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"Procédé et dispositif pour le réglage, pendant le service, des installations de turbines à gaz".
L'invention concerne un procédé et un,dispositif pour le réglage, pendant le service, des installations de turbines à gaz comportant une ou plusieurs turbines de travail à nombre . de tours variable.
On connait des installations de turbines à gaz, dans les- quelles sont prévues une ou plusieurs turbines à gaz, actionnant un ou plusieurs compresseurs pour effectuer la compression de l'agent moteur de l'installation de turbines à gaz, et, en outre, une ou plusieurs turbines à gaz ne fournissant essentiellement que du travail utile (turbine ou turbines de travail), qui sont mécaniquement plus ou moins indépendantes des turbines mention.. nées en premier lieu.
L'invention se rapporte au réglage d'ins- lallations de turbines à gaz de ce genre, et particulièrement au réglage de leurs turbines de travail, dans le cas où, pendant que la quantité de travail débitée par l'installation de turbine à gaz devra, d'ordinaire, rester à un chiffre constant (p.ex. au chiffre de la puissance pleine ou presque pleine), la turbine de travail devra fonctionner à un nombre de tours et avec un moment de rotation très variables.
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La fig. 1 des dessins annexés représente, à titre d'exemple, une forme de réalisation très simple, ne comportant qu'un compresseur, une turbine pour l'actionnement du compresseur, et une turbine de travail, d'une installation de turbine à gaz adaptée à la mise en oeuvre du procédé qui sera décrit dans la suite.
La fig.2, qui a un caractère explicatif, représente les caractéristiques "chute de pression/nombre de tours" des turbines de travail se prêtant à l'application de l'invention dans des conditions différentes d'établissement du projet. La fig.5 représente, sur trois couronnes d'aubes consécutives, la manière dont les aubes sont disposées les unes par rapport aux autres, ainsi que le réglage angulaire des aubes de la couronne d'aubes centrale, par rapport à la direction périphérique, tandis que la fig. 4 représente un profil d'aube de ces couronnes. Chacune des fig.5 et 6 représente une autre variante du dispositif convenant à la mise en oeuvre de l'invention.
Selon la fig.l, la turbine à gaz 2, actionnant le compresseur 1 d'une manière directe au moyen de l'embrayage 3, ou, le cas échéant, d'une manière indirecte, au moyen d'une transmission mécanique non-représentée, est raccordée à la turbine de travail 4, par exemple en série dans la direction du passage de l'agent moteur. Selon cette définition, la turbine de travail sert, dans un degré prépondérant, ou entièrement, à débiter du travail utile, tandis que la turbine 2 n'actionne que le compresseur 1, et tout au plus encore certains engins auxiliaires dont il n'a pas été tenu compte dans cet exemple.
Au moyen de ses couronnes d'aubes stationnaires 5 et mobiles 6, le compresseur aspire l'agent moteur - de l'air frais dans le cas d'un cycle de travail ouvert -. à travers le tuyau d'aspiration 7, et après l'avoir comprimé à la pression plus élevée désirée, il le refoule par le raccord 8 vers la turbine à gaz 2, laquelle, dans cet arrangement représenté à titre d'exemple, accomplit la première phase (la phase à
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pression plus élevée) de la détente.
Pendant ce temps, l'agent moteur comprimé passe, entre le compresseur et la turbine à gaz 2 qui actionne ce dernier, à travers l'espace de travail à haute pression de l'échangeur de chaleur à contre-courant 9, constituant un accessoire utile, mais non indispensable de l'installation, et ensuite à travers la chambre de combustion 10, raccordée au dit espace de travail à haute pression.
Dans cette chambre de combustion, l'agent moteur, déjà réchauffé au moyen de la teneur en chaleur encore récupérable de l'agent moteur complètement détendu et quittant l'installation, est soumis à un échauffement ultérieur par la combustion du combustible qui, par exemple, pourra être liquide ou gazeux, introduit à l'aide du brûleur il, et après avoir absorbé la quantité de chaleur suffisante pour débiter le travail nécessaire, il passe, dans cet état, à travers la tubulure d'entrée 12 de la turbine à gaz 2, dans l'espace de travail de cette turbine, dans lequel, pendant son écoulement à travers les couronnes d'aubes stationnaires 13 et mohiles 14, il ira, en accomplissant une détente partielle, transmettre à l'arbre de la turbine 2 la quantité exacte de travail nécessaire pour actionner le compresseur 1,
ainsi que les engins auxiliaires éventuels mentionnés. L'agent moteur qui, après avoir accompli ce travail, possède encore une capacité de détente ainsi qu'une capacité de travail ultérieures, passe maintenant à travers la tubulure ;de sortie 15 de la turbine 2 et à travers la tubulure d'entrée 17 de la turbine de travail, qui est reliée à ladite tubulure de sortie au moyen du tuyau de connexion 16, à l'espace de travail de la turbine de travail, et après avoir été admis aux aubes stationnaires 18, et,aux aubes mobiles 19, et après avoir débité le travail utile nécessaire, il se détend dans la dite turbine jusqu'à la limite de pression inférieure du cycle de travail.
Enfin, l'agent moteur pratique. ment complètement détendu passe - pour transmettre sa teneur en chaleur encore récupérable à l'agent moteur frais comprimé ..
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à travers la tubulure de sortie 20 de la turbine de travail et à travers le tuyau de connexion 21, à l'espace de travail à basse pression de l'échangeur de chaleur 9, et s'étant refroidi ici, il quitte l'installation à travers le tuyau de sertie 22.
Le dispositif et le processus de travail qui viennent d'être décrits avec référence à la fig.l, sont déjà connus en soi et leur but consiste, aussi selon les propositions faites jusqu'ici , à assurer, en rendant la rotation de la turbine de travail et celle de la turbine actionnant le compresseur indépendantes l'une de l'autre, la possibilité de faire marcher chaque turbine, l'une indépendamment de l'autre, au nombre de tours demandé ou prescrit par les données du service, notamment de faire marcher la turbine de travail à un nombre de tours qui, selon les conditions du mode d'utilisation, variera le cas échéant entre des limites écartées, tandis qu'on fera marcher la turbine actionnant le compresseur, au moins approximativement, au nombre de tours constant pour lequel la turbine et le compresseur ac- tionné par elle,
c'est-à-dire le groupe compresseur-turbine, a été conçu. Avec les procédés employés jusqu'ici, la solution de ce problème par l'emploi de turbines raccordées en série selon la fig.l se heurte à cette difficulté que, dès que le nombre de tours de la turbine de travail varie, la distribution de la chute de pression totale entre la turbine actionnant le compresseur et celle fournissant un débit utile - distribution qui a formé la base sur laquelle le projet a été établi, en tenant compte des conditions de service se présentant le plus souvent, et qui est adaptée pour assurer le rendement le plus favorable réalisable dans ces circonstances, - aura également tendance à varier.
C'est la fig.2, sur laquelle les caractéristiques "chute de pression/nombre de tours" de toute une série de turbines de travail sont représentées, qui servira pour éclaircir ce fait; les diverses caractéristiques de cette figure devront être in.. terprétées de telle manière que, dans le cas de chaque caractéristique, la variation de la chute de pression et du nombre de
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tours par minute se.:.'produit avec une quantité constante d'agent moteur passant à travers l'installation (quantité qui peut,le cas échéant, 8tre cependant différente pour les différentes caractéristiques).
Outre de l'influence d'autres facteurs (par exemple de la quantité d'agent moteur constante passant à travers l'installation), la forme des caractéristiques dépend dans une mesure très sensible de la valeur de l'angle ( du réglage des aubes qui - comme tracé à titre d'exemple sur la fig.3 sur un des profils d'aubes d'une couronne d'aubes sta- tionnaire entre deux couronnes d'aubes tournant avec une vitesse u - est renfermera l'entrée dans la couronne d'aubes sur le côté sous pression du profil d'aubes, par la ligne de base g-g du profil et la direction prériphérique (la ligne de base du pro..
fil peut être définie, selon la fig.4, comme une ligne droite tracée comme tangente au cercle d'arrondissement prévu au côté d'entrée de la section transversale de l'aube et allant à l'extrémité située au côté de sortie de cette section transversale, ligne qui, le cas échéant, pourra, si cette dernière extrémité du profil est arrondie également, être aussi tangente à un cercle d'arrondissement de cette dernière extrémité, et dans le cas où la section transversale de l'aube, vue du coté sous pression des aubes, est concave, cette ligne pourra même - vu que la différence n'est qu'insignifiante - être identifiée à la ligne formant tangente au coté soumis à pression de la section transversale).
