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". Turbine fonctionnant avec agent moteur chaud, principalement turbine à gaz."
Dans le réglage pendant l'exploitation des turbines fonctionnant avec un agent moteur chaud, surtout des turbines à gaz, c'est pour les raisons les plus diverses, selon la disposition donnée de l'installation de turbine, qu'il peut devenir nécessaire de varier d'une manière appropriée, soit la quantité d'agent moteur passant à travers la turbine, soit la chute de pression absorbée par la turbine, ou bien, le cas échéant, de maintenir ces quantités à. des chiffres pratiquement constants contre tout changement qu'elles pourraient subir par suite des changements dans les conditions d'exploitation de l'installation.
Les propositions connues faites dans ce but, comme par exemple l'étranglement du courant d'agent moteur moyennant une soupape d'étranglement prévue quelque part dans l'installation, ou la dérivation d'une certaine quantité d'agent moteur de la turbine à travers une conduite de détour ou de soutirage, entrainent une diminution plus ou moins considé- rable du rendement ; éviter cette diminution du rendement, la méthode se présentant sur la base d'une considération simple, comme la plus convenable, est celle de rendre les aubes de la turbine réglables (orientables) et de les régler de façon à assurer le réglage proposé ; assurer l'accessibilité, ce seront, notamment, les aubes stationnaires qui seront soumises à un tel
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traitement.
Notamment le déplacement angulaire des aubes provoquera un changement de l'angle d'attaque sous lequel le courant d'agent moteur frappe la surface des aubes, ce qui,en conséquence du changement de la résistance que la turbine offre au passage de ce courant, permet d'influencer également, selon la disposition de l'installation, soit la chute de pression de la turbine, soit la quantité d'agent moteur passant à travers la turbine, et ceci avec un rendement substantiellement plus élevé qu'avec les dispositions proposées.
Le réglage par déplacement angulaire des aubes stationnaires, ou du moins d'une partie constructive de ces aubes, effectué en conformité avec les variations dans les conditions d'exploitation est connu en soi, par exemple dans le domaine des turbines hydrauliques. Si, cependant, on avait l'idée d'appliquer cette méthode de réglage des aubes, laquelle, dans le cas des turbines hydrauliques ne s'emploie naturellement, ou mieux dit ne peut s'employer, en conséquence de la construction usuelle de ces turbines, que dans une seule couronne d'aubes stationnaires, dans sa simple forme originale, aux turbines caloriques modernes à plusieurs étages, on pourrait, en effet, réaliser, dans un degré plus modique de son efficacité, le but susdit, mais que le dispositif obtenu serait, selon un discernement de l'invention présente, désavantageux d'un autre point de vue.
Notamment dans le cas d'une turbine à plusieurs étages, le réglage effectué moyennant le déplacement angulaire des aubes dans une seule couronne d'aubes pourrait, particulièrement quand ce déplacement atteint une grandeur considérable, changer la distribution par étages, établie au chiffre le plus avantageux pour l'état d'exploitation normal, de la chute de pression de la turbine, dans un degré tel, que le rendement, qui, sans cela aussi, baisserait dans cet état d'exploitation différent de l'état d'exploitation normal, se trouverait modifié à son désavantage dans un degré sensible par ce changement indésirable, et ainsi l'amélioration du rendement à laquelle on pourrait s'attendre par suite du réglage des aubes, serait en grande partie - le cas échéant même entièrement - neutralisée.
Pour cette raison il est nécessaire que les aubes stationnaires de la turbine soient, selon l'invention, rendues orientables dans une pluralité de couronne d'aubes, préférablement dans plus que la moitié du nombre total des couronnes d'aubes stationnaires, ou même préférablement dans leur totalité.
Une autre considération avantageuse demande que le réglage s'effectue dans les diverses couronnes dans un tel degré relatif, et, au cas que ce n'est pas dans la totalité des couronnes d'aubes que les aubes sont orientaples, que les couronnes d'aubes orientables soient distribuées
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entre les autres couronnes d'une telle manière, qu'il ne se produise point, pendant le réglage, des variations, en ce qui regarde la distribution par étages de la chute de pression, qui, pour la raison qui vient d'être indiquée, ne seraient inadmissibles du point de vue du rendement.
