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BREVET D'INVENTION "INSTALIATION DE TURBINES A GAZ." Société dite: SULZER FRERES. SOCIETE ANONYME.
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Conv. Int. : rrioritâ d'une < :;:3 ,.é ? ..Li br -, t - inv'2utiün n 93.7, déposée .:<1 ..3uis::>a le 17 jàï±1 1944
La présente invention se rapporte à une installation de turbines à gaz comportant au moins deux turbines parcourues en parallèle par l'agent moteur, et dont une au moins actionne un compresseur et l'autre fournit la puissance utile, le réglage du fonctionnement étant effectué en réglant la répartition de l'agent moteur entre les deux turbines. L'invention est caractérisée par le fait que la répartition de l'agent moteur est réglée en fonction des variations de pression de l'agent moteur.
Par suite de l'énergie emmagasinée dans les gaz et de l'énergie cinétique des rotors de turbines, les variations de pression de l'agent moteur et les variations de vitesse angulaire des turbo-machines présentent des décalages dans le temps lors des opérations de réglage. Si l'impulsion de réglage
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est dérivée des variations de pression de 1'agent moteur en vue du réglage de la puissance, il en résulte un haut degré de stabilité. , cet égard l'invention part de cette constatation les variations do pression s'établissent sensiblement plus töt que les variations de vitesse angulaire.
Dans une installation de turbines à gaz avec circuit d'agent moteur dont une partie en est constamment retirée et remplacée par une autre, et dans laquelle au moins une turbine est actionnée par la quantité d'agent moteur circulant dans le circuit et au moins une autre turbine est ac- tionnée par la fraction retirée du circuit, le prélèvement d'agent moteur dans le circuit pour l'alimentation de la turbine de prélèvement peut être réglé en fonction des variations de pression dans le circuit.
L'invention sera expliquée plus en détail en regard du dessin ci-joint.
Fig. 1 représente une installation de turbines à gaz selon l' invention.
Fig. 2 explique le dispositif régulateur appliqué à l'installation de turbines à gaz selon la fig. 1.
L'installation de turbines à gaz selon la fig. 1 travaille avec un circuit d'air, dont une fraction est constamment retirée tandis qu'une quantité de remplacement est constamment introduite en un autre endroit. L'air comprimé par le compresseur à basse pression 1 arrive, à travers le refroidisseur intermédiaire 2, dans le compresseur à haute pression . L'air comprimé s'écoule alors par la conduite 4 dans l'échangeur de chaleur 5. dans lequel il est préchauffé en parcourant les tubes 6. Par la conduite 7, l'air arrive en outre au point 8, ou il est divisé en deux parties.
La plus grande partie arrive par la conduite 2 dans le réchauffeur de gaz 10, et est chauffée à la température maximum du circuit
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en circulant autour des tubes échangeurs de chaleur 11 et est alors envoyée par la conduite 12 dans la turbine 13.
L'air détendu dans la turbine 13 s'écoule par la conduite 14 dans l'échangeur de chaleur ± et y cède une partie de sa chaleur résiduelle, par conduction calorifique, à l'air qui s'écoule dans les tubes échangeurs de chaleur 6. Par la conduite 15, l'air arrive dans le refroidisseur 16, dans lequel il cède une autre fraction de sa chaleur résiduelle à un agent refroidisseur. Par la conduite 17. l'air est finalement renvoyé au compresseur à basse pression 1, où le circuit recommence.
Du circuit d'air décrit, une fraction de l'air est constamment retirée au point 8 et est envoyée par la conduite 18, à titre d'air comburant, au brûleur 19. du réchauffeur de gaz 10. Les gaz de combustion sortent de la chambre de combustion 20 pour entrer dans les tubes échangeurs de chaleur 11 dont les paroistransmettent la chaleur à l'air du circuit qui passe autour des tubes. Les gaz de combustion vont ensuite par la conduite 21 à la turbine 22.
En remplacement de l'air retiré du circuit au point 8, de l'air extérieur est introduit constamment dans le circuit par le compresseur 23. Cette quantité de remplacement est introduite par la conduite 24 en un point 25 de l'échangeur de chaleur 2 en lequel l'air qui circule autour des tubes échan- geurs de chaleur 6 a environ la même température et la même pression que la quantité de remplacement.
La courbe des pressions de l'air dans le circuit s'élève depuis la valeur minimum à l'entrée dans le compresseur l, jusqu'à la valeur maximum à la sortie du compresseur 3, Lors du parcours dans les échangeurs de chaleur 2 et 10 et les conduites correspondantes. il se produit, par suite de la résistance à l'écoulement, une chute de pression négligeable.
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Une grande chute de pression se produit dans la turbine 13. la pression de sortie n'est plus élevée que la pression d'entrie dans le compresseur 1 que dans la mesure où le rend nécossdire la résistance à l'écoulement dans les échangeurs de chaleur 5 et 10 et dans les conduites.