Si l'angle , mesuré de cette manière, diminue jusqu'à une certaine valeur-limite; on pourra obtenir une carac- téristique dont la forme correspond, par exemple, à la courbe cide la fig.2, tandis qu'avec l'augmentation graduelle de la grandeur de l'angle x on pourra obtenir successivement les caractéristiques c2, c3, respectivement c4.
L'abscisse des caracté- ristiques est le nombre de tours par minute, tandis que leur ordonnée est la chute de pression se présentant dans la turbines
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Même dans le cas de la caractéristique c3, qui est celle qui varie relativement le moins entre les limites de nombres de tours no - n1, on peut voir qu'avec la variation du nombre de tours la chute de pression change également - dans la plupart des cas dans une mesure considérable -, et notamment la diminution du nombre de tours causera une augmentation ou bien une diminution de la chute de pression, selon la disposition, res- ,pectivement la grandeur de l'angle d'orientation des aubes.
Il est évident que ce changement de pression réagira aussi sur les conditions d'exploitation du groupe compresseur-turbine qui fournit l'agent moteur nécessaire pour la turbine de travail ; si l'on suppose notamment que c'est lorsque l'installation de turbine à gaz fournit un certain débit constant (par exemple un débit égal à la pleine puissance de l'installation) que la turbine de travail devra marcher avec un nombre de tours varia- ble, on pourra, théoriquement, considérer la chute de pression totale des turbines raccordées en série comme donnée pour ce cas (constante), d'où il résulte que, en se basant, par exemple, sur la caractéristique ci ou,22, en conséquence de l'augmentation de la chute de pression de la turbine de travail qui se présentera au cas de la diminution du nombre de tours,
il faudra que la chute de pression de la turbine actionnant le compresseur diminue. Ceci aura cependant pour conséquence que cette dernière turbine, passant à un état de surcharge par rapport à sa condition de fonctionnement précédente, aura la tendance de ralentir, jusqu'à ce qu'il sera possible que, pour un nombre de tours correspondamment moins élevé, et avec un débit d'agent moteur dont la quantité et la pression sont changées, et après que cette turbine aura,de son côté, réagi sur la condition de fonctionnement de la turbine de travail, il se présente un équilibre.
Dans cet état de choses, cependant, dans lequel les conditions de fonctionnement requises pour la turbine de travail se trouvent modifiées également, c'est particulièrement
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le groupe compresseur-turbine qui sortira en dehors de la zone de fonctionnement qui est la plus favorable pour lui, et il est bien naturel, que dans le cas d'un tel fonctionnement à nombre de tours variable, cette circonstance exercera une forte influence défavorable sur la puissance de l'installation de turbine à gaz dans son ensemble.
Selon l'une des propositions connues, qui se rapportent à des turbines raccordées en série et visent l'élimination de ce défaut et, en même temps, tendent à rendre possible une exploitation à nombre de tours réglé (variable) en maintenant, par exemple, un débit constant, la construction d'aubes de la turbine de travail devra être telle que la caractéristique "chute de pression/nombre de tours" de cette turbine ait une forme sem- blable à celle de la courbe c3 de la fig.2.
Dans ce cas, la turbine de travail possédera, par exemple entre les limites de nombres de tours n0 - n1, une chute de pression # pk moyenne constante, et par conséquent - pour une quantité pratiquement constante d'agent moteur passant à travers l'installation - la puissance de la turbine de travail sera également constante, abstraction faite de la variation du rendement, et pour cette raison le moment de rotation de la turbine de travail sera approxima'- tivement en proportion Inverse au nombre de tours variable.
Donc, une installation de turbine à gaz de ce genre - bien que so rendement ne soit pas très avantageux - se prête sans aucune difficulté essentielle aux besoins d'un service, dans lequel - comme par exemple dans l'exploitation des véhicules - il est nécessaire que le nombre de tours et le moment de rotation va. rient entre des limites écartées, en sens opposé ]'un par rapport à l'autre; en morne temps il est évident que dans le cas où la puissance fournie est constante, le groupe compresseur-turbine pourra également fonctionner avec une chute de pression prati- quement constante, donc sous les conditions d'exploitation les plus avantageuses pour lui, et en premier lieu à un nombre de
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tours constant.
Le point de départ d'une autre proposition connue consiste, en plus de la relation selon la fig.2, dans le fait que la turbine actionnant le compresseur et celle fournissant un travail utile, étant donné que leur construction a été réalisée de manières différentes conformément aux rôles différents qu'elles jouent, possèdent des caractéristiques "chute de pression/nombre de tours" différentes l'une de l'autre.
Pour cette raison., lorsque le rapport des chutes de pression des turbines raccordées en série aura tendance à changer, par exemple en conformité de ce qui a été dit plus haut, par suite de la variation du nombre de tours de la turbine de travail, le nombre de tours de la turbine actionnant le compresseur devrait s'ajuster dans le cas où la quantité d'agent moteur passant à travers la turbine de travail et à travers la turbine actionnant le compresseur reste constante - à une nouvelle valeur, ou bien les quantités d'agent moteur passant à travers les deux turbines devraient changer d'une manière correspondante, l'une par rapport à l'autre, changement qui en même temps pourrait aussi servir pour assurer, lui-même, la constance pratique des chutes de pression.
En conformité de cet état des choses, le réglage s'effectue d'une telle manière que le changement relatif des quantités d'agent moteur passant à travers les diverses turbines s'effectue en actionnant une ou plusieurs conduites en dérivation, au moins partielle, d'une des turbines, c'est à dire en conduis sant une certaine quantité d'agent moteur par une voie de détour, par laquelle elle évite une certaine phase de la détente, méthode par laquelle il est également possible de réaliser pratiquement les buts visés par la première proposition mentionnée plus haut.
Dans le cas de l'application de cette dernière proposition, la quantité d'agent moteur conduite par la voie de détour sans utiliser la détente provoque une certaine perte et un certain affaiblissement du rendement, tandis que dans le cas où .-
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la première proposition est mise en oeuvre il sera, par suite de la forme de la caractéristique c3 de la fig.2, impossible d'assurer - particulièrement entre des limites de pression assez écartées - la constance suffisante de la chute de pression,de sorte que la solution la moins désavantageuse consiste encore à mettre en oeuvre les deux propositions conjointement.
Pour éliminer les défautsmentionnés dans ce qui précède, existant encore toujours après la réalisation des propositions connues qui viennent d'être décrites, la turbine de travail de l'installation de turbine à gaz comportant un groupe compresseur-turbine et une turbine de travail mêcaniquement indépendants l'un de l'autre, est munie, selon l'invention, dans un arrange. ment constructif relativement simple, au moins sur certaines couronnes d'aubes stationnaires , d'aubes adaptées à être tour*- nées (orientabldes) qui, d'une manière connue dans d'autres machines semblables aux turbines, sont de préférence logées dans des coussinets contenant du carbone ou du graphite et qui , partiel..
lement dans le sens de ce qui a été dit plus haut et partielle.. ment dans le sens de ce qui sera décrit dans la suite, peuvent être actionnées de manière à permettre à la turbine de travail de laisser passer dans les environs d'un certain débit de travail, indépendamment de son nombre de tours, une quantité d'agent moteur pratiquement constante, et ayant une pression e une tem- pérature pratiquement constantes. Le fait que l'angle d'orient. tation des aubes a une influence sur la chute de pression de la turbine de travail, peut être déduit d'une manière directe de la fig.2, mais, en conformité avec les conclusions qui résultent de cette figure, on peut également se rendre compte de ce fait sur la base d'une simple considération.
Si l'on modifie notamment l'angle d'orientation des aubes stationnaires de la manière qui s'impose du point de vue de l'invention, il est évident que comme on peut le déduire de la fig. 3 - une conséquence de la diminution de l'angle [alpha] sera que l'angle d'attaque formé par
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la direction z du courant d'agent moteur frappant l'aube, avec la surface d'aubes soumise à pression, augmentera , et le changement de direction du courant, changement qui détermine la chute de pression se présentant dans la couronne d'aubes, augmentera également, et par conséquente en pleine conformité avec la conclusion qui peut se déduire de la fig.2 - la chute de pression résultante de la turbine augmentera également.
La forme des caractéristiques c3 et particulièrement c4 de la fig.2 ne sont pas non plus en contradiction avec ceci, puisque dans de tels cas, lorsque la ligne de base du profil d'aube se rapproche de la direction d'entrée!, il ne s'agit que du fait que l'influence des éléments qui causent la dépression des caractéristiques c1 et c2 sur leur partie médiane se fera valoir à un degré plus élevé dans le cas des caractéristiques ± et c4; toutefois, dans ces cas également, la diminution de l'angle donnera lieu à une élévation de la caractéristique.