C'est en procédant de cette manière qu'on pourra obtenir une turbine qui peut se régler avec un rendement considérablement meilleur que celui des turbines connues jusqu'ici ; l'excédant des frais de construction d'une telle turbine, qui ne se présente qu'une fois et dont la grandeur n'est pas très considérable, est compensé par l'importante économie de l'exploitation, ainsi que par la facilité du réglage, et par le fait que le réglage se prête à la satisfaction des exigences les plus diverses.
Sur les figures 1, 3 et 4 de la planche de dessins ci-annexée il est représenté d'une manière schématique l'application de l'invention, par exemple, aux turbines à gaz, et la fig. 2 représente un développement en plan, des couronnes d'aubes d'une turbine à gaz munie d'aubes réglables selon l'invention.
L'installation de turbine à gaz selon la fig. 1 est composée du compresseur rotatif 1 et de la turbine à gaz 2, actionnant ce compresseur; cette dernière turbine, outre qu'elle actionne le compresseur, fournit aussi un travail utile. L'agent moteur frais dans le cas d'un cycle de travail ouvert à l'air débité par le compresseur 1 et comprimé par ce compresseur à la pression finale nécessaire, passe à travers l'espace utile à haute pression de l'échangeur de chaleur à contre-courant 3, formant un accessoire non-indispensable à l'installation, et à travers la chambre de combustion 4 raccordée derrière cet espace, à la turbine à gaz, dans laquelle il se détend entièrement, pour s'écouler ensuite, après avoir passé à travers l'espace utile à basse pression de l'échangeur de chaleur 3,
à l'espace se trouvant sous la pression-limite inférieure du cycle de travail,(dans le cas d'un cycle de travail ouvert à l'air libre). Dans l'échangeur de chaleur, l'agent moteur détendu transmet, dans la manière connue, son contenu de chaleur encore utilisable à l'agent moteur frais comprimé, qui ensuite, après avoir subi un réchauffement ultérieur par la quantité de chaleur obtenue par la combustion d'une quantité de combustible dans la chambre de combustion 4, c'est-à-dire après avoir reçu une quantité de chaleur adaptée à la transformation partielle en travail, passe à la turbine à gaz.
Dans cette dernière le réglage, adapté au but visé, des aubes de certaines couronnes d'aubes stationnaires, le cas échéant de la totalité de ces couronnes, peut s'effectuer par exemple au moyen d'une douille de réglage qui peut se déplacer dans la direction axiale entre la pièce de fonte du corps de la
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turbine et son enveloppe extérieure, cette douille étant disposée d'une manière telle que dans ses rainures annulaires s'engagent les extrémités des bras de manivelle montés sur les pivots des aubes réglables, et dont ce n'est que la tige de réglage 5 déplaçable dans la direction des flèches m ou n qui est représentée dans la fig. 1.
Pour effectuer le réglage d'une manière automatique, cette tige de réglage peut être mise en liaison de fonctionnement (le cas échéant par l'intermédiaire d'un servomoteur, ou d'un relais et d'un servo- moteur), avec un organe, par exemple avec un manomètre ou avec un régulateur de nombre de tours, qui réagit sur un élément de l'état d'exploitation de la turbine subissant un changement, (par exemple sur la pression ou sur le nombre de tours), mais qui, préférable- ment,pourra, en outre, s'actionner - le cas échéant par l'intermé- diaire d'un servomoteur également - par main.
Si, pour quelque raison, par exemple pour assurer que le nombre de tours reste approximativement constant, même en cas d'une charge variable, il est nécessaire qu'en conséquence du changement de l'état d'exploitation, la quantité d'agent moteur passant par l'installation soit modifiée, ceci, en conformité de ce qui a été dit plus haut, peut s'effectuer, selon l'invention, en modifiant l'angle d'attaque des aubes stationnaires, ce qui peut être réalisé en modifiant l'angle d'orientation des aubes stationnaires.