Le niveau de la courbe des pressions dépend du niveau de la pression d'entrée dans le compresseur 1, et celleci à son tour dépend du niveau de la pression de refoulement du compresseur 23. n cas de variations de cette pression d'entrée, par exemple par suite d'une variation de la vitesse angulaire, les pressions dans tout le circuit varient, la pression maximum variant dans une mesure encore plus grande que la pression d'entrée.
La turbine 13 alimentée par l'air circulant en circuit actionne les compresseurs 1,3 et 23. tandis que la turbine 22 alimentée par la fraction retirée du circuit actionne, à titre de turbine de puissance utile, une hélice de navire 27 par l'intermédiaire d'un engrenage 26. L'hélice 27 peut êsre raite sous forme J'hélice réglable, dont les pales peuvent être réglées avec un angle de pas variable selon le sens de marche ou la vitesse de marche. La turbine 13 et les compresseurs 1,3 et 23 sont encore accouplés avec une machine auxiliaire 28 servant au démarrage de l'installation ou à la compensation d'une puissance excédentaire ou déficitaire.
En vue de la répartition correcte de l'agent moteur entre les turbines 13 et 22, la turbine de puissance utile 22 est munie d'une conduite de dérivation 29 contournant son premier étage et dans laquelle est intercalé un organe régulatour de débit 30. Le servo-moteur 31 de cet organe régulateur est influencé par le dispositif régulateur 33 par l'intermédiaire de la conduite à impulsions 32. La commande du dispositif régulateur s'effectue par la pression de l'air dans la conduite d'admission 12 de la turbine 13, transmise
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par la conduite 34. A l'aide du levier 35, on peut régler à la main et à volonté la valeur assignée à la pression dans la conduite d'admission et, par suite, assignée à la puissance utile.
Toute diminution de la section de passage dégagée par l'organe régulateur 30 diminue la capacité d'absorption de la turbine de puissance utile 22, de sorte que moins d'air est retiré du circuit. Par suite de l'accumulation qui se produit ainsi, non seulement la courbe des pressions dans le circuit est relevée, mais encore la quantité d'air envoyée à la turbine 13 du compresseur est augmentée et sa puissance accrue, de sorte que sa vitesse angulaire augmente. De ce fait, la chute de pression disponible pour la turbine de puissance utile est augmentée, de sorte que la puissance utile est également augmentée.
Inversement, une augmentation de la section de passage dégagée par l'organe régulateur 30 donne à la turbine de puissance utile 22 une plus grandecapacité d'absorption et provoque par conséquent un plus grand prélèvement d'air dans le circuit, avec abaissement correspondant de la courbe des pressions. La turbine de puissance utile ne dispose plus alors que d'une chute de pression moindre, de sorte que la puissance fournie par elle diminue, A l'aide du levier 35, on peut régler par le dispositif régulateur la puissance désirée pour la commande de l'hélice 27, et, par suite, la vitesse de marche du navire.
La turbine 13 des compresseurs possède une conduite de dérivation 36, qui contourne son premier étage. L'organe régulateur de débit 37 monté dans la conduite de dérivation peut être ouvert temporairement à l'aide du dispositif régulateur 33 sous l'action du servo-moteur 39 par l'intermédiaire de la conduite à impulsions 32,38. afin d'augmenter rapidement la puissance utile. Par ouverture de l'organe régulateur 37,
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la CajLeC::, .3 c!';b;orpLion de la turbine 13 des compresseurs est u montée. 10.1' suibc de l'accumulation d'air dans le 'circuit, qui esL .,1'OVO(1u.ée par diminution de la section de l'organe régulateur 30 Illonté duns la conduite de dérivation 20 en vue d'augmenter 1 puissance utile, une quantité augmentée d'agent moteur est () U]ponible pour la turbine 12 des compresseurs.
Jao le cas où l'organe régulateur 3, donne à la turbine 13 du conpresseur une capacité d'absorption temporairement lu puisnce de celle-ci est augmentée d'une façon accélérée. Il se produit une augmentation également
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accélérée ucs pressions dans le circuit, et de ce fait on obtient 1.' au ;.nen-t.rtion désirée do la puissance utile dans un tOlf',P,,, ooiu¯ïre .
Le dispositif régulateur 22 (tig. 2) est influencé par la c.J.iJ:.u1:; r:a.ro:.triuc: 40 reliée à la conduite sous pres- sion 34. l'aide du levier 33, on peut régler à la main la valeur assignée au niveau de la courbe des pressions dans le circuit et, suite, la puissance voulue pour la commande de l'hélice de navire.