Le degré de variation de la chute de pression qui peut 8tre réalisé dans la turbine sera naturellement d'autant plus grand que le nombre des couronnes d'aubes stationnaires dans lesquelles on effectuera la variation de l'angle des aubes sera plus élevé (dans le cas limite, ce sera dans toutes les couronnes d'aubes stationnaires que cette variation sera effectuée). De cette manière il devient possible de régler, sans perte de travail additionnelle, la chute de pression de la turbine dans la mesure exigée par l'exploitation.
Le rendement de l'installation de turbine à gaz, dans les cas où le nombre de tours de la turbine de travail diffère du nombre de tours normal, augmentera donc considérablement, et l'installation deviendra excellemment appropriée à l'actionnement de véhicules, puisque - par exemple en cas d'utilisation complète - elle donnera, tout en augmentant le moment de rotation de démarrage dans une mesure très considérable, une caractéristique "moment de rotation/nombre de tours" variant dans un sens Inverse à la variation du nombre de tours.
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Comme il résulte des fig.2 et 3 dt de ce qui a été dit avec référence à ces figures, il faudra, dans le cas où, à un nombre de tours s'écartant du nombre de tours normal, la pression nécessaire pour traiter la quantité d'agent moteur prescrite se trouve augmentée, faire tourner les aubes stationnaires de la turbine de travail, du moins dans certaines coma ronnes d'aubes stationnaires, d'une manière telle que l'angle de réglage de ces aubes, compris entre la ligne de base du profil d'aubes et la direction périphérique à l'entrée dans la couronne d'aubes au coté sous pression du profil, soit également augmenta, puisque ceci rend possible de diminuer la chute de pression de la turbine de travail.
Par contre, il est évident que, dans le cas où la pression devant la turbine de travail, nécessaire pour traiter la quantité d'agent moteur prescrite, se trouverait diminuée au nouveau nombre de tours, il faudra faire tourner les aubes stationnaires orientales de la turbine de travail dans la direction contraire à la direction dont il s'agissait dans le cas précédent. La rotation des aubes sta.. tiojnaires s'effectuera donc dans les deux cas d'une manière telle que l'angle d'orientation des aubes sera changé dans un sens égal au sens de la variation de chute de pression qu'on désire contrebalancer, et ce changement continuera naturellement jusqu'à ce que la pression absorbée par la turbine de travail Boit pratiquement égale.à la pression prescrite.
Grâce à ceci, il sera possible que dans les cas de fonctionnement dans lesw quels la puissance de l'installation de turbine à gaz, ainsi que sa chute de pression totale devront être tenues à des valeurs aussi constantes que possible, le groupe compresseur-turbine, raccordé en série à la turbine de travail, pourra également fonctionner avec une chute de pression pratiquement constante, et ainsi il deviendra possible que le groupe compresseur'-turbine
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fonctionne, indépendamment du nombre de tours de la turbine de travail, à un nombre de tours approximativement constant et sous des conditions d'exploitation identiques, - état de choses qui, selon ce qui a été dit plus haut, représente aussi une des conditions essentielles du meilleur rendement.
Dans un tel cas également, la variation de la chute de pression en fonction du nombre de tours peut donc 8tre rendue indépendante, à un degré arbitraire, - dans le cas idéal, complètement indépendante - du nombre de tours dans une certaine zone étendue de nombres de tours, au moyen de l'orientation graduelle, selon l'invention,, des aubes stationnaires, ce qui signifie que, dans la zone de nombres de tours dont il peut s'agir, la courbe de chute de pression,correspondant au nombre de tours réglé, possède un tronçon qui est pratiquement parallèle à l'axe des abscisses.
Ainsi, si l'on règle,par exemple, une turbine de travail possédant la caractéristique c3' la variation de la chute de pression entre les nombres de tours no et n1 peut rester constante à la valeur # pk de la fig.2, et en effet le réglage pourra m8me s'étendre sans difficulté avec cette valeur constante de chute de pression, et avec une quantité pratiquement constante d'agent moteur passant à travers l'ins- tallation, jusqu'au point p2 de la courbe c2, respectivement jusqu'au point p1 de la courbe c1.
Etant donné que, dans le cas de la diminution du nombre de tours de la turbine de travail de l'installation composée de turbines raccordées en série, l'augmentation de la chute de pression de la turbine de travail réagira, selon ce qui a été dit, sur l'actionnement du compresseur d'une manière telle, qu'elle fera passer la turbine ou les turbines actionnant le compresseur dans la zone de surcharge, il se produira, pour cette raison, une diminution du nombre de tours de cette turbine ou bien d'une de ces turbines.
Cette diminution du nombre de tours peut être
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utilisée de préférence à l'aide de servomoteurs et relais con- venables, pour orienter,d'une manière automatique, les aubes stationnaires de la turbine de travail, par exemple au moyen d'un réglage isodrome, jusqu'à ce que le nouvel état déquilibre soit réalisé.
Par contre, dans le cas de la diminution de la chute de pression restant disponible à la turbine de travail, ce sera une chute de pression plus élevée que nécessaire qui reviendra aux groupes compresseur-turbine, et ainsi le nombre de tours d'au moins d'un de ces groupes se trouvera augmenté, et c'est cette augmentation du nombre de tours qui peut être utimisée pour l'ajustement des aubes stationnairesde la manière indiquée plus haut (par exemple au moyen d'un régulateur cen.. trifuge ou d'un autre élément sensible à la variation du nombre de tours). D'ailleurs, la variation de pression entre les turbines raccordées en série peut elle-même aussi être utilisée, de préférence également par l'intermédiaire d'un servomoteur ou d'un relais, pour accomplir cette tâche.
Ces éléments de réglage automatique peuvent être raccordés, de la manière représentée à titre d'exemple en fig.l aux leviers de réglage 23, montés sur l'engeloppe de la turbine de travail 4, dont les pivots effectuent la :;mise en mouvement du mécanisme de réglage commun de la totalité des aubes de chaque couronne d'aubes, la transmission du mouvement s'effectuant près de la paroi intérieure de l'enveloppe de la turbine. La connexion entre les organes de réglage automatique et les leviers de réglage 23 devra, cependant, être de préférence construite (d'une manière non représentée) de façon . permettre, en plus du réglage automatique, aussi un réglage à main (effectué par le mécanicien), des aubes réglables, un tel réglage étant également effectué avec ou sans l'intervention d'un servomoteur.
L'augmentation de la chute de pression de la turbine de travail se produisant par suite de la diminution de l'angle d'orientation des aubes trouve son expression,. en outre des caractéristiques représentées sur la fig.2, dans une série, dans
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laquelle les caractéristiques sont tracées pour des ahgles décroissants, l'une au-dessus de l'autre,- aussi d'une manière spécifique (c'est-à-dire calculée dans le cas de caractéristiques différentes pour la même différence de nombres de tours) dans la raideur de pente différente des diverses caractéristiques.
Si l'on examine la caractéristique (ayant par exemple la forme c1 ou c2) qui appartient à une turbine de construction normale, le caractère de cette caractéristique, selon lequel elle s'élève avec la diminution du nombre de tours - en supposant un réglage invariable des aubes - peut s'expliquer simplement par le fait qu'en cas de diminution du nombre de tours, la ligne de direction z de la vitesse absolue de l'agent moteur quittant les couronnes d'aubes mobiles frappera, par suite de la diminution de la vitesse périphérique, les aubes stationnaires sous un angle d'atta- que graduellement croissant, et que pour cette raison il est nécessaire, selon la constatation faite ci-dessus , que dans la couronne d'aubes frappée sous un angle d'attaque plus grand, la chute de pression augmente.
Etant donné que par suite de ce fait l'angle d'attaque différera de la valeur à laquelle, dans l'établissement du projet, il a été fixé pour assurer le meilleur rendement, il se produira, à l'endroit de l'entrée dans les couronnes d'aubes, une perte augmentant avec la dimi- nution graduelle du nombre de tours ; cetteperte exercera une influence désavantageuse sur le rendement. Pour modérer ce désavantage, au moins en partie, il est indiqué de construire le profil des aubes d'une manière semblable au profil des ailes des avions, avec un arrondissement convenable du côté de l'entrés, tel que représenté en fig.3, ou (avec un rayon d'arrondissement r) en fig.4.
