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BREVET D'INVENTION "INSTALLATION DE TURBINES A GAZ AVEC CIRCUIT D'AGENT MOTEUR"
René STRUB à La Chaud de Fonds (Suisse) C. I.- Demande de brevet suisse n 88.217 déposée le 23 dé- cembre 1943.
La présente invention se rapporte à une installa- tion de turbines à gaz avec circuit d'agent moteur, dont une fraction est constamment prélevée et remplacée par l'introduc- tion d'une quantité de remplacement, au moins une turbine é- tant alimentée par la fraction d'agent moteur parcourant le circuit, et au moins une turbine étant alimentée par la frac- tion d'agent moteur prélevée dans le circuit.
Si, dans les installations de turbines à gaz du genre en question, on veut maintenir invariable la vitesse angulaire de la turbine du circuit, il faut régler en consé- quence la répartition de la puissance entre la turbine du circuit et la turbine de prélèvement.
La répartition de la puissance en agissant direc- tement sur la fraction d'agent moteur qui est envoyée à la turbine du circuit est peu économique, car elle conduit à de
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fortes pertes par étranglement. Par suite de la faible diffé- rence d'enthalpie de la turbine du circuit, ces pertes ne peu- vent être compensées que de façon insuffisante. Des variations du rendement de la turbine du circuit ont pour conséquence des variations du rendement total, qui en sont un multiple.
Les pertes par étranglement de la turbine du circuit, qui ne sont plus compensées, diminuent par conséquent de façon tout à fait inadmissible le rendement de toute l'installation, et par suite, la puissance utile qu'on pourrait obtenir.
La présente invention propose, pour la solution du problème posé et pour l'élimination des inconvénients exis- tants, de régler le prélèvement (,,'agent moteur dans le circuit au moyen du régulateur de vitesse oe la turbine 'du circuit.
De ce fait, on obtient cet avantage que par suite de la difré- rence d'enthalpie bien plus grande dont on dispose sur la turbine de prélèvement, une partie importante de la perte produite par étranglement peut être récupérée sous forme de puissance. La perte oe rendement de toute l'installation est sensiblement diminuée, grâce à l'invention. La turbine de pré- levement est, la plupart du temps, actionnée par de l'agent moteur à température d'entrée moins élevée que la turbine du circuit, ce qui facilite beaucoup la constitution de l'organe d'étranglement, au point de vue constructif. L'organe d'étran- glement peut aussi être dimensionné pour un volume plus petit, car les volumes spécifiques sont plus petits, à température plus basse.
De préférence, le régulateur de vitesse de la turbi- ne du circuit règle la section d'entrée de la turbine de pré- lèvement. Il est particulièrement avantageux de disposer un organe de réglage de déoit dans une conduite contournant au moins un étage de la turbine de prélèvement, organe qui est réglé par le régulateur de vitesse de la turbine du circuit.
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Il est bon de munir le régulateur de vitesse d'un dispositif isodromique, de façon qu'il maintienne la vitesse assignée à la turbine du circuit, sans irrégularité durable.
Il peut être prévu sur le système de réglage de la vitesse, un dispositif servant à fixer la valeur assignée à'la vitesse de la turbine du circuit. Enfin, l'installation de turbines à gaz peut être munie d'une conduite d'échappement contournant la turbine de prélèvement, et dans laquelle un organe commandé de réglage de débit peut être ouvert au cas où cette turbine prend une vitesse inadmissible. Cet organe de réglage de débit peut être muni d'un dispositif limiteur, au moyen duquel la section de passage de l'organe est réglée par le régulateur de vitesse de la turbine du circuit.
L'invention est représentée schématiquement et à titre d'exemple par les dessins annexés dans lesquels :
Fig. 1 représente un exemple simple de réalisation de l'objet de l'invention.
Fig. 2 représente un autre exemple de réalisation, dont le dispositif régulateur est indiqué schématiquement.
Fig. 3 représente des détails d'un dispositif régulateur tel qu'il peut être employé, par exemple, pour l'installation de turbines à gaz représentée par la fig. 2.
Les parties correspondantes sont munies des mêmes références dans toutes les figures.
Les installations de turbines à gaz selon les figs.
