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Perfectionnements aux installations de turbines à combustion in terne.
Cette invention se rapporte à une installation de turbine à combustion interne, appelée ci-après installation de turbine à gaz, dans laquelle la turbine actionne un compres- seur d'air à courant axial à étages mumtiples, soit directement soit par l'intermédiaire d'engrenages, de façon que la vitesse du compresseur soit toujours la même que celle de la turbine ou soit en fonction directe de celle-ci; ce compresseur qui comporte des sections à basse pression et à haute pression ayant chacune plusieurs étages d' aubes, débite dans une cham- bre de combustion, d'où les produits de la combustion sont en- voyés à la turbine.
Pour qu'une telle installation ait le ren- dement voulu, il faut que la turbine et le compresseur, en ce qui concerne plus particulièrement leur aubage, soient suscepti- bles tous deux de tourner à une vitesse prédéterminée de telle
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sorte qu'il se produit des difficultés lorsoue la turbine et le compresseur tournent à une vitesse inférieure à la vitesse optimum pour laquelle ils sont construits. Un compresseur d'air à courant axial fonctionne d'une façon satisfaisante à une vitesse prédéterminée sur une gamme très limitée des quantités d'air.
Lorsque les quantités sont plus élevées que la normale, la, pression au refoulement tombe rapidement, tendis que pour des quantités d'air quelque peu inférieures à la normale le compresseur devient instalble, par suite d'une sorte de stase, ce qui entraîne une chute considérable de la pression de re- foulement et du rendement. En outre, la turbine est établie de manière que la quantité d'air conjointement avec les produits de combustion qu'elle peut absorber en les recevant du compres- seur via la. chambre de combustion, est comprise dans les limi- tes de fonctionnement efficace du compresseur sensiblement à la vitesse normale.
Toutefois lorsque la vitesse diminue de plus en plus en-dessous de la normale, la capacité"dabsorption" de la turbine est réduite dans une plus grande mesure oue le débit naturel du compresseur ce qui a pour résultat qu'en-dessous d'une vitesse donnée l'installation cesse de fonctionner d'une façon satisfaisante, par suite de la. stase du compresseur. Cette stase du compresseur auxfaibles vitesses s'amorce dans l'aubage à l'extrémité d'entrée du compresseur, car à des vitesses aussi faibles le rapport de compression et par conséquent aussi le rapport des volumes d'air aux extrémités d'entrée et de sortie est réduit. La surface de l'aubage à basse pression est trop grande pour la quantité d'air passant à travers l'aubage à l'extrémité haute pression du compresseur et à travers la turbine.
Ces difficultés pourraient en elles-mêmes être atténuées si l'on faisait en sorte que des tuyères à gaz supplémentaires s'ouvrent dans la turbine, mais en pratique c'est difficile à réalisera ou bien on pourrait faire en sorte qu'une certaine quantité d'air soit évacuée à l'extrémité de refoulement du
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compresseur, mais cela donne lieu à une perte de rendement.
Un moyen plus satisfaisant-de résoudre la difficulté consi- dérée est d'évacuer urne certaine quantité d'air en un point intermédiaire du compresseur, de préférence en un point situé entre l'extrémité haute pression de la section basse pression du cpmpresseur et l'extrémité basse pression de la. section haute pression du compresseur, de manière que les aubes cor- respondant à la pression minimum du compresseur agissent sur une plus grande quantité d'air que les aubes à pression maxi- mum du compresseur et de la turbine.
Ce procédé peut en outre être réalisé facilement, comme il a été proposé précédemment en ce qui concerne l'enveloppe fixe du compresseur, en aména- geant dans celle-ci des lumières commandées par des soupapes dont l'ouverture peut se faire dans des mesures variables soit à la main soit automatiquement, lorsque la vitesse tombe en- dessous d'une valeur prédéterminée. Toutefois, lorsque le com- presseur d'air est-du type à contre-rotation, ce procédé ne peut guère être appliqué à l'enveloppe externe, étant donné que celle-ci tourne. La présente invention est applicable plus particulièrement, mais non exclusivement, aux compresseurs d'air à contre-rotation.
Suivant l'invention, tenant compte des considérations qui précèdent, un dispositif agissant automatiquement est éta- bli sur l'enveloppe porte-aubes rotative interne du compres- seur, de manière que de l'air puisse être évacué ou soutiré d'un étage intermédiaire, soit simplement dans l'atmosphère ou de préférence par un ou plusieurs conduits menant à l'extré- mité d'entrée d'air du compresseur.