Si c'est en plusieurs de ces couronnes d'aubes stationnaires (éventuellement dans toutes) que la turbine de travail est munie d'aubes réglables, ce réglage pourra avantageusement
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8tre effectué - le cas échéant non pas à un degré égal dans les diverses couronnes d'aubes, mais d'une manière graduelle de telle manière qu'après le réglage également, la chute de pression par étage reste aussi uniforme que possible, ou reste répartie d'une manière semblable aux conditions qui existaient avant le réglage.
Par contre, si, pour simplifier la construction, ce ne sont pas toutes les aubes, mais seulement les aubes de quelques unes des couronnes d'aubes stationnaires, le cas échéant seulement celles d'une ou deux couronnes d'aubes stationnaires, qu'on rendra réglables, il est avantageux de rendre réglables les aubes des couronnes d'aubes stationnaires de pression plus élevée, puisque dans les étages à pression plus élevée la chute de pression par étage est plus grande, de sorte que sa variation est également plus forte et le réglage dont plus sensible.
Pour cette même raison, et ce également dans le cas où l'on n'emploie que quelques couronnes d'aubes stationnaires munies d'aubes orientales, il est avantageux, en outre, de choisir l'angle d'orientation des aubes de sorte qu'il présente des valeurs différentes dans les divers étages de pression, ou dans certains groupes d'étages de pression, de sorte que la caractéristique "chute de pression/nombre de tours" de la turbine de travail est constituée par la résultante des caractéristiques, difféw rentes entre elles, des divers étages ou groupes d'étages, et en choisissant les angles d'aubes de cette manière, de rendre orientales les aubes des couronnes d'aubes stationnaires possédant des caractéristiques de pente plus raide.
Ceci assure, notamment, qu'avec l'orientation des aubes on pourra, même dans le cas d'un nombre peu élevé de couronnes d'aubes réglables, le cas échéant d'une seule couronne d'aubes réglables, produire un changement de chute de pression relativement élevé, et ainsi le réglage pourra être rendu sensible dans ce cas également. Le fait de choisir les étages réglés de cette manière
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présente une grande efficacité, particulièrement dans le cas où la caractéristique résultante de la turbine de travail présente, entre les limites de nombres de tours de fonctionnement (n0 - ni) une forme plate (par exemple semblable à la caractéristique c2 de la fig.2), facilitant la réalisation d'une chute de pression constante.
Le dispositif pour la mise en oeuvre de l'invention peut, en plus des détails et variantes décrits jusqu'ici, aussi être imaginé, selon des points de vue différents, en de nombreuses autres variantes. Ainsi, par exemple, le logement des aubes orientables et des pivots de leur mécanisme de commande dans des coussinets contenant du carbone ou du graphite, constitue une mesure pratique motivée surtout par la capacité de lubréfaction automatique et de résistance thermique de ces matières; en cas d'emploi d'un lubrifiant et d'un dispositif de lubréfaction convenables, il est naturellement aussi possible d'employer , dans ce but, d'autres systèmes de logement, donc des logements munis d'une lubréfaction proprement dite.
Dans le cas du dispositif selon la fig.l, comportant des turbines raccordées en série, la turbine actionnant le compresseur précède, dans la direction du passage de l'agent moteur, la turbine de travail; l'essentiel de l'invention ne se trouve cependant nullement modifié dans le cas où, contrairement à cet arrangement, c'est la turbine de travail qui précède la turbine actionnant le compresseur, c'est-à-dire si la phase de pression la plus élevée de la détente est effectuée par la turbine de travail et sa phase de pression moins élevée par la turbine actionnant le compresseur.
En outre, l'actionnement du compresseur ainsi qae la production du travail utile peuvent aussi être effectués, non seulement au moyen d'une seule turbine de chacun de ces genres, mais aussi, pour ce qui concerne l'accomplissement de n'importe lequel de ces genres de travail
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Pans le cas de plusieurs turbines actionnant des compresseuas, on pourra, naturellement, conformément; à cette disposition, employer plusieurs comprossions raccordés en série ou en parallèle = l1 uàl par rapport à l'autre, qui pourront aussi, ensemble avec leurs turbines de commanda, être partiellement ou complètement indépendants mécaniquement l'un de l'autre.
En outre, la réalisation de l'invention pourra toutefois également s'effectuer à l'aide d'un dispositif, dans lequel, contrairement à la disposition ..selon la fig.l, la turbine actionnant le compresseur et la turbine de travail marchant d'une manière mécaniquement Indépendante de la turbine actionnant le compresseur, ne sont pas raccordées en série, mais purement en parallèle. Un tel dispositif est représenté d'une manière schématique en fig.5, où le compresseur K est directement actionné par la turbine Tk, tandis que la turbine de travail Ta, marchant indépendamment du groupe mentionné, sert dans ce cas aussi, complètement ou dans une mesure prémondérante, à la fourniture du travail utile.
Il ressort de ce croquis que l'agent moteur frais comprimé et rechauffé s'écoulant du compresseur K à travers l'échangeur de chaleur W et à travers la chambre de combustion attachée à ce dernier, accède par des chemins parallèles, à l'orifice d'entrée des turbines Tk et à celui des turbi-.
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nes Ta, et, après s'être détendu dans ces dernières, et être réuni de nouveau de manière à former un courant gazeux commun, il passe dans l'espace de travail à basse pression de l'échangeur de chaleur W.
Donc, dans le cas de cet arrangement, la turbine à gaz actionnant le compresseur et la turbine à gaz développant le travail utile, travaillent avec des chutes de pression égales entre elles, et le but qu'on veut atteindre est que, dans ce cas également, la variation du nombre de tours de la turbine de travail et son développement de moments de rotation variables, puissent se produire, dans les environs d'un débit constant, avec ur- nombre de tours pratiquement constant du groupe compresseur-turbine. Dans ce cas également, le processus de réglage peut être expliqué sur la base delà caracté.. ristique "chute de pression/nombre de tours" de la turbine de travail.
Supposant que, pour une raison quelconque, par exemple par suite de l'augmentation du moment de charge agissant sur son arbre, la turbine de travail devra marcher à un régime plus lent, sa chute de pression, laquelle est en même temps aussi la chute de pression de la turbine actionnant le compresseur, aura, dans le cas d'une caractéristique ayant la forme c1 ou.22 de la fig.2, tendance à augmenter.
Ce comportement de la turbine de travail se manifestera en premier lieu par le fait que sa résistance à l'écoulement à travers cette turbine augmentera, (puisque par suite de la vitesse périphérique décroissante, c'est sous des ahgles d'attaque croissants que l'agent moteur quittant les couronnes d'aubes rotatives frappe les aubes stationnaires);
par contre, cette augmentation de la résistance aura pour résultat qu'au début du changement de la condition de fonctionnement ce sera une quantité d'agent moteur relativement moindfe qui passera à travers la turbine de travail et une quantité relativement plus élevée qui passera à travers la turbine actionnant le compresseur, Par conséquent, le groupe compresseur-
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turbine commencera à s'accélérer et, avec la pression croissante, il refoulera une quantité d'agent moteur plus élevée à travers l'installation, ce qui causera également une certaine accélération de la turbine de travail, jusqu'à ce que le, nouvel état d'équilibre pourra se produire.
Puisque d'ordinaire, particulièrement dans le cas d'une variation de nombre de tours considérable de la turbine de travail, cela ne pourra se produire qu'avec une variation de nombre de tours et de pression consi- dérable, c'est-à-dire peu désirable , du groupe compresseurturbine, il sera avantageux, pour faciliter que le réglage se produise dans une condition de service plus favorable, de changer dans ce cas également l'angle d'attaque des aubes, c'est-à-dire de régler d'une manière convenable, conformément à l'invention, les aubes stationnaires.
Notamment, si dans le cas de l'exemple supposé on augmente dans une mesure suffisante, l'angle \' de réglage des aubes selon fig.3, ceci permettra de diminuer l'angle d'attaque et en même temps la résistance de passage, de sprte que, malgré le nombre de tours changé, il sera possible qu'une quantité suffisante (dans le cas idéal une quantité inchangée) d'agent moteur puisse passer à travers la turbine de travail.
Puisque de cette manière la quantité d'agent moteur passant à travers la turbine aotionnant le compresseur ne se trouve pas changée essentiellement, l'état d'exploitation de cette turbine ne changera pas non plus, et, marne avec des nombres de tours variables, la turbine de travail pourra traiter une quantité d'agent moteur pratiquement constante, et de pres. sion pratiquement constante, c'est-à-dire qu'elle pourra développer un moment de rotation variant en proportion inverse avec la variation du nombre de tours.