1 et 2 travaillent avec un circuit d'un agent moteur gazeux, par exemple d'air, dont une fraction en est constamment reti- rée et remplacée par une quantité introduite. L'agent moteur comprimé par le compresseur 1 arrive par la conduite 2 dans l'échangeur de chaleur 3, où il est réchauffé en parcourant les tubes 4. L'agent moteur â l'état réchauffé s'écoule plus loin par la conduite 2 et est divisé en deux fractions au
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point 6. Une première fraction arrive par la conduite dans le réchauffeur de gaz 8, est chauffée en circulant autour des tubes échangeurs de chaleur 9 à une température élevée, puis est amenée par la conduite 10 à la turbine 11.
L'agent moteur détendu dans la turbine arrive par la conduite 12 dans l'écnangeur de chaleur . En circulant autour des tubes échangeurs de chaleur 4, il cède une partie de sa chaleur résiduelleâ l'agent moteur qui s'écoule dans les tubes. Par la conduite 13 l'agent moteur parvient au re- froidisseur 14, dans lequel une autre partie encore de sa cha- leur résiduelle est cédée à un agent refroidisseur. Par la conduite 15, l'agent moteur est renvoyé au compresseur 1- où le circuit recommence.
Au point 6 du circuit décrit de l'agent moteur, une frac(,-ion en est; constamment prélevée par la conduite 16 et envoyée à titre d'air comburant, au brûleur 17 de réchauffeur de gaz 8. Les gaz de combustion s'écoulent dans les tubes échangeurs de chaleur .2 et cèdent une partie de leur chaleur à l'agent moteur du circuit qui circule autour des tubes, puis ils arrivent par la conduite 18 àla burbine 19.
En remplacement de la quantité d'agent moteur pré- levée dans le circuit au point 6, de l'air pris constamment dans l'atmosphère est introduit par le compresseur 20 dans le circuit. Cet-te quantité de remplacement est introduite à l'état comprimé, par la conduite 21, dans l'échangeur de chaleur 3, en un point 22 auquel l'agent moteur circulant autour des tubes échangeurs de chaleur 4 a environ la même température et la même pression que la quantité de remplacement.
La turbine 11 actionnée par la quantité d'agent mo- teur qui s'écoule dans le circuit actionne les compresseurs 1 et 20, tandis que la turbine 19 actionnée par la fraction, re- tirée du circuit actionne par une transmission 23, à titre de turbine de puissance utile, une hélice de navire 24, par
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exemple. L'hélice 24 peut être constituée sous forme d'hélice réglable, dont les pales sont réglées suivant le sens de mar- che du navire ou suivant la vitesse requise.
La turbine 11 et le compresseur 1 sont encore ac- couplés avec une machine électrique 25, qui sert de machine de démarrage ou de machine auxiliaire pour la compensation de la puissance excédentaire ou manquante.
Afin de maintenir constante la vitesse de la turbine 11 du circuit (Fig. 1) et du compresseur 1, l'arrivée de l'a- gent moteur à la turbine de prélèvement 19 est réglée par le régulateur de vitesse de la turbine du circuit. La turbine 11 du circuit entraine le régulateur de vitesse 26 qui, au moyen du levier 27, de la tringlerie 28, du levier coudé 29 et de la tringlerie 30 règle l'organe de réglage de débit 31 monté dans la conduite d'admission 18 de la turbine de prélèvement 19.
Si la vitesse tombe au-dessous de la valeur assignée, le manchon du régulateur 26 et les tringleries 28 et 30 sont déplacés dans le sens moins des flèches doubles 32 et 33. De ce fait, la section de passage de l'organe régulateur 31 est diminuée. Cette diminution a pour effet qu'une fraction plus faible d'agent moteur est retirée du circuit et menée à la turbine 19. Dans la chambre de combustion du réchauffeur de gaz 8, il se produit une température plus élevée. Par la con- duite 7, une fradtion plus grande d'agent moteur est amenée au réchauffeur de gaz et ensuite, par la conduite 10, à la turbine 11. La turbine 11 reçoit ainsi une plus grande frac- tion de l'agent moteur avec un contenu thermique plus élevé, de sorte que la diminution initiale de vitesse qui avait dé- clenché le réglage disparait.
Si la vitesse de la turbine du circuit 11 s'écarte, en augmentant, de la vitesse assignée, le manchon du régula- teur s'élève et, par suite, les tringleries 28 et 30 sont
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déplacées dans le sens plus des flèches doubles 32 et 33.