Ce dispositif peut être amé- nagé soit seul, soit en plus d'un dispositif établi sur l'en- veloppe externe pour évacuer de l'air d'un étage intermédiaire du compresseur lorsque l'enveloppe externe avec les couronnes d'aubes correspondantes constitue un système fixe, et il est clair que la quantité d'air évacuée, suivant la présente in-
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vention est plus grande que celle qui peut être retirée d'une autre manière connue en soi uniquement pour l'évacuation de "couches limitrophes".
Pour réaliser l'invention suivant la disposition pré- férée on ménage dans l'enveloppe porte-aubes rotative interne (appelée parfois cylindre ou tambour) du compresseur, à un étage intermédiaire de celui-ci, une lumière ou une série de lumières à travers lesquelles l'excès d'air produit à l'étage intermédiaire aux faibles vitesses peut passer dans l'atmos- phère, ou par le conduit précité, et dans l'un ou l'autre cas à travers une ou plusieurs lumières dont 7.'ouverture peut être commandée par une ou plusieurs soupapes suivant la vitesse de rotation du compresseur.
La ou les soupapes sont de préfé- rence disposées de manière que la ou les lumières sont normale- ment entièrement ouvertes aux faibles vitesses et susceptibles de se fermer automatiquement et graduellement lorsque la vitesse augmente, et d'être entièrement fermées à une vitesse à la- quelle un fonctionnement satisfaisant de l'installation peut avoir lieu. A cet effet, une ou plusieurs soupapes peuvent être soumises à l'action de ressorts qui tendent à les repousser dans la position de complète ouverture et peuvent êtrecsoumises à l'action de dispositifs du type des régulateurs centrifuges qui peuvent affecter les formes ci-dessous décrites.
Le dispositif peut comprendre une seule soupape coopé- rant avec une série de lumières ou plusieurs soupapes agissant chacune sur une lumière correspondante, les lumières ainsi commandées étant de préférence établies dans une "cloison" disposée à l'intérieur de l'enveloppe rotor de manière à sépa- rer les lumières qui y sont établies de l'atmosphère ou du con- duit précité qui mène à l'extrémité d'entrée d'air du compres- seur. Lorsqu'il existe plusieurs soupapes elles peuvent fonc- tionner synchroniquement pour faire varier graduellement l'ou- verture des lumières en raison de la variation de la vitesse, ou
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bien elles peuvent être établies de manière à ouvrir les lu- mières consécutivement, auquel cas les soupapes peuvent fonc- tionner par déclic.
Les soupapes peuvent fonctionner en glissant au con- tact de la "cloison", mais de préférence elles fonctionnent en s'écartant et en se rapprochant de celle-ci. Dans le premier cas, la cloison peut être constituée par un anneau radial pour- vu de lumières axiales et dans le second cas un manchon cy- lindrique percé de lumières radiales peut être monté coa- xialement à l'intérieur de l'enveloppe rotor du compresseur; dans chacun de ces cas la cloison percée de lumières est de préférence reliée rigidement à l'enveloppe rotor du compresseur ou est même venue d'une pièce avec celle-ci.
Pour réaliser l'invention, une cloison percée de lu- mières est établie à l'intérieur de l'enveloppe rotor, et cette cloison est combinée avec une ou plusieurs soupapes qui font varier sous l'action de la force centrifuge le degré d'ouver- ture des lumières de la cloison.
Dans l'une des dispositions la cloison est un élément radial ou conique ou coaxialement cylindrique, et la soupape peut être un élément semblable conique ou en forme de rondelle, pourvu également de lumières, et les mouvements relatifs entre la cloison percée de lumières et la soupape peuvent être com-* mandés par des organes centrifuges soumis à l'action de res- sorts de rappel, ou bien la ou les soupapes peuvent être constituées par un ou plusieurs ressorts ou par des lames à ressort de rappel, comme il ressortira de la description ci- après.
Dans les dessins annexés :
Fig. 1 est une coupe verticale sous une forme conven- tionnelle de la moitié supérieure de l'extrémité ou section hau- te pression d'un compresseur d'air auquel un mode de réalisa- tion de l'invention est appliqué.
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Fig. 2 est une vue en bout, partiellement en coupe du dispositif représenté sur la fige 1,
Fig. 3 est une vue semblable à la fig. 1, montrant une variante établie suivant l'invention,
Fig. 4 est une coupe de la cloison cylindrique, sui- vant la ligne IV-IV de la fige 3.
Fig. 5 ast une coupe verticale d'une @utre variante de cloison percée de lumières suivant l'invention..'
Fig. 6 est une vue en bout partiellement en coupe du dispositif représenté sur la fige 5.