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Donc, dans le cas d'exploitation supposé à titre d'exemple, pour l'installation de turbine à gaz constituée, selon la fig.5, uniquement de turbines raccordées en parallèle, il sera nécessaire, pour contrebalancer, au moins en partie, l'augmentation de la chute de pression utilisée par la turbine de travail à l'occasion du changement de son nombre de tours, d'augmenter l'angle d'orientation des aubes ajustables ; d'autre part, comme cela peut s'établir par une considération simple, semblable à celle indiquée plus haut, il faudra que, dans le cas d'une diminution de la chute de pression de la turbine de travail, l'angle d'orientation des aubes soit également diminué.
Dans les deux cas le réglage pourra donc, ici également, s'effectuer rationnellement de la même manière que dans le cas de l'emploi de l'installation selon la fig.l, composée uniquement de turbines raccordées en série. Si d'autre part, on considère , dans 16 cas de ces deux arrangements, la variation du nombre de tours du groupe compresseur-turbine, on verra que dans le cas du raccordemment en parallèle l'augmentation de la chute de pression de la turbine de travail aura pour effet que le nombre de tours du groupe compresseur-turbine aura également tendance à slaccroitre tandis que dans le cas du raccordement en série, l'augmentation de la chute de pression de la turbine de travail provoquera une diminution du nombre de tours du groupe compresseur-turbine.
Par conséquent, si l'on désire rapporter le sens de la variation de l'angle d'orientation des aubes à la variation du nombre de tours du groupe compresseur-turbine, nombre de tours qui devra autant que possible être tenu constant, on verra que le sens de la variation de l'angle d'orientation des aubes correspond, en cas de raccordement purement parallèle, au sens de la variation du nombre de tours à contrebalancer du groupe compresseur-turbine, tandis qu'en cas de raccordement purement en série, il est opposé au sens de la variation du nombre de tours.
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Rationnellement interprétées, ces constatations sont également valables dans le cas d'un dispositif selon la fig.6, dans lequel, par exemple, les deux groupes compresseur-turbine marchant indépendamment l'un de l'autre et accomplissant les deux phases consécutives de la compression totale, sont prévues de telle manière que les deux turbines Tk1, respectivement Tk2, actionnant les compresseurs K1, K2, la turbine Tk1 est raccordée en parallèle avec la turbine de travail Ta sur la phase de pression,; la moins élevée de la détente, tandis que la turbine Tk2 est raccordée en série avec ce système parallèle, dans la phase de pression la plus élevée de la détente.
Le réglage selon l'invention est, comme il a été mentionné, d'une part automatique, en tant que la turbine de travail contrôlée au moyen des organes de réglage indiqués à titre d'exemple pourra, dans le cas d'une variation du moment de rotation de charge, s'adapter automatiquement aux conditions changées, tout en conservant un débit essentiellement inchangé,-mais d'autre part il peut aussi 8tre rendu dépendant de l'initiative du mécanicien moyennant une action intentionnelle exercée directement ou indirectement, par exemple par le changement de position des organes de réglage, sur les aubes orientables, de sorte que de cette manière le mécanicien est à même de changer la vitesse de rotation en conformité avec les conditions de donc. tionnement existant au moment considéré.
Dans le cas où ce changement s'effectue pour un débit variable (par exemple avec un'moment de rotation de charge constant), la méthode connue en soi, suivant laquelle une certaine quantité d'agent moteur est écartée, en passant en dérivation par rapport aux turbines, du cycle de travail, à travers des conduites de soutirage prévues derrière le compresseur ou entre les étages de pression du compresseur, diminuant ainsi la pression finale du compresseur et la quantité d'agent moteur débitée par ce dernier, convient, grâce à son haut rendement, particulièrement au développement
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de débits partiels.
Dans l'installation représentée à titre d'exemple en fig. 1, le compresseur 1 est muni de conduites de soutirage 24, 24', 24" servant à ce but, dans lesquelles sont insérés les organes d'obturation (soupapes d'étranglement) 25, 25', 25". Lorsqu'on fera fonctionner ces organes de réglage, il sera possible aux aubes orientables de la turbine de travail de s'ajuster automatiquement sous l'action des organes de réglage mentionnés qui les influencent, mais il est naturellement aussi possible de mettre les organes de réglage des conduites de soutirage du compresseur en connexion opératoire avec le dispositif pour le réglage des aubes.
Le réglage des débits partiels pourra d'ailleurs, d'une manière semblable à la méthode de réglage selon l'invention, aussi âtre effectué d'une manière telle que les aubes stationnaires rendues réglables du compresseur ou de la turbine du groupe compresseur-turbine, seront tournées dans une mesure conrespondant à la diminution du débit de travail. Si, dans ce dernier but, c'est sur la turbine actionnant le compresseur qu'on rend les aubes stationnaires réglables, il sera avantageux de loger les pivots des aubes, dans ce cas également, dans des garnitures de coussinets contenant du carbone ou du graphite.
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"Method and device for the adjustment, during service, of gas turbine installations".
The invention relates to a method and a device for the adjustment, during operation, of gas turbine installations comprising one or more number working turbines. of variable turns.
Gas turbine installations are known, in which one or more gas turbines are provided, actuating one or more compressors to perform the compression of the driving medium of the gas turbine installation, and, in addition, one or more gas turbines providing essentially only useful work (turbine or work turbines), which are mechanically more or less independent of the turbines mentioned .. born in the first place.
The invention relates to the adjustment of such gas turbine installations, and particularly to the adjustment of their working turbines, in the event that, while the quantity of work delivered by the gas turbine installation will usually have to remain at a constant number (eg at full or near full power), the work turbine will have to operate at a number of revolutions and with a very variable torque.
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Fig. 1 of the accompanying drawings shows, by way of example, a very simple embodiment, comprising only a compressor, a turbine for actuating the compressor, and a working turbine, of a suitable gas turbine installation to the implementation of the method which will be described below.
Fig. 2, which is explanatory in nature, represents the "pressure drop / number of revolutions" characteristics of the working turbines suitable for the application of the invention under different conditions for establishing the project. FIG. 5 represents, on three consecutive vane crowns, the way in which the blades are arranged relative to each other, as well as the angular adjustment of the blades of the central vane crown, relative to the peripheral direction, while fig. 4 shows a blade profile of these rings. Each of fig.5 and 6 shows another variant of the device suitable for implementing the invention.
According to fig.l, the gas turbine 2, actuating the compressor 1 in a direct manner by means of the clutch 3, or, where appropriate, in an indirect manner, by means of a non-mechanical transmission shown, is connected to the working turbine 4, for example in series in the direction of the passage of the motive agent. According to this definition, the work turbine is used, in a preponderant degree, or entirely, to deliver useful work, while the turbine 2 only actuates the compressor 1, and at the most some auxiliary devices which it does not have. not taken into account in this example.
By means of its crowns of stationary 5 and movable 6 blades, the compressor sucks in the motive agent - fresh air in the case of an open working cycle -. through the suction pipe 7, and after having compressed it to the desired higher pressure, it delivers it through the connection 8 to the gas turbine 2, which, in this arrangement shown by way of example, performs the first phase (the phase to
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higher pressure) of the trigger.
During this time, the compressed motive agent passes, between the compressor and the gas turbine 2 which operates the latter, through the high pressure working space of the counter-current heat exchanger 9, constituting an accessory useful, but not essential of the installation, and then through the combustion chamber 10, connected to said high pressure working space.
In this combustion chamber, the motive medium, already warmed by means of the still recoverable heat content of the completely relaxed motive medium and leaving the installation, is subjected to a subsequent heating by the combustion of the fuel which, for example, , may be liquid or gaseous, introduced using the burner 11, and after having absorbed the quantity of heat sufficient to deliver the necessary work, it passes, in this state, through the inlet pipe 12 of the turbine to gas 2, in the working space of this turbine, in which, during its flow through the crowns of stationary blades 13 and mohiles 14, it will go, by achieving a partial expansion, transmit to the shaft of the turbine 2 the exact amount of work required to operate compressor 1,
as well as any auxiliary equipment mentioned. The prime mover, which after having accomplished this work still has expansion capacity as well as subsequent working capacity, now passes through the outlet pipe 15 of the turbine 2 and through the inlet pipe 17 of the working turbine, which is connected to said outlet pipe by means of the connection pipe 16, to the working space of the working turbine, and after having been admitted to the stationary vanes 18, and, to the mobile vanes 19 , and after delivering the necessary useful work, it expands in said turbine to the lower pressure limit of the work cycle.