La section de passage de l'organe régulateur 31 est alors augmentée. L'augmentation de la section de passage provoque une augmentation de l'admission dans la turbine 19. La -turbine 11 reçoit une plus faible quantité d'agent moteur avec un contenu thermique moindre, de sorte que la vitesse qui avait primitivement monté au delà de la valeur assignée est ramenée à sa valeur normale.
L'installation de turbines à gaz selon la fig. 2 diffère de l'installation de la fig. 1 en ce sens que le com- presseur 1 est divisé en une machine à basse pression 1N et une machine à haute pression 1H, qui sont reliées par un re- froidisseur intermédiaire 1K. Il existe encore cette diffé- rence qu'on applique un dispositif plus développé pour le ré- glage de la marche.
L'admission d'agent moteur dans la turbine de pré- levement 19 est réglée par le régulateur de vitesse 26 de la turbine 11 du circuit, à l'aide d'un organe de réglage de débit 34. Cet organe de réglage de débit 34 est disposé dans une conduite de dérivation 35 de la turbine de prélèvement 19 et est commandé par un servo-moteur 36. La conduite de dérivation est branchée sur la conduite principale 18 et débouche entre le premier et le second otages dans le carter de turbine. Le régulateur de vitesse 26 influence, par la conduite 37, l'é- metteur d'impulsions qui est muni d'un dispositif isodro- mi.ue et qui commande, de son côté, le servo-moteur 36 par l'intermédiaire de la conduite d'impulsions 39.
Le dispositif isodromique a pour effet qu'aucune irrégularité durable n' ait lieu ; après chaque opération de réglage, la turbine 11 du cir- cuit cst ramenée exacLement à la vitenses assignée.
La secLion de passage de l'organe régulateur 34 est diminuée aussitôt que la vitesse de la turbine 11 tombe au- dessous de la valeur assignée, mais inversement elle augmente
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aussitôt que la vitesse de la turbine 11 monte au delà de la valeur assignée. Dans les deux cas, la vitesse de la tur- bine du circuit est ramenée exactement à la valeur primitive assignée.
Dans la conduite d'échappement 40 qui relie directe- ment la conduite d'admission 18 avec la conduite d'échappement 41, est disposé un organe régulateur de débit 42. Le servo- moteur 43 de cet organe régulateur est relié par la conduite 44 avec le régulateur de vitesse 45 de la turbine de prélè- vement 19. Dans la conduite d'admission 18, en aval du point de branchement de la conduite d'échappement, en considérant le sens d'écoulement, est intercalé encore un organe obtura- teur 46, qui est commandé au moyen du servo-moteur 47 par l'intermédiaire de la conduite d'impulsions 48, également par le régulateur de vitesse 45 de la turbine de prélèvement 19.
Le servo-moteur 43 de l'organe régulateur 42 monté dans la conduite d'échappement 40 peut en outre être influencé par le régulateur de vitesse 26 de la turbine 11 du circuit, par l'intermédiaire de la conduite d'impulsions 49.
L'organe régulateur de débit 42 de la conduite d'é- chappement 40 et l'organe obturateur 46 agissent ensemble à titre de dispositif de fermeture rapide, afin d'interrompre,, immédiatement l'admission d'agent moteur dans la turbine de prélèvement 19 lors du franchissement de la limite de la gamme de vitesses admissible. Si cette limite est atteinte par la turbine de prélèvement 19. le régulateur 45 agit sur les ser- vo-moteurs 43 et 47 simultanément, de façon telle que l'organe régulateur de débit 42 s'ouvre et que l'organe obturateur 46 se ferme. Les gaz de combustion du réchauffeur de gaz 8 ne s'écoulent alors plus vers la turbine 19. mais directement dans la conduite d'échappement,+41 par la conduite d'échappe- i ment 40 .
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En agissant sur 'le servo-moteur 43 au moyen du régulateur de vitesse 26, la section dégagée par l'organe régulateur de débit 42, en cas de fermeture rapide, est ré- glée en correspondance avec la charge et; la vitesse de la turbine du circuit. Si la fermeture rapide se produit sous faible charge, pour laquelle une faible quantité seulement d'agent moteur est amenée à la turbine 19, lasection de pas- sage de l'organe 42 placé dans la conduite d'échappement 40 est plus petite que sous charge plus élevée, avec une quantité d'agent moteur plus grande en conséquence.