Selon la fig. 2, sur laquelle il est représenté une couronne d'aubes stationnaires entre deux couronnes d'aubes se trouvant en rotation avec une vitesse u, on entend par angle d'orientation des aubes l'angle r, formé à l'entrée de la couronne d'aubes, sur le côté soumis à pression du profil des aubes, par la ligne de base g-g du profil et la direction périphérique, la ligne de base du profil pouvant ae définir comme la ligne droite tracée de manière qu'elle soit tangente au cercle d'arrondi situé du côté d'entrée du profil de l'aube et qu'elle conduise à l'extrémité de ce profil située du côté de sortie ou bien le cas échéant qu'elle soit tangente au cercle d'arrondi de cette dernière extrémité de profil, si leprofil est arrondi à ce dernier endroit également;
au cas d'un profil d'aubes concave du côté sous pression de l'aube, cette ligne peut, vu que la différence qui se présente n'est qu'insignifiante, être simplement identifiée à la ligne droite appliquée au côté sous pression du profil. La diminution de cet angle d'orientation des aubes provoque, par suite de l'augmentation de l'angle d'attaque (et aussi de la résistance au passage qu'elle comporte), une diminution de la quantité d'agent moteur passant par la turbine, tandis que l'augmentation de l'angle d'orientation provoque une augmentation de la quantité d'agent moteur;
le réglage, en tant que celui-ci vise la modification, de la manière qui vient d'être
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indiquée, de la quantité d'agent moteur, peut donc s'effectuer avec réaction directe sur la quantité q 'on désire régler, d'une manière simple et efficace, sans influencer le rendement à un degré appréciable.
Il va sans dire que, en dehors du mécanisme pour le déplacement des aubes décrit somnairement ci-dessus, le réglage des aubes peut aussi être effectué à l'aide de nombreux autres mécanismes de construction différente, actionnés également à la main ou automatiquement. Naturellement, le réglage effectué de cette manière sera, en conformité de ce qui a été dit, d'autant plus sensible et plus efficace, et en même temps sera effectué avec un rendement d'autant plus élevé, que le nombre de couronnes d'aubes munies d'aubes réglables sera plus élevé, et pour certaines raisons au sujet desquelles un exemple sera aussi indiqué ci-après - il est aussi possible que le réglage dans les couronnes d'aubes réglables ne soit pas effectué partout simultanément ou dans le même degré, mais d'une manière graduée.
En outre, ce n'est pas seulement dans l'arrangement selon la fig. 1 que la turbine à gaz munie d'aubes réglables peut s'employer,mais comme les figures 3 et 4 le montrent une telle turbine peut aussi s'employer dans des installations de turbines à gaz d'une construction différente et servant à d'autres buts.
Pour les installations conformes à ces dernières figures, ce n'est, contrairement à l'arrangement selon la fig. 1, pas une seule turbine à gaz qui est employée, mais par exemple deux turbines à gaz fonctionnant indépendamment l'une de l'autre, dont l'une en plus qu'elle actionne des engins auxiliaires éventuels, n'actionne que le compresseur de l'installation, tandis que l'autre, nommée turbine de travail, sert dans une mesure prépondérante, ou d'ordinaire exclusivement, pour fournir du travail utile.
Cette disposition permet que la turbine de travail marche, comme cela est désirable par exemple dans la commande des véhicules, à des nombres de tours variables entre des limites écartées en développant des moments de rotation variables, sans qu'il faille que le nombre de tours du compresseur et de la turbine qui l'actionne (c'est-à-dire du groupe nommé "groupe compresseur-turbine") varie dans un degré appréciable, invariabilité qui est désirable du point de vue d'assurer un bon rendement de l'installation. La différence entre l'installation selon la fig. 5 et celle selon la fig. 4 consiste en ce que dans la première c'est en série,dans la direction du passage de l'agent moteur, que la turbine Tk actionnant le compresseur K est raccordée à la turbine de travail Ta, tandis que dans la deuxième c'est en parallèle que ces deux turbines sont raccordées.
Dans le
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cas de ces dispositions, également, l'agent moteur entièrement détendu transmet son contenu de chaleur encore utilisable dans un échangeur de chaleur de préférence dans un échangeur de chaleur à contre-courant % à la quantité d'agent moteur frais comprimée par le compresseur, laquelle, par suite, après avoir absorbée une certaine quantité de chaleur dans la chambre de combustion B, s'écoule dans le cas de la disposition selon la fig. 3, d'abord vers la turbine T actionnant le compresseur, et ensuite vers la turbine de travail Ta, tandis que dans la disposition selon la fig) 4 elle s'écoule en deux dérivations parallèles aux turbines Tk et Ta.
Sur les deux figures est représentée schématiquement la tige de déplacement b du mécanisme de réglage d'aubes décrit plus haut de la turbine de travail Ta, et en même temps il est possible, dans l'agencement selon la fig. 4, de munir également la turbine Tk, actionnant le compresseur, d'aubes réglables, ainsi que d'un mécanisme de déplacement appartenant à ces aubes avec tige de manoeuvre 5'. D'une manière analogue, naturellement, la turbine Tk de l'agencement selon la fig. 3 peut aussi être munie d'aubes stationnaires réglables, tandis que, d'autre part, la turbine Tk de l'agencement selon f ig. 4 peut aussi être établie avec des aubes stationnaires non-réglables (c'est-à-dire fixes).