Finally, the practical driving force. completely relaxed passes - to transmit its still recoverable heat content to the fresh compressed motive medium.
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through the outlet pipe 20 of the work turbine and through the connection pipe 21, to the low pressure work space of the heat exchanger 9, and having cooled here, it leaves the installation through the press pipe 22.
The device and the working process which have just been described with reference to fig.l, are already known per se and their purpose consists, also according to the proposals made so far, to ensure, by making the rotation of the turbine working and that of the turbine operating the compressor independent of each other, the possibility of operating each turbine, one independently of the other, at the number of revolutions requested or prescribed by the service data, in particular to run the working turbine at a number of revolutions which, depending on the conditions of the mode of use, will vary if necessary between wide limits, while the turbine driving the compressor is operated, at least approximately, to the number constant revolutions for which the turbine and the compressor driven by it,
that is, the compressor-turbine unit, was designed. With the methods employed hitherto, the solution of this problem by the use of turbines connected in series according to fig. 1 comes up against this difficulty that, as soon as the number of revolutions of the working turbine varies, the distribution of the total pressure drop between the turbine operating the compressor and that providing a useful flow - distribution which formed the basis on which the design was established, taking into account the service conditions which occur most often, and which is suitable for ensuring the most favorable return achievable in these circumstances, - will also tend to vary.
It is fig.2, on which the characteristics "pressure drop / number of revolutions" of a whole series of working turbines are represented, which will serve to clarify this fact; the various characteristics of this figure should be interpreted in such a way that, in the case of each characteristic, the variation of the pressure drop and the number of
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revolutions per minute is produced with a constant quantity of motive agent passing through the installation (quantity which may, if necessary, however be different for the different characteristics).
In addition to the influence of other factors (for example the constant quantity of motive agent passing through the installation), the shape of the characteristics depends to a very significant extent on the value of the angle (on the adjustment of the blades which - as drawn by way of example in fig. 3 on one of the blade profiles of a stationary blade ring between two blade rings rotating at a speed u - is will enclose the entry into the vane crown on the pressure side of the blade profile, by the baseline gg of the profile and the peripheral direction (the baseline of the pro ..
wire can be defined, according to fig. 4, as a straight line drawn as tangent to the rounding circle provided at the entry side of the cross section of the vane and going to the end located at the exit side of this transverse section, line which, where appropriate, may, if this last end of the profile is also rounded, also be tangent to a rounding circle of this last end, and in the case where the transverse section of the blade, seen the pressure side of the blades is concave, this line could even - since the difference is only insignificant - be identified with the line forming tangent to the pressure side of the cross section).
If the angle, measured in this way, decreases to a certain limit value; we will be able to obtain a characteristic whose shape corresponds, for example, to the curve cid in fig. 2, while with the gradual increase in the magnitude of the angle x we will be able to successively obtain the characteristics c2, c3, respectively c4.
The abscissa of the characteristics is the number of revolutions per minute, while their ordinate is the pressure drop occurring in the turbine.
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Even in the case of characteristic c3, which is the one which varies relatively the least between the limits of number of turns no - n1, it can be seen that with the variation of the number of turns the pressure drop also changes - in most cases. cases to a considerable extent - and in particular the decrease in the number of revolutions will cause an increase or a decrease in the pressure drop, depending on the arrangement, respectively the magnitude of the angle of orientation of the blades.
It is obvious that this pressure change will also react on the operating conditions of the compressor-turbine unit which supplies the motive agent necessary for the work turbine; assuming in particular that it is when the gas turbine installation provides a certain constant flow (for example a flow equal to the full power of the installation) that the work turbine will have to operate with a number of revolutions variable, we can, theoretically, consider the total pressure drop of the turbines connected in series as given for this case (constant), from which it follows that, based, for example, on the characteristic ci or, 22 , as a consequence of the increase in the pressure drop of the work turbine which will occur in the event of a decrease in the number of revolutions,
the pressure drop of the turbine operating the compressor must decrease. However, this will have the consequence that the latter turbine, passing to an overload state compared to its previous operating condition, will have the tendency to slow down, until it will be possible that, for a correspondingly lower number of revolutions , and with a flow of motive agent whose quantity and pressure are changed, and after this turbine has, for its part, reacted to the operating condition of the working turbine, there is an equilibrium.
In this state of affairs, however, in which the operating conditions required for the work turbine are also changed, it is particularly
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the compressor-turbine unit which will exit outside the operating zone which is the most favorable for it, and it is quite natural that in the case of such an operation with variable number of turns, this circumstance will exert a strong unfavorable influence on the power of the gas turbine installation as a whole.
According to one of the known proposals, which relate to turbines connected in series and aim to eliminate this defect and, at the same time, tend to make it possible to operate with a regulated (variable) number of revolutions while maintaining, for example , a constant flow rate, the construction of the blades of the working turbine must be such that the characteristic "pressure drop / number of revolutions" of this turbine has a shape similar to that of the curve c3 in fig.2 .
In this case, the working turbine will have, for example between the limits of number of revolutions n0 - n1, a constant mean pressure drop # pk, and therefore - for a practically constant quantity of motive agent passing through the Installation - the power of the work turbine will also be constant, regardless of the variation in efficiency, and for this reason the torque of the work turbine will be approximately in inverse proportion to the number of variable revolutions.
Therefore, a gas turbine installation of this kind - although its efficiency is not very advantageous - lends itself without any essential difficulty to the needs of a service, in which - as for example in the operation of vehicles - it is necessary that the number of revolutions and the torque goes. laugh between widely spaced boundaries, in opposite directions to each other; in bad times it is obvious that in the case where the power supplied is constant, the compressor-turbine unit can also operate with a practically constant pressure drop, therefore under the most advantageous operating conditions for it, and in first to a number of
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constant turns.
The starting point of another known proposal consists, in addition to the relation according to fig. 2, in the fact that the turbine actuating the compressor and that providing useful work, since their construction has been carried out in different ways according to the different roles they play, have different "pressure drop / number of turns" characteristics from each other.
For this reason., When the ratio of the pressure drops of the turbines connected in series tends to change, for example in accordance with what has been said above, as a result of the variation in the number of revolutions of the working turbine, the number of revolutions of the turbine operating the compressor should adjust in the event that the quantity of motive agent passing through the working turbine and through the turbine operating the compressor remains constant - to a new value, or else them The quantities of motive agent passing through the two turbines should change in a corresponding manner, with respect to each other, a change which at the same time could also serve to ensure, itself, the practical constancy of the falls of pressure.
In accordance with this state of affairs, the adjustment is carried out in such a way that the relative change in the quantities of motive agent passing through the various turbines is effected by actuating one or more bypass lines, at least partially, one of the turbines, that is to say by driving a certain quantity of motive agent by a detour route, by which it avoids a certain phase of the expansion, a method by which it is also possible to achieve practically the goals covered by the first proposal mentioned above.
In the case of the application of the latter proposition, the amount of motive agent conducted by the detour route without using the trigger causes a certain loss and a certain weakening of the efficiency, while in the case where .-
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the first proposition is implemented it will be, due to the form of the characteristic c3 of fig. 2, impossible to ensure - particularly between sufficiently wide pressure limits - the sufficient constancy of the pressure drop, so that the least disadvantageous solution still consists in implementing the two proposals jointly.
To eliminate the faults mentioned in the foregoing, still existing after the realization of the known proposals which have just been described, the work turbine of the gas turbine installation comprising a compressor-turbine unit and a mechanically independent work turbine one of the other, is provided, according to the invention, in an arrangement. relatively simple constructive element, at least on certain crowns of stationary blades, of blades adapted to be rotated (orientable) which, in a manner known in other machines similar to turbines, are preferably housed in bearings containing carbon or graphite and which, in part ..
lement in the sense of what has been said above and partially in the sense of what will be described below, can be actuated so as to allow the working turbine to pass in the vicinity of a a certain work flow, independent of its number of revolutions, a practically constant quantity of motive agent, and having a practically constant pressure and temperature. The fact that the east angle. tation of the blades has an influence on the pressure drop of the working turbine, can be deduced in a direct way from fig. 2, but, in accordance with the conclusions which result from this figure, one can also realize therefore on the basis of a simple consideration.