La section de pas- sage réglée par l'organe 42 en cas de fermeture rapide est telle qu'après une fermeture rapide autant d'agent moteur est évacué par la conduite d'échappement 40 qu'immédiatement avant la fermeture rapide, par la turbine de prélèvement. De cette manière, une fermeture rapide de la turbine 19. ne peut pas exercer de réactions directes sur le circuit.
Le régulateur de vitesse 26 de la fig. 3 est en- traîné par l'arbre 50 d'une turbine de circuit non représentée.
Il influence, par l'intermédiaire d'un dispositif isodromique, l'organe régulateur 34 monté dans la conduite de dérivation 35 d'une turbine de prélèvement également non représentée, de telle manière qu'une vitesse constante soit maintenue à la turbine du circuit. Le dispositif isodromique est muni d'un asservissement/ pappal/élastique, et il consiste en le servo-moteur 36 avec tiroir de commande 51. le dispositif de rappel à glissement 52 et le ressort 53. Le dispositif isodromique ne peut venir au repos que quand le levier 54 se trouve dans une position dans laquelle le ressort 53 est sans tension et le tiroir de commande 51 dans la position moyenne où il recouvre lesta- naux de distribution 55 et 2±.. du servo-moteur 36.
Cette posi- tion du levier 54 ne peut se présenter que pour une seule position du régulateur de vitesse 26, à savoir : celle qui
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correspond à la vitesse assignée à laquelle on veut régler.
Si la vitesse de la turbine du circuit s'écarte de la valeur assignée, en augmentant, le manchon 57 s'élève. Le point de rotation 58 du levier 54 reste tout d'abord immobile, mais le tiroir 51 est tiré vers le haut. A partir de la con- duite 59, du liquide sous pression peut pénétrer par le canal de distribution 55 dans la chambre de cylindre qui se trouve au-dessus du piston de servo-moteur 60. Le piston est re- poussé vers le bas, de sorte qu'au moyen du levier 61 et de la traverse 62 la section de passage de l'organe régulateur 34 augmente. Il s'écoule alors une plus grande quantité d'a- gent moteur vers la turbine de prélèvement et une quantité plus petite vers la turbine du circuit. L'écart de vitesse angulaire initial ayant déclenché l'opération de réglage est de ce fait supprimé.
Pour éviter tout sur-réglage et tout "pompàge" ré- sultant du dispositif régulateur, le piston 60 du servo-moteur ramène le tiroir de commande 51 dans sa position moyenne, pendant l'opération de réglage, au moyen de l'accouplement à glissement 52 et du levier . De ce fait, le ressort 53 est tendu. En conséquence, il s'exerce sur le boitier de l'accou- plement à glissement 52 une force qui, par l'intermédiaire du contenu liquide des chambres de cylindre, agit sur le piston de glissement 63. Il se produit dans la chambre de cy- lindre située au-dessous du piston à glissement 63 une sur- pression par rapport à la chambre de cylindre située au- dessus du piston, de sorte que le contenu liquide situé sous le piston passe dans la chambre de cylindre supérieure, à travers l'opifice d'étranglement 64 du piston.
Le déplacement du piston 64 dans le cylindre du dispositif à glissement 52 se poursuit jusqu'à ce que le res- sort 53 soit détendu et que le tiroir 51 ait été ramené dans sa position moyenne. Le piston 60 n'est alors plus déplacé et
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n'exerce plus aucune force élastique sur l'accouplement à glissement. Cette position de repos n'est cependant pos, ible que lorsque le régulateur 26 est revenu exactement dans la position correspondant à la vitesse assignée et qu'ainsi la turbine du circuit actionnant le régulateur a repris sa vites- se assignée.
Une opération de réglage analogue, mais avec des mou- vements en sens inverses, se produit lorsque la vitesse de la turbine du circuit s'écarte de la valeur assignée, en diminuant.
La section de passage de l'organe régulateur 34 est alors diminuée par le régulateur 26 à l'aide du dispositif isodro- mique. La turbine de prélèvement reçoit moins d'agent moteur , mais par contre la turbine du circuit en reçoit davantage, de sorte que la vitesse remonte à la valeur assignée.
La valeur assignée à régler peut être modifiée au moyen du levier 65. Si on déplace le levier 65 dans le sens moins de la floche double 66, le ressort 53 est soulevé. Le levier 54 ne peut alors venir au repos que dans une position dans laquelle la position du manchon 57 du régulateur est plus basse, en conséquence, et la valeur de la vitesse assignée diminuée. Inversement lors du déplacement du levier dans le sens plus de la flèche double 66, la valeur de la vitesse assignée est augmentée. Le ressort 53 est alors déplacé vers le bas, et en conséquence, le manchon 57 du régulateur doit se trouver plus haut dans la position de repos.