La dilatation de la capsule manométrique 40 est transmise à l'articulation 41 du levier 42. L'articulation. 43 située sur le côté opposé du levier 42 e .t influencée par la
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came 44, la tringlerie 4 et le ressort 46. La position de l'articulation médiane 47 du levier 42 est ainsi déterminée par la position du levier 35 et la dilatation de la capsule
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<na aoin é. t r,1 <,iu 40.
., l'articulation 47 et par l'intermédiaire de la tringlerie 48 est relié le tiroir de distribution 49 par lequel sont commandés l'arrivée d'un agent sous pression de la conduite 50 au servo-moteur 52 et -l'échappement hors du servomoteur dans la conduite d'échappement 51. Le piston 53 du
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servo-;uoteur est relié d'une part par la tige z4 avec le dispositif à frein 55 et d'autre part, par le ressort
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56, avec le tiroir de distribution 57. le piston 58 du dis- positif à 'frein . sépare l'une de l'autre deux chambres de cylindre, qui sont reliées par une conduite 60 munie d'un étranglement 59. Le tiroir 57 commande l'arrivée d'un agent sous pression venant de la conduite 61 ou l'échappement dans la conduite 62.
La chambre de commande 63 de la boite de tiroir 64 est reliée par la conduite de commande 32 avec le servo-moteur 31, et par la conduite de commande 38 avec le servo-moteur 39.
Le servo-moteur 31 possède un piston 65 sur lequel agissent, par en dessous, laforce du ressort 66 et par en dessus, la pression de l'agent de commande qui se trouve dans la chambre 67. Dans le servo-moteur 39 est disposé un piston
68, sur lequel se font équilibre la force de bas en haut du ressort 69 et la pression de haut en bas de la chambre de commande 70.Les ressorts 66 et 69 sont calculés de façon telle que l'organe régulateur 37 n'est soulevé de sur son siè- ge que lorsque l'organe régulateur 30 est appliqué sur son siège eta complètement interrompu le passade dans la conduite 29.
Si on déplace le levier 35 dans le sens plus de la flèche 71, la tige se déplace dans le sens plus de la flè- che 72* Le ressort 46. reçoit ainsi une tension de compression, de sorte que le point d'articulation 43 se déplace également dans le sens plus de la flèche 72, selon le déplacement du liquide dans le dispositif à frein , de la face inférieure du piston 58 vers la face supérieure en passant par l'étran- glement 59. Etant donné que l'articulation 41 reste tout d'a- bord au repos, le tiroir distributeur 49 se déplace dans le sens plus de la flèche 73. De ce fait, du liquide sous pres- sion s'écoule de la conduite 50 par la conduite 74 dans la cham- bre de cylindre 52 située au-dessous du piston 53.
Le piston
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est déplacé dans le sens plus de la flèche 76 et le liquide ainsi déplacé de la chambre supérieure est envoyé par la conduite 75 à l'échappement 51. par suite du déplacement du piston 53 du servomoteur, la tension de traction déjà existante du ressort 56 est augmentée et le tiroir distributeur 57 est tiré vers le haut. Il en résulte une communication entre la conduite d'arrivée 61 et la chambre de commande 63. Par admission de liquide sous pression, la pression de commande dans la chambre 63 est augmentée, Jusqu'a ce que lu charge de pression augmentée sur le tiroir 64 fasse équilibre, dans la position médiane du tiroir, à la tension de truction augmentée du ressort-56, auquel cas les lumières de distribution des conduites 61 et 62 sont fermées.
IM pression de commnande augmentée régnant dans la cmasbre 63 eat transmise par la conduite 32 dans la chambre de commande 67 du servo-moteur 31, et par la conduite 38 dans la chambre de commande 70 du servo-moteur 39. La pression de commande au memtée régnant dans la chambre 67 repousse le piston 65 vers le bas, de sorte que la section de passage dégagée par l'organe régulateur 30 est diminuée. La capacité d'absorption de la turbine de puissance utile est-de ce fait diminuée.
Si l'augmentation de la pression de commande dans les conduites 32 et 38 après la fermeture complète de l'organe régulatour 30 peut surmonter la pression du ressort 69 dans le servo-moteunr 39,l'organe régulateur 37 est soulevé de sur son siège. Il se produit unen augmentation de la capacité d'absorption de la turbine des compresseurs. La vitesse angulaire de la turbine des compresseurs est augmentée dans une mesure accélérée, de sorte que les compresseurs augmentent également de façon accélérée les pressions dans le circuit et, de ce fait, la puissance utile est augmentée en un temps
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plus court.
Tout sur-réglage et tout "pompage" corrélatif du réglage sont empêchés à l'aide de l'accouplement à frein ' @ 55, qui agit comme asservissement souple et amorce, dès le début du déplacement de réglage, un mouvement d'asservissement.
