant des rendements très élevés de la turbine 14 et de la soufflerie 15, le groupe de chargement fournit encore du travail supplémentaire de sorte que la machine électrique 17 fournit ainsi egalement du courant, ce qui améliore encore l'effet utile total de 1 ' installation.
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Le dessin annexé représente schématiquement, à titre d'exemples, quelques modes de réalisation de 1'invention.
Sur ce dessin:
La figure 1 représente une installation de turbine à gaz dans laquelle le chauffage de l'agent moteur a lieu par introduction directe du combustible dans l'agent moteur.
La figure 2 illustre une installation dans laquelle le chauffage de l'agent moteur a lieu dans des éohangeurs de cha- leur, à l'intérieur d'une chaudière à air chaud et dans la- quelle les gaz de combustion ne viennent pas en contact avec le circuit principal.
La figure 3 représente une installation dans laquelle le chauffage de l'agent moteur a lieu également dans une chaudière à air chaud, mais dans laquelle les gaz de combus- tion sont mélangés à l'agent moteur.
La figure 4 montre une installation qui fonctionne comme celle de la figure 3 avec toutefois la différence que le ré- glage de la vitesse angulaire du groupe de chargement à basse pression peut s'effectuer librement.
La figure 5 représente, en coupe longitudinale, la tur- bine à gaz et la disposition des surfaces d'échange de cha- leur suivant la figure 4 et
La figure 6 est une coupe transversale correspondant à la figure 5?
Suivant la figure 1, le turbo-compresseur ou soufflerie 1 comprime l'agent moteur qui est aspiré par les tuyaux 2 et 3.
La compression a lieu avec refroidissement intermédiaire, pour lequel on prévoit un refroidisseur intermédiaire 4. Après être sorti du turbo-compresseur 1, le gaz est d'abord chauffé dans l'échangeur de chaleur 5, puis est porté'dans la chambre de combustion 6, à la température maximum admissible.
La première partie de la détente a lieu dans la turbine à haute pression 7. Une autre chambre de combustion intermé- diaire 8 fait subir à l'agent moteur un chauffage intermédiaire,
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après quoi celui-ci pénètre dans la turbine 9 à basse pression.
Le gaz sortant de cette turbine 9 est encore à une pression supérieure à celle de l'atmosphère, et il s'écoule à travers l'échangeur de chaleur 5 en abandonnant en contre-courant une partie de sa chaleur à l'agent, moteur qui vient dela souf- flerie 1.
Dans l'échangeur de chaleur 5, une quantité déterminée de gaz est soutirée à l'endroit désigne par 10, tandis que la partie restante s'écoule plus loin, jusque dans le refroidis- seur 11. Dans celui-ci, de l'eau de refroidissement pénètre par le tuyau 12, se répartit finement et refroidie le gaz en contre-courant. L'eau amenée est envoyée à l'air libre par le tuyau 15. Après refroidissement, le gaz rentre à nouveau en 2 dans la soufflerie 1.
La partie du gaz soutirée en 10 pénètre dans une turbine à gaz d'échappement 14 qui commande une soufflerie de charge- ment 15. Cette soufflerie 15 aspire de l'air atmosphérique et le refoule, par un refroidisseur 16, au tuyau 3 où il est ame- né, à l'état comprimé, à la soufflerie principale. Une machine électrique 17 est accouplée avec le groupe de chargement; elle sert à compenser la différence de travail fourni par la tur- bine 14 et la soufflerie 15. En même temps, cette machine électrique 17 permet d'influencer, par simple action sur la vitesse angulaire du groupe de chargement, la pression de char- gement et, par conséquent, les conditions de pression de toute l'installation, ce qui crée en même temps une possibilité de réglage.
La turbine 14 et la soufflerie 15 consomment des quan tités d'agent moteur qui se correspondent entre elles ; en d'au- tres termes, à l'état d'équilibre, il passe par la turbine 14 une quantité d'agent moteur qui, par rapport à celle passant par la soufflerie 15, est supérieure de la quantité de combus- tible introduit dans le circuit. De préférence, la turbine à haute pression 7 a une vitesse angulaire supérieure à cellede
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la turbine à basse pression 9, ce qui peut être obtenu par exemple par interposition d'une transmission par engrenages 18 intercalée entre la turbine à basse pression et la turbine à haute pression. La turbine à basse pression 9 est reliée à la génératrice 19 qui transforme en énergie électrique le tra- vail fourni à l'extérieur.