Fig. 7 est une coupe verticale et fige 8 une vue en bout d'une autre variante encore de l'invention.
En se référant d'abord aux figs. 1 et 2, 1 désigne l'enveloppe externe d'un étage ou d'une section à basse pres- sion d'un compresseur, portant les étages alternés d'aubes, comme c'est représenté, et± est l'enveloppe rotor portent les étages d'aubes intercalés comme c'est représenté. Il doit être entendu que l'enveloppe externe 1 peut être établie de manière à tourner en sens opposé de l'enveloppe rotor 2, dans un com- presseur à contre-rotation.
En 4 et 5 on a représenté des parois fixes consti- tuant l'entrée annulaire de l'air au compresseur ou à la sec- tion de compresseur. Une cloison 5a est venue d'une pièce avec l'élément annulaire 5 ou y est fixée et porte une pièce de sup- port ou boîte de roulenents 5b (représentée d'une manière pure- ment schématique) qui porté des roulements à billes 6 pour un arbre-manchon creux 7 qui s'évase en 7a pour se raccorder à une partie cylindrique 7b à laquelle est fixée ou avec la- quelle est venue d'une pièce une partie conique 7c pourvue d'une bride périphérique 7d qu'on boulonne à une bride 2a venue d'une pièce avec le cylindre rotor 2 ou fixée à celui-ci et pourvue d'une série de lumières8 réparties sur sa circonfé- rence.
La bride 2a percée de lumières constitue la cloison A ci-dessus mentionnée et elle est boulonnée à la bride interne
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d'un élément conique 9 venu d'une pièce avec l'enveloppe rotor du compresseur haute pression ou fixé à cette enveloppe dont une partie est indiquée en 10. L'extrémité de droite de l'en- veloppe 10 et l'extrémité de gauche de l'enveloppe rotor.2 sont établies sous la forme représentée et écartées l'une de l'autre comme c'est représenté pour laisser entre elles un conduit annulaire incliné ou une série de trous 11 à travers lesquels peut circuler l'air à détourner.
La partie 7b, 7b du manchon renferme un manchon ou cylindre interne 14 reposant sur des roulements à billes 12 et 13 et dans l'espace compris entre ce cylindre 14 et la partie 7b, 7b du manchon est disposé un ressort hélicoïdal 15, de préférence formé d'un fil métallique de section carrée dont l'extrémité de droite est ancrée en 7e au manchon 7b tandis que l'autre extrémité est ancrée en 14a au manchon 14. A l'ex- trémité de gauche 14b du manchon 14 est fixé par une ou plusieurs clavettes 16 et un écrou 17, le moyeu d'une roue dentée 18.
La roue dentée 18 engrène avec deux ou plusieurs pièces centrifuges non équilibrées 19, disposées symétrique- ment autour de la bride de rotor 2a de telle sorte que l'équili- bre dynamique du rotor dans son ensemble n'est pas altéré.
Chaque pièce 19 est tourillonnée sur un axe 20 avec coussinet 21, les axes 20 étant fixés par des écrous comme c'est repré- senté à la bride 2a de la cloison et les pièces 19. étant si- tuées en majeure partie dans un logement 2b de la bride 2a et recouvertes par la bride de l'élément 9.
Chaque pièce centrifuge 19 possède deux parties de jàntes dentées 19a et 19b, les dents de cette dernière engre- -nant la roue 18. La pièce 19, comme c'est représenté claire- ment sur la fig. 2, est pourvue d'un côté de l'axe d'une partie découpée et du côté opposé d'une partie massive ou masselotte 19c. Elle est en outre munie d'une saillie 19d qui peut osciller entre des butées 22 obtenues soit en décou-
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pant une partie de la, bride 2a. de la cloison soit en formant un évidement dans la bride de l'élément 9.
La soupape à lumières est représentée en 23 et elle présente la forme d'une rondelle annulaire, pourvue sur la. totalité (ou, comme c'est représenté, sur des parties) desa périphérie, de dents 23a qui sont en prise permanente avec les dents 19a de la pièce centrifuge 19. La soupape 23 présente à la partie formant moyeu denté 23b une surépaisseur cui prend appui dans la périphérie du logement 2b de la brid.e 2a de la cloison.