Dans la disposition de principe selon la fig. 3, ainsi que dans celle selon la fig. 4, on peut aussi imaginer l'emploi d'une pluralité de turbines de travail et de turbines pour l'actionnement de compresseurs, raccordées les unes aux autres en parallèle ou en série, et même l'emploi de ces turbines dans une disposition mixte avec raccord en parallèle et en série.
Si, par exemple dans le cas de la turbine de l'installation selon la fig. 1 ou dans le cas de la turbine de travail de l'installation selon la fig. 4, c'est la quantité d'agent moteur passant par la turbine qu'on désire modifier par le déplacement des aubes stationnaires (par exemple si le but visé est de diminuer la quantité d'agent moteur passant par la turbine, par une diminution de l'angle d'orientation x des aubes selon la fig. 2, il sera préférable d'effectuer le déplacement des aubes de sorte que ce déplacement s'effectue, en première ligne ou dans une plus grande mesure, dans les étages à basse pression de la turbine.
Cette disposition permet notamment d'assurer facilement, non seulement qu'avec une charge allant en diminuant, la quantité d'agent moteur passée par la turbine diminue également, et qu'avec une charge croissante cette quantité s'accroisse, mais, qu'en même temps, on obtienne aussi, en dépit du réglage, une distribution pratiquement uniforme de la charge sur les divers étages.
D'ailleurs, on réalise une disposition très avantageuse pour
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assurer un bon rendement en cas de charge réduite,, si l'on rend réglables non seulement les aubes stationnaires de la turbine, mais aussi les aubes stationnaires du compresseur de l'installation de turbine à gaz, et si l'on commande le déplacement des aubes de telle manière, qu'avec la diminution de la charge la quantité de gaz passée à travers l'installation soit diminuée également, c'est-à-dire que l'angle d'orientation des aubes stationnaires de la turbine ainsi que celui des aubes stationnaires du compresseur soient diminués. Dans ce but, par exemple dans l'installation de turbine à gaz selon la fig. 3, le compresseur K sera aussi muni d'aubes stationnaires réglables, ainsi que d'une tige de commande 5" produisant le déplacement de ces aubes.
D'ailleurs le réglage des aubes stationnaires pourra différemment des cas qui - étant les plus importants en pratique - ont été représentés à titre d'exemple sur la planche de dessins, être utilisé aussi dans des cas où la turbine munie des aubes réglables ne sert pas en première ligne, ou pas directement., ou point du tout, pour fournir un travail mécanique utile. Un exemple d'un tel cas est représenté, dans ce qui précède, par la turbine Tk pour l'actionnement du compresseur de l'installation de turbine à gaz selon la fig. 4, et, selon ce qui vient d'être dit, cette installa- tion pourrait aussi être imaginée de façon que ce n'est que la turbine Tk qui soit munie d'aubes stationnaires réglables, tandis qu les couronnes d'aubes stationnaires de la turbine Ta ne seraient pas réglables.
D'autres cas de ce genre sont, par exemple, celui d'une turbine à gaz actionnant un compresseur de surcharge d'un moteur à piston à combustion interne, ladite turbine à gaz étant actionnée par les gaz d'échappement, celui d'une turbine actionnant un compresseur servant principalement pour la production d'air comprimé, celui d'une turbine employée comme machine auxiliaire dans la mise en oeuvre de procédés chimiques ou métalurgiques, pourvu que dans tous ces cas la turbine soit à plusieurs étages et qu'il soit désirable de régler la chute de pression absorbée par la turbine.
Ce n'est cependant pas seulement pour influencer l'exploitation normale, mais en outre pour d'autres buts aussi que le déplacement des aubes stationnaires de la turbine se prête. Ainsi, par exemple, si, dans le cas d'une installation d'une turbine à gaz contenant une turbine à travail séparée, on désire, tout en maintenant le groupe compresseur-turbine en rotation, arrêter complètement la turbine de travail, il suffit dans ce but de déplacer les aubes stationnaires jusqu'à ce qu'elles occupent une position approximativement parallèle aux aubes mobiles, puisque dans ce cas l'angle d'attaque sous lequel le courant d'agent
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moteur frappe les aubes est pratiquement zéro et qu'ainsi l'agent moteur passera à travers la turbine de travail sans développer un moment de rotation.