La figure 2 représente un agencement analogue à celui montré par la figure 1, mais on n'a pas prévu, pour le chauf- fage et pour le chauffage intermédiaire, des chambres de com- bustion à amenée directe de combustible, mais des échangeurs de chaleur 20 et 21 qui se trouvent à l'intérieur d'une chau- dière à air chaud 22. On prélève donc, à l'endroit désigné par 23, une quantité déterminée de l'agent moteur pour s'en s'ervir comme air de combustion dans la chaudière à air chaud 22. Ce courant d'air soutiré revient ensuite à la turbine de gaz d'é- chappement 14 en passant par un filtre 24 et par l'échangeur de chaleur 5. Cette turbine 14 est donc la seule machine de toute l'installation à être traversée par des gaz de combustion; toutes les autres consomment de l'air.
Mais comme le gaz est déjà fortement refroidi et qu'en outre, il est filtré on peut dans de telles installations, employer également comme combus- tibles ceux qui produisent du coke volant et des cendres vo- lantes, par exemple du charbon ou du charbon en poussière.
Le refroidisseur 11 de la figure 2 est un échangeur de chaleur à surface. L'agent réfrigérant entre par le tuyau 25 dans le serpentin réfrigérant 26 et sort du refroidisseur 11 par le tuyau 27.
La turbine à gaz principale est divisée en deux turbines à gaz distinctes, 7 et 9, la turbine à gaz7 commandant la soufflerie 1 et la turbine à gaz 9 commandant la génératrice 19.
Contrairement aux exemples d'exécution suivant les fi- gures 1 et 2, on prévoit à la figure 3 deux groupes de charge- ment. Le groupe de la turbine à basse pression est constitué par la turbine 14' et par la soufflerie 15' et le groupe de/la tur-
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bine à haute pression par la turbine 14 et la soufflerie 15.
Entre la soufflerie de chargement à basse pression 15' et celle à haute pression 15, on prévoit un réfrigérant interme- diaire 28. L'agencement est analogue à celui de la figure 2, avec la différence qu'un réchauffage intermédiaire n'existe pas. En outre, les gaz d'échappement de la chaudière à air chaud 22 sont mélangés avec le courant de gaz restant. A l'en- droit désigné par 29, une partie du gaz est de nouveau préle- vée et est conduite dans la turbine 14, tandis que la partie restante revient au refroidisseur intermédiaire 16 en passant par un petit échangeur de chaleur 30. Le gaz sortant de la turbine 14 subit un réchauffage intermédiaire dans l'échangeur de chaleur 30 pour atteindre ensuite la turbine 14.
La turbine 7 et la soufflerie 1 sont reliées par un e n- grenage 31 de telle manière que la soufflerie 1 tourne plus vite que la turbine 7 . Le groupe 14', 15' estaccouple à la soufflerie 1, étant donné que le travail développe par la tur- bine 14' ne suffit pas pour commander la soufflerie 15'.
L'exécution du refroidisseur 16 sous la forme d'un re- froidisseur à injection présente l'avantage qu'on peut pousser le refroidissement à un degré particulièrement bas et qu'en même temps on réalise une'épuration des gaz. Les refroidisseurs à injection peuvent être pourvus de séparateurs d'eau 32 qui fonctionnent suivant un procéde connu quelconque et qui en- ploient par exemple des anneaux de Raschig Sur la figure 3, un des deux refroidisseurs, à savoir le refroidisseur 4, est construit sous la forme d'un refroidisseur combiné à injection et à surface. L'agent réfrigérant injecté par le tuyau 12 ruis- selle ici sur la surface d'échange de chaleur 26, Cette dispo- sition présente l'avantage qu'une quantité beaucoup moindre d'eau doit être injectée.
Sur la figure 4, on a prévu egalement un groupe de char- gement à basse pression et un groupe de chargement à haute pression.
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Par rapport à la figure 3, il existe néanmoins la dif- férence que la vitesse angulaire du groupe de chargement à bas- se pression 14', 15' peut se régler librement, tandis que le groupe de chargement à haute pression 14,15 est commandé à par- tir de l'installation principale par l'intermédiaire d'un en- grenage 33. Le fonctionnement de l'installation principale de turbine à gaz (1,7,9 et 19) est semblable à celle des exemples précédents. Toutefois, la soufflerie 15 comprime à une pres- sion supérieure à celle qui règne sur le coté à basse pression de l'échangeur de chaleur 5, l'air fournissant le travail.
L'air comprimé est amené dans la chambre de combustion 35 en passant par un réchauffeur d'air 34; il est chauffé dans cette chambre et est refroidi de nouveau partiellement immédia- tement après, dans un échangeur de chaleur 20. Grâce à celui-ci, le chauffage du courant principal de gaz est réalisé avant l'entrée de ce courant dans la turbine à haute pression 7 Après l'échangeur de chaleur 20, le gaz de combustion encore fortement chauffé et sortant de la chambre de combustion 35 et le gaz sortant de la turbine7 se mélangent, ce qui donne lieu à un chauffage intermédiaire.