Comme il a été indiqué précédemment, les lumières de la soupape 23 sont amenées par le ressort 15 à coïncider avec les lumières 8 de la. cloison 2a de telle sorte que lorsque la. vitesse de rotation de l'installation est inférieure au minimum prédéterminé, de l'air est détourné par le conduit annulaire 11 et passe à travers les lumières 8 pour pénétrer dans un espace annulaire 24 limité par la, surface interne de la partie de droite de l'enveloppe rotor 2 et par une paroi évasée 25 dont l'ex-' trémité de gauche est pourvue d'un rebord 25a maintenu entre la. bride 2a de la. cloison et la bride 7d de l'arbre 7.
L'ex- trémité de droite de la. paroi annulaire 25 est recourbée comme c'est représenté en 25b et est de préférence pourvue d'un auba- ge directeur 25c, de telle sorte que l'air détourné est forcé de revenir en arrière dans l'entrée de la section à basse pression du compresseur par l'interstice 26 ménagé entre la paroi fixe 5 et l'extrémité de droite de l'enveloppe rotor 2 du compresseur. L'extrémité de droite 25b de la paroi 25 est établie sous une forme telle que l'air détourné peut produire l'effet d'un injecteur sur l'air admis, de manière à éviter ou réduire au minimum l'effet de stase, à savoir en dirigeant convenablement l'air détourné à l'intérieur du courant d'air principal dans l'étage ou la section basse pression du com- presseur.
En outre, les aubes directrices 25c peuvent être établies de manière à imprimer à l'air détourné une composante
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de vitesse relativement circonférentielle suivant l'angle de l'aubage de la première couronne d'aubes rotatives du compres- seur. En supplément ou en remplacement, l'aubage directeur 25c ou les pièces de délimitation (comprenant les extrémités de droi- te de l'enveloppe 2 et de la paroi 25) peuvent être établis sous une forme propre à diriger le flux d'air détourné légère- ment vers l'extérieur sous un angle tel qu'il se produit une zone annulaire ou espace mort, comme c'est indiqué par la ligne en traits Interrompus 27, aux extrémités radialement internes des aubes du compresseur, qui sont dans une certaine mesure inactives par rapport au flux d'air principal,
ce qui produit l'effet d'un raccourcissement de la hauteur des aubes en ré- duisant la surface annulaire effective de l'aubage offerte à l'entrée de l'air principal et au passage de cet air princi- pal au moins à travers les premières couronnes ou étages de l'aubage.
La disposition représentée sur les figs. 3 et 4 des dessins, à part quelques différences minimes, ne s'écarte de celle que montrent les figs. 1 et 2 qu'en ce que la cloison 2a percée de lumières des figures 3 et 4, au lieu d'être consti- tuée par une bride radiale, est formée d'une pièce cylindrique 28, pourvue de lumières curvilignes 28a, dont il existe quatre séries réparties axialement le long du cylindre 28 comme c'est représenté clairement sur la fig. 3 et consistant chacune en quatre lumières disposées en cercle comme le montre clairement la fig. 4.
Le cylindre 28 est établi séparément de l'enveloppe rotor 2 et y est fixé par des vis 29 passant à travers la bri- de 28b pour s'engager dans une pièce annulaire conique 30, dont l'extrémité de droite est fixée par des vis 31 au disque conique 32 dont une bride à l'extrémité externe est fixée par des vis à une oreille annulaire 2c ménagée sur l'enveloppe rotor 2.
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Le disque conique 32 fait partie de l'extrémité évasée 5 Sa. de l'arbre 32b du rotor 2 et est pourvu de lumières 32c à travers lesquelles l'air qui est admis à circuler à travers les lumières 28a de la cloison cylindrique 28 peut passer pour être ensuite guidé par la paroi 25d dont la périphérie externe passe dans l'interstice 26 entre la pièce fixe 5 et l'extrémité de droite de l'enveloppe rotor 2 d'une manière Qui peut être semblable à celle représentée sur la fig. 1 et décrite avec référence à celle-ci. La périphérie interne de la paroi 25d est vissée à la partie évasée 32a de l'arbre rotor 32b.
Sur la fig. 3, l'enveloppe rotor 2 est représentée comme étant pourvue à l'extrémité de gauche de la partie ou sec- tion basse pression d'une fente annulaire ou d'une série de trous 2d à travers lesquels l'air à détourner peut passer en 11,pour arriver ensuite par les trous 2e dans l'espace à l'intérieur de l'enveloppe rotor 2 du compresseur, comme c'est indiqué par les deux longues flèches.
Un autre cylindre perforé 33, est fixé à l'intérieur de la cloison cylindrique 28 par une bride 33a et les vis 29.
Les lumières 33b pratiquées dans le cylindre interne 33 sont décalées axialement par rapport aux lumières 28a de la cloison cylindrique 28.
La cloison cylindrique 