Si l'on continue de tourner toutes les aubes stationnaires au-delà de cette position, on pourra réaliser, en conséquence du fait que c'est sur leur côté arrière que l'agent moteur frappe les aubes des roues mobiles, que le rotor de la turbine se mette en rotation dans un sens opposé au sens de rotation normal, de sorte qu'on pourra, de cette manière, réaliser un renversement du sens de marche de la turbine.
La réalisation pratique, au moyen du déplacement des aubes, d'un réglage convenable pour l'exploitation, dépend, eu égard à la haute température de l'agent moteur de la turbine, dans une grande mesure de la façon dont les pivots des aubes réglables sont logés.
Au logement et à la lubréfaction de ces aubes il faut, naturellement, apporter d'autant plus de soin, que la température de la zône du cycle de travail dans laquelle la couronne d'aubes réglable doit travailler est plus élevée, puisque avec l'augmentation de la température la possibilité de lubréfaction diminue et le danger d'un grippage augmente. Pour cette raison, les difficultés de logement seront, par exemple dans le cas de l'installation selon la fig.
3, considérablement plus grandes dans le cas de la turbine Tk, travaillant entre les limites de température plus élevées, qu'elles ne le seront dans le cas de la turbine Ta fonctionnant entre des limites de température moins élevées, et pour cette raison il sera préférable dans le cas de turbines raccordées en série, que la turbine réglée moyennant le déplacement des aubes soit raccordée - conformément à la Fig. 3 - derrière la turbine non réglée.
Dans tous les cas il est indiqué de refroidir le logement des aubes, ou bien-dans le cas où l'on ne pourrait pas compter que cela puisse être réalisé d'une manière satisfaisante d'employer des revêtements de coussinet non-métalliques possédant un effet d'auto-lubréfaction, avec lesquels on pourra même, en cas de nécessité, se passer entièrement d'une lubréfaction à l'aide des lubrifiants usuels. Selon l'invention de tels revêtements de coussinet pourront être établis de préférence en une matière à base de carbone ou en carbone pur ; lesgenres de carbone qui peuvent être utilisés sont, par exemple, le charbon des lampes à arc, le charbon de balais et, le cas échéant, le graphite.
En outre, on pourra aussi employer, comme matière de base des revêtements de coussinet exempts de grippage des aubes réglables, des autres mati- ères non-métalliques, en première ligne des oxydes de métaux (par exemple l'oxyde de zinc) obtenables en fine division, matières qui pareillement à l'emploi du graphite ou du charbon pulvérisé seront, de préférence avec addition d'une matière de liage conve-
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nable, comprimées en des blocs massifs pouvant être travaillés pour en obtenir des douilles de coussinet, et qui, pour en assurer un plus haut degré de cohésion intérieure, seront soumises, le cas échéant, à un traitement thermique dépendant de la nature de la matière.
Pour assurer de meilleures conditions de lubréfaction on pourra lubrifier de temps en temps le coussinet au moyen de graisse, suif, huile lubrifiante ou de stéatite, ou bien il sera aussi possible d'introduire d'avance la matière lubrifiante dans la matière du coussinet par exemple par l'imprégnation. Une matière qui, grâce à son état solide, est très adaptée à ce but est par exemple la stéatite, qui peut être ménagée de différentes manières par exemple dans des forages pratiqués dans le sens radial du revêtement de coussinet,,ou bien dans des rainures disposées dans le sens axial du forage dans lequel le tourillon est guidé ; est aussi possible, cependant, d'employer la matière de base mélangée avec de la stéatite pulvérisée.
Très souvent, cependant, il suffit de frotter une seule fois le tourillon dont on désire assurer la lubréfaction avec de la stéatite. De cette manière il est possible d'assurer la lubréfaction à un degré supérieur, dépassant l'effet auto-lubrifiant, et en général la lubréfaction - si l'on ne compte en dernier lieu ou dans le cas le plus simple que sur l'effet auto-lubrifiant - devient telle, qu'elle n'est pas influencée dans une manière préjudiciable, pour la sûreté du service, par les tempé- ratures élevées qui se présentent dans l'exploitation des turbines.
REVENDICATIONS :
1. Turbine thermique à plusieurs étages, en particulier turbine à gaz, caractérisée par le fait, que, dans plusieurs couronnes d'aubes stationnaires, les aubes sont rendues réglables par déplacement angulaire.