La partie principale du mélange de gaz ainsi produit est conduite à la turbine 9 pour y accomplir le processus du tra- vail de la façon déjà mentionnée. La partie restante est condui- te par le tuyau 36 jusqu'à l'endroit désigné par 37 où il se produit à nouveau uné dérivation. Une partie de l'agent moteur est insuffle par le ventilateur 38 dans la chambre de combus- tion 35 pour y refroidir les parois de la garniture 39 du brû- leur, tandis que l'autre partie traverse à contre-courant le réchauffeur d'air 34 et se détend ensuite dans la turbine de chargement à haute pression 14. A sa sortie de cette turbine, le gaz arrive dans le refroidisseur II où il est mélangé de nouveau au courant principal. Il seconde ici le refroidissement car, à sa sortie de la turbine 14, il est fortement refroidi.
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Une quantité correspondante de gaz est prélevée a#/sir-
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cuit restant en l'endroit désigné par 40 et se détend dans la turbine 14' à basse pression. Le gaz prélevé en cet endroit 40 étant plus chaud que celui qui sort de la turbine 14, cemontage entraine une production plus grande de travail par la turbine 14'. On obtient donc par cet agencement le effet que par l'échangeur de chaleur 30 de la figure 3.
Il ressort en outre de la figure 4 de quelle façon une telle installation peut, à titre d'exemple, être réglée. A cet effet, on prévoit des robinets de réglage 41,42 et 43. Gone- ralement, le robinet 42 est ouvert, tandis que les robinets 41 et 43 sont fermés.Lorsque la vitesse angulaire du groupe de chargement à basse pression 14', 15' doit augmenter et, avec elle la pression dans l'installation toute entiere, on ferme partiellement ou entièrement le robinet 42 et on ouvre par con- tre le robinet 41. Il s'ensuit que la turbine 14' reçoit du gaz chaud, de sorte que le travail qu'elle développe et sa vi- tesse angulaire augmentent.
D'autre part, grce à, l'ouverture du robinet 43, le gaz peut en évitant de passer par la turbine 14', s'échapper directement à l'air libre, ce qui entraine la diminution du travail développé et de la vitesse angulaire d e la turbine 14'. Du reste, le réglage a lieu de telle façon qu'au moins entre des limites fort écartées, la température de la chambre de combustion et par suite, d'une façon générale, les températures sont maintenues constantes pendant tout le proces- sus du travail et que le travail développé par l'installation n'est modifié que par le changement du niveau de pression.
Suivant les figures 5 et 6, on emploie des tubes de trans- mission de chaleur 20 qui sont disposés de la façon représen- tée en arcs de cercle au-dessus de la turbine 7, Le gaz prove- nant de l'échangeur de chaleur entre à l'endroit désigné par 44 (voir figure 6) et pénètre en 45 et 46 dans les tubes 20 pour sortir de nouveau en 47 de ces tuyaux et pénétrer dans la tur- bine. Le gaz fortement chauffé entre, en 48, dans le faisceau de tubes et en sort en 49. Il se produit alors le melange avec
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le gaz qui sort par la tubulure de gaz d'échappement 50 de la turbine 7. Le courant passe donc transversalement sur les tubes du faisceau 20.
Il est avantageux dans ce cas de choisir, pour les distances entre les arcs de tubes mesurées dans la direc- tion de l'axe de la turbine, des valeurs inférieures à celles mesurées perpendiculairement à cet axe.
Le soutirage d'agent moteur a lieu généralement à la fin de :la détente, après la turbine à gaz ; il peut avoir lieu aussi pendant la détente, entre deux turbines à gaz ou à un en- droit de soutirage spécial de la turbine.
La turbine à gaz d'échappement et la soufflerie de char- gement peuvent' être réunis en un groupe indépendant. Le char- geinent peut avoir lieu également au moyen de plusieurs groupes de chargement. Il peut y avoir par exemple un groupe à basse pression et un groupe à haute pression, et un de ces groupes peut être accouplé à la machine principale. Le réglage des groupes de chargement peut avoir lieu par déplacement des aubes de la première roue directrice de la turbine à gaz déchappement.
La détente de l'agent moteur peut avoir lieu dans une turbine à haute pression et dans une turbine à basse pression, la première tournant à une vitesse plus grande que la dernière.
La turbine à haute pression et la turbine à basse pression peu- vent être reliées par un engrenage ou bien la soufflerie peut être commandée directement par la turbine à haute pression, tandis que la turbine à basse pression fournit de l'énergie vers 'l'extérieur.
La soufflerie peut, dans ce cas, tourner plus vite que la turbine qui la commande. Les pièces de l'installation travail- lant à basse température, peuvent être constituées au moins par- tiellement par un matériau résistant à 7.'acide.