If one modifies in particular the angle of orientation of the stationary vanes in the manner which is essential from the point of view of the invention, it is obvious that as can be deduced from FIG. 3 - a consequence of the decrease in the angle [alpha] will be that the angle of attack formed by
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the z direction of the flow of motive agent striking the blade, with the blade area under pressure, will increase, and the change in direction of the flow, which change determines the pressure drop occurring in the blade crown, will also increase, and therefore in full compliance with the conclusion which can be deduced from fig. 2 - the resulting pressure drop of the turbine will also increase.
The shape of the features c3 and particularly c4 in fig. 2 are not in contradiction with this either, since in such cases, when the baseline of the vane profile approaches the direction of entry !, it it is only the fact that the influence of the elements which cause the depression of the characteristics c1 and c2 on their middle part will be shown to a greater degree in the case of characteristics ± and c4; however, in these cases too, decreasing the angle will result in an increase in the characteristic.
The degree of variation of the pressure drop which can be achieved in the turbine will naturally be all the greater as the number of crowns of stationary blades in which the variation of the angle of the blades will be effected will be greater (in the borderline case, it will be in all the crowns of stationary blades that this variation will be carried out). In this way it becomes possible to regulate, without additional loss of work, the pressure drop of the turbine to the extent required by the operation.
The efficiency of the gas turbine installation, in cases where the number of revolutions of the working turbine differs from the normal number of revolutions, will therefore increase considerably, and the installation will become excellently suitable for the operation of vehicles, since - for example in the event of full use - it will give, while increasing the starting torque to a very considerable extent, a "torque / number of revolutions" characteristic varying in the opposite direction to the variation in the number of turns.
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As it follows from figs. 2 and 3 dt from what has been said with reference to these figures, it will be necessary, in the case where, at a number of revolutions deviating from the normal number of revolutions, the pressure necessary to treat the prescribed quantity of motive agent is increased, make the stationary blades of the working turbine turn, at least in certain types of stationary blades, in such a way that the adjustment angle of these blades, between the base line of the blade profile and the peripheral direction at the entry into the blade ring at the pressure side of the profile, is also increased, since this makes it possible to decrease the pressure drop of the working turbine.
On the other hand, it is obvious that, in the event that the pressure in front of the working turbine, necessary to treat the prescribed quantity of motive agent, is found to be reduced at the new number of revolutions, it will be necessary to rotate the eastern stationary blades of the working turbine in the opposite direction to the direction in the previous case. The rotation of the sta .. tiojnary vanes will therefore take place in both cases in such a way that the angle of orientation of the vanes will be changed in a direction equal to the direction of the variation in pressure drop that it is desired to counterbalance. , and this change will naturally continue until the pressure absorbed by the work turbine becomes nearly equal to the prescribed pressure.
Thanks to this, it will be possible that in the cases of operation in which the power of the gas turbine installation, as well as its total pressure drop must be kept at values as constant as possible, the compressor-turbine unit , connected in series to the working turbine, will also be able to operate with an almost constant pressure drop, and thus it will become possible that the compressor'-turbine group
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operates, independently of the number of revolutions of the work turbine, at an approximately constant number of revolutions and under identical operating conditions, - a state of affairs which, according to what has been said above, also represents one of the essential conditions the best performance.
In such a case also, the variation of the pressure drop as a function of the number of revolutions can therefore be made independent, to an arbitrary degree, - in the ideal case, completely independent - of the number of revolutions in a certain extended range of numbers. of revolutions, by means of the gradual orientation, according to the invention, of the stationary vanes, which means that, in the zone of numbers of revolutions which may be involved, the pressure drop curve, corresponding to the number of revolutions set, has a section which is practically parallel to the abscissa axis.
Thus, if one regulates, for example, a work turbine having the characteristic c3 'the variation of the pressure drop between the numbers of revolutions no and n1 can remain constant at the value # pk of fig. 2, and in fact, the adjustment can even extend without difficulty with this constant pressure drop value, and with a practically constant quantity of motive agent passing through the installation, up to point p2 of the curve c2, respectively. up to point p1 of curve c1.
Since, in the case of the decrease in the number of revolutions of the working turbine of the installation consisting of turbines connected in series, the increase in the pressure drop of the working turbine will react, depending on what has been said, on actuating the compressor in such a way, that it will cause the turbine or turbines operating the compressor to pass into the overload zone, there will be, for this reason, a decrease in the number of revolutions of this turbine or one of these turbines.
This decrease in the number of turns can be
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preferably used with the aid of suitable servomotors and relays, to automatically orient the stationary blades of the work turbine, for example by means of isodromic adjustment, until the new state of equilibrium is achieved.
On the other hand, in the case of the reduction in the pressure drop remaining available to the working turbine, it will be a higher pressure drop than necessary which will return to the compressor-turbine units, and thus the number of revolutions of at least one of these groups will be increased, and it is this increase in the number of revolutions which can be used for the adjustment of the stationary vanes in the manner indicated above (for example by means of a cen .. trifuge or another element sensitive to the variation in the number of revolutions). Moreover, the pressure variation between the turbines connected in series can itself also be used, preferably also via a servomotor or a relay, to accomplish this task.
These automatic adjustment elements can be connected, in the manner shown by way of example in fig.l to the adjustment levers 23, mounted on the engeloppe of the work turbine 4, the pivots of which perform the:; setting in motion of the common adjustment mechanism of all the blades of each blade ring, the transmission of movement taking place near the inner wall of the turbine casing. The connection between the automatic adjusters and the adjustment levers 23 should, however, preferably be constructed (in a manner not shown) so. allow, in addition to automatic adjustment, also manual adjustment (performed by the mechanic), adjustable vanes, such adjustment also being performed with or without the intervention of a servomotor.
The increase in the pressure drop of the working turbine resulting from the decrease in the angle of orientation of the blades finds expression. in addition to the features shown in fig. 2, in a series, in
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which the characteristics are plotted for decreasing ahgles, one above the other, - also in a specific way (i.e. calculated in the case of different characteristics for the same difference in numbers of turns) in the steepness of slope different from the various characteristics.
If one examines the characteristic (having for example the form c1 or c2) which belongs to a turbine of normal construction, the character of this characteristic, according to which it rises with the decrease in the number of revolutions - assuming an adjustment invariable of the blades - can be explained simply by the fact that in case of a decrease in the number of revolutions, the direction line z of the absolute speed of the motive agent leaving the rotor blades rings will strike, as a result of the decrease in the peripheral speed, the vanes stationary under an angle of attack gradually increasing, and that for this reason it is necessary, according to the observation made above, that in the crown of blades struck under an angle of larger attack, the pressure drop increases.
Since as a result of this fact the angle of attack will differ from the value at which, in the establishment of the project, it was fixed to ensure the best efficiency, it will occur, at the place of the entry in blade crowns, a loss increasing with the gradual decrease in the number of revolutions; this loss will have a negative influence on the yield. To moderate this disadvantage, at least in part, it is advisable to construct the profile of the blades in a manner similar to the profile of the wings of airplanes, with a suitable rounding on the side of the inlets, as shown in fig. 3, or (with a rounding radius r) in fig. 4.
If it is in several of these crowns of stationary blades (possibly in all of them) that the working turbine is provided with adjustable blades, this adjustment can advantageously
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8 be carried out - if necessary not to an equal degree in the various vane crowns, but in a gradual manner so that after the adjustment also the pressure drop per stage remains as uniform as possible, or remains distributed in a manner similar to the conditions that existed before the adjustment.
On the other hand, if, to simplify the construction, it is not all the blades, but only the blades of some of the crowns of stationary blades, where appropriate only those of one or two crowns of stationary blades, that one will make adjustable, it is advantageous to make adjustable the blades of the crowns of stationary blades of higher pressure, since in the stages with higher pressure the pressure drop per stage is greater, so that its variation is also greater and the setting of which more sensitive.
For this same reason, and also in the case where only a few crowns of stationary blades fitted with oriental blades are used, it is also advantageous to choose the angle of orientation of the blades so that it has different values in the various pressure stages, or in certain groups of pressure stages, so that the characteristic "pressure drop / number of revolutions" of the working turbine is formed by the resultant of the characteristics , different between them, of the various stages or groups of stages, and by choosing the angles of blades in this way, to make oriental the blades of the crowns of stationary blades having characteristics of steeper slope.
This ensures, in particular, that with the orientation of the vanes it is possible, even in the case of a small number of adjustable vane crowns, where appropriate a single adjustable vane crown, to produce a change of relatively high pressure drop, and thus the adjustment can be made sensitive in this case as well. Choosing the floors set in this way
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has a high efficiency, especially in the case where the resulting characteristic of the working turbine has, between the limits of the number of operating revolutions (n0 - ni) a flat shape (for example similar to the characteristic c2 of fig. 2 ), facilitating the achievement of a constant pressure drop.