De ce fait, la valeur assignée réglée peut être maintenue sans irrégularité permanente. Pendant le déplacement du piston 53, du servo-moteur, le piston à frein-.. 58 se déplace dans'le sens plus de la flèche 76. L'articulation 43 du levier 42 est ainsi déplacée dans la direction opposée à la direction de déplacement primitive, de sorte que le tiroir de distribution est ramené vers sa position médiane, dans laquelle les lumières de distribution des conduites 74 et 75 sont fermées.
L'asservissement définitif du processus de réglage s'effectue alors sur l'installation elle-même, tandis que l'asservissement du dispositif élastique se dégage. Lorsque les pressions augmentent dans le circuit, 'la capsule manométrique 40 se dilate. L'articulation 41 du levier 42 se déplace vers le haut. L'articulation opposée 43 du levier est repoussée dans la position dans laquelle le ressort 46 est détendu.
Le dispositif régulateur vient alors au repos lorsque la capsule manométrique 40 a amené le tiroir de distribution 49 dans la position médiane, le ressort 46 étant détendu. Le niveau des pressions dans le circuit correspond alors à la valeur assignée réglée par le levier 35. Par suite de l'asservissement élastique, 'il correspond en tout temps à chaque position de levier une seule valeur corrélative à celle-ci pour le niveau des pressions, et également ainsi pour la puissance utile.
S'il se produit une augmentation de la pression au delà de la valeur assignée, l'articulation 41 est déplacée dans le sens moins de la flèche 73 à l'aide de la capsule
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manométrique 40. Le tiroir de distribution. 49 relie alors la conduite 50 avec la conduire 75. Le piston du servo-moteur 52 est déplacé dans le sens moins de la flèche 76 et le ressort 56 est détendu, de sorte que le tiroir de distribution 57 glisse également vers le bas. Du liquide peut s'échapper de la chambre de commande 63, de sorte que la pression de commande régnant dans les conduites 32 et 38 est diminuée en conséquence. Do ce fait, la section de passage à l'endroit de la soupape 30 est augmentée et une quantité augmentée d'agent moteur est retirée du circuit.
La vitesse angulaire de la turbine des compresseurs et des compresseurs actionnés par elle diminue, de sorbe que le niveau des pressions dans le circuit baisse jusqu'à ce qu'il corresponde de nouveau à la valeur assignée réglée par le levier 35. si le niveau des pressions dans le circuit baisse au-dessous ce la valeur assignée, le tiroir 49 est déplacé dans le sens plus de la flèche 73, à l'aide de la capsule manométrique 40, du levier 42 et de la tringlerie 48.
Le piston 53 du servo-moteur est alors soulevé et le ressort 56 tendu davantage, En corrélation avec l'augmentation de tension, il se produit une augmentation de pression dans les conduites de commande 32 et 38, de sorte que la section dégagée par la soupape 30 est; diminuée et que, le cas échéant, la soupape 37 est soulevée de sur son siége. Le prélèvement moindre d'agent moteur dans le circuit par la conduite 29 fait accumuler celui-ci dans le circuit et augmente la vitesse angulaire de la turbine des compresseurs et des compresseurs, jusqu'à ce que la pression ait de nouveau atteint la valeur assignée requise.
Pour diminuer la puissance, on déplace le levier dans le sens moins de la/flèche 71. Il en résulte des opérations de réglage correspondantes, toutefois en sens inverse. Le niveau des pressions dans le circuit est abaissé et la puissance
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de la turbine de puissance utile est diminuée en conséquence.
Le point de prélèvement de pression pour le maintien de l'état de pression peut aussi se trouver en d'autres points du circuit en lesquels la pression présente une valeur moindre.
L'invention est également applicable aux installations de turbines à gaz à circuit ouvert, dans lequel l'agent moteur ne parcourt qu'une seule fois l'installation. Si, dans une telle installation, il existe deux turbines parcourues en parallèle par l'agent moteur, dont l'une actionne, par exemple, les compresseurs et dont l'autre fournit la puissance utile, la répartition de l'agent moteur entre les deux turbines peut être réglée en fonction de la courbe des pressions de l'agent moteur dans l'installation.
REVENDICATIONS
1) Installation de turbines à gaz comportant au moins deux turbines parcourues en parallèle par 1'agent moteur, et dont l'une actionne au moins un compresseur et l'autre fournit la puissance utile, le réglage du fonctionnement étant effectué en réglant la répartition de l'agent moteur entre les deux turbines, installation caractérisée par le fait que la répartition de l'agent moteur est réglée en fonction des variations de pression de l'agent moteur.
2) Installation de turbines à gaz selon la revendication 1, caractérisée par le fait que la répartition de l'agent moteur en fonction de la pression de l'agent moteur est réglée en un point en lequel la courbe des pressions présente sa valeur maximum, au moins approximativement.
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