Par l'application du dispositif isodromique on ob- tient un haut degré de stabilité pour le réglage. Le dispositif isodromique stabilise le comportement de l'installation au réglage même lorsque les caractéristiques des diverses machi- nes conduiraient par elles-mêmes à un comportement instable.
L'organe de réglage 42 monté dans la conduite d'é- chappement 40 branchée sur la conduite d'admission 18 de la turbine de prélèvement, et l'organe obturateur 46 monté dans la conduite d'admission 18 sont actionnés à l'aide du régula-
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teur 45 entraîné par l'arbre 67 de la turbine de prélèvement non représentée, lorsque la vitesse de cette turbine monte au- delà de la limite supérieure de la gamme admissible de vites- ses.
Lorsque les vitesses de la turbine de prélèvement sont admissibles, le tiroir de commande 68 se trouve dans une position dans laquelle du liquide sous pression peut s'écouler de la conduite 69 dans la conduite 70. Ce liquide sous pression arrive dans les chambres de cylindres au-dessus des pistons 71 et 72 des servo-moteurs et 47, de sorte que l'organe de réglage 42 est complètement fermé et que l'organe obturateur 46 est complètement ouvert. L'agent moteur s'écoule alors sans obstacle par la conduite 18 dans la turbine de prélève- ment.
Si la vitesse de la turbine de prélèvement atteint la valeur limite supérieure de la gamme admissible de vites- ses, le collet 73 est soulevé à l'aide du levier 76. Le ti- roir 68 arrive dans une position supérieure dans laquelle la communication entre les conduites 69 et 70 est interrompue, mais celle entre les conduites 69 et 74 est établie. Le li- quide sous pression s'écoule alors dans les chambres de cy- lindres situées sous les pistons de servo-moteurs 71 et 72.
Le cône d'étranglement de l'organe régulateur 42 est soulevé- jusqu'à ce que le piston de servo-moteur 71 vienne buter con- tre le piston 75, et l'organe obturateur.46 est amené'dans la position complètement fermée.
Le piston 75 est réglé au moyen de la traverse 62 et du dispositif isodromique par le régulateur 26 de la tur- bine du circuit de telle manière que la quantité d'agent moteur évacuée par la conduite d'échappement 40 soit précisé- ment égale à la quantité d'agent moteur s'écoulant vers la turbine de prélèvement par la conduite 18 immédiatement avant l'interruption. Grâce à cette disposition, lors d'une ferme-
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ture rapide de la turbine de prelevement, il ne se produit pas de réactions directes sur la marche du circuit.
La turbine de prélèvement peut aussi, à l'inverse de l'installation décrite, être employée à l'entraînement d'un compresseur et la turbine du circuit être employée comme tur- bine de puissance utile. Les turbines et les compresseurs peu- vent, suivant les conditions de fonctionnement, être réparties entre plusieurs enveloppes.
REVENDICATIONS
1) Installation de turbines à gaz avec circuit d'agent moteur, dont une fraction ent constamment prélevéc et remplacée par l'introduction d'une quantité de remplacement, au moins une turbine étant alimentée par la fraction d'agent moteur parcourant le circuit et au moins une autre turbine étant alimentée par la fraction d'agent moteur prélevée dans le circuit, installation caractérisée par le fait que le régu- lateur de vitesse de la turbine du circuit règle le prélèvement d'agent moteur dans le circuit.
2) Installation de turbines à gaz selon la revendi- cation 1, caractérisée par le fait que le régulateur de vites- se de la turbine du circuit règle l'admission de l'agent mo- teur dans la turbine de prélèvement.
3) Installation de Turbines à gaz selon la revendica- tion 1, caractérisée par le fait que le régulateur de vitesse de la turbine du circuit règle la section d'admission à la turbine de prélèvement.
4) Installation de turbines à gaz selon la reven- dication 1, caractérisée par le fait qu'un organe régulateur de débit est disposé dans une conduite contournant au moins un étage de la turBine de prélèvement et est réglé par le ré- gulateur de vitesse de la turbine du circuit.
**ATTENTION** fin du champ DESC peut contenir debut de CLMS **.