The device for implementing the invention can, in addition to the details and variants described so far, also be imagined, from different points of view, in numerous other variants. Thus, for example, the housing of the orientable blades and of the pivots of their control mechanism in bearings containing carbon or graphite, constitutes a practical measure motivated above all by the automatic lubrication capacity and thermal resistance of these materials; in the event of use of a lubricant and of a suitable lubrication device, it is naturally also possible to use, for this purpose, other housing systems, therefore housings provided with proper lubrication.
In the case of the device according to fig.l, comprising turbines connected in series, the turbine actuating the compressor precedes, in the direction of the passage of the motive agent, the working turbine; however, the essence of the invention is in no way modified in the case where, contrary to this arrangement, it is the working turbine which precedes the turbine actuating the compressor, that is to say if the pressure phase the higher the expansion is performed by the working turbine and its lower pressure phase by the turbine actuating the compressor.
In addition, the operation of the compressor as well as the production of useful work can also be carried out, not only by means of a single turbine of each of these kinds, but also, with regard to the accomplishment of any of them. of these kinds of work
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In the case of several turbines actuating compresseuas, one will be able, naturally, in accordance; to this arrangement, employ several combinations connected in series or in parallel = l1 uàl with respect to each other, which may also, together with their control turbines, be partially or completely mechanically independent from one another.
In addition, the embodiment of the invention may however also be carried out using a device, in which, unlike the arrangement .. according to fig.l, the turbine actuating the compressor and the working turbine running in a mechanically independent manner of the turbine actuating the compressor, are not connected in series, but purely in parallel. Such a device is shown schematically in fig. 5, where the compressor K is directly actuated by the turbine Tk, while the working turbine Ta, operating independently of the mentioned group, serves in this case also, completely or in a preconditional measure, to the provision of useful work.
It emerges from this sketch that the fresh compressed and heated motive medium flowing from the compressor K through the heat exchanger W and through the combustion chamber attached to the latter, accesses by parallel paths, to the orifice inlet of the Tk turbines and that of the turbi-.
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nes Ta, and, after having relaxed in these, and being united again so as to form a common gas stream, it passes into the low-pressure working space of the heat exchanger W.
So, in the case of this arrangement, the gas turbine driving the compressor and the gas turbine developing the useful work, work with pressure drops equal to each other, and the goal that we want to achieve is that in this case also, the variation of the number of revolutions of the working turbine and its development of variable rotational moments, can occur, in the vicinity of a constant flow rate, with a practically constant number of revolutions of the compressor-turbine unit. Also in this case, the adjustment process can be explained on the basis of the "pressure drop / number of revolutions" characteristic of the work turbine.
Assuming that for some reason, for example as a result of the increased load moment acting on its shaft, the work turbine will have to run at a slower speed, its pressure drop, which at the same time is also the drop of the pressure of the turbine actuating the compressor, will, in the case of a characteristic having the form c1 or 22 of fig.2, tend to increase.
This behavior of the working turbine will be manifested in the first place by the fact that its resistance to flow through this turbine will increase, (since as a result of the decreasing peripheral speed, it is under increasing ahgles of attack that the (the driving agent leaving the crowns of rotating blades strikes the stationary blades);
however, this increase in resistance will result in that at the start of the change in operating condition a relatively less amount of motive agent will pass through the work turbine and a relatively greater amount will pass through. the turbine actuating the compressor, Consequently, the compressor unit
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turbine will start to accelerate and, with increasing pressure, it will force a higher quantity of motive agent through the installation, which will also cause some acceleration of the work turbine, until the new state of equilibrium may occur.
Since usually, particularly in the case of a considerable variation in the number of revolutions of the work turbine, this can only happen with a considerable variation in the number of revolutions and in the pressure, that is to say - say undesirable, of the compressor-turbine unit, it will be advantageous, to facilitate the adjustment to occur in a more favorable operating condition, to change in this case also the angle of attack of the blades, that is to say to adjust in a suitable manner, in accordance with the invention, the stationary vanes.
In particular, if, in the case of the example assumed, the angle of adjustment of the blades according to fig. 3 is increased to a sufficient extent, this will make it possible to reduce the angle of attack and at the same time the passage resistance. , sprte that, despite the changed number of revolutions, it will be possible that a sufficient quantity (in the ideal case an unchanged quantity) of motive agent can pass through the working turbine.
Since in this way the quantity of motive agent passing through the turbine driving the compressor is not essentially changed, the operating state of this turbine will not change either, and, with varying numbers of revolutions, the working turbine will be able to process a practically constant quantity of motive agent, and of pres. practically constant sion, that is to say that it will be able to develop a torque varying in inverse proportion to the variation in the number of revolutions.
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Therefore, in the case of operation assumed by way of example, for the gas turbine installation constituted, according to fig. 5, only of turbines connected in parallel, it will be necessary, to counterbalance, at least in part, increasing the pressure drop used by the working turbine when changing its number of revolutions, increasing the angle of orientation of the adjustable vanes; on the other hand, as can be established by a simple consideration, similar to that indicated above, it will be necessary that, in the case of a decrease in the pressure drop of the working turbine, the angle of blade orientation is also decreased.
In both cases the adjustment can therefore, here also, be carried out rationally in the same way as in the case of the use of the installation according to fig.l, composed only of turbines connected in series. If, on the other hand, we consider, in 16 cases of these two arrangements, the variation in the number of revolutions of the compressor-turbine unit, we will see that in the case of the connection in parallel the increase in the pressure drop of the turbine The number of revolutions of the compressor-turbine unit will also tend to increase, while in the case of the series connection, the increase in the pressure drop of the work turbine will cause a decrease in the number of revolutions compressor-turbine unit.
Consequently, if one wishes to relate the direction of the variation of the angle of orientation of the blades to the variation of the number of revolutions of the compressor-turbine unit, a number of revolutions which should as far as possible be kept constant, we will see that the direction of the variation in the angle of orientation of the blades corresponds, in the case of a purely parallel connection, to the direction of the variation in the number of revolutions to be counterbalanced by the compressor-turbine unit, while in the case of a purely parallel connection series, it is opposed to the direction of the variation of the number of turns.
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Rationally interpreted, these observations are also valid in the case of a device according to fig. 6, in which, for example, the two compressor-turbine units operating independently of one another and carrying out the two consecutive phases of the total compression, are provided in such a way that the two turbines Tk1, respectively Tk2, actuating the compressors K1, K2, the turbine Tk1 is connected in parallel with the working turbine Ta on the pressure phase; the lowest expansion, while the Tk2 turbine is connected in series with this parallel system, in the highest pressure phase of the expansion.
The adjustment according to the invention is, as has been mentioned, on the one hand automatic, as the working turbine controlled by means of the adjustment members indicated by way of example may, in the case of a variation of the load torque, adapt automatically to the changed conditions, while maintaining a flow essentially unchanged, - but on the other hand it can also be made dependent on the initiative of the mechanic by means of an intentional action exerted directly or indirectly, by for example by changing the position of the adjusting members, on the orientable blades, so that in this way the mechanic is able to change the speed of rotation in accordance with the conditions of therefore. operation existing at the time in question.
In the case where this change takes place for a variable flow rate (for example with a constant load moment of rotation), the method known per se, according to which a certain quantity of motive agent is discarded, passing in bypass through in relation to the turbines, of the working cycle, through withdrawal pipes provided behind the compressor or between the compressor pressure stages, thus reducing the final pressure of the compressor and the quantity of motor agent delivered by the latter, is suitable, thanks to to its high efficiency, particularly to the development
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partial flows.
In the installation shown by way of example in FIG. 1, the compressor 1 is provided with withdrawal pipes 24, 24 ', 24 "serving for this purpose, in which are inserted the shutters (throttle valves) 25, 25', 25". When these regulating members are operated, it will be possible for the orientable blades of the work turbine to adjust automatically under the action of the mentioned regulating members which influence them, but it is naturally also possible to put the regulating members. adjustment of the compressor draw-off pipes in operative connection with the device for adjusting the blades.
The adjustment of the partial flow rates may moreover, in a manner similar to the adjustment method according to the invention, also be carried out in such a way that the stationary blades made adjustable of the compressor or of the turbine of the compressor-turbine unit. , will be rotated to an extent corresponding to the decrease in the work flow. If, for the latter purpose, it is on the turbine actuating the compressor that the stationary blades are made adjustable, it will be advantageous to accommodate the pivot points of the blades, in this case also, in bearing linings containing carbon or carbon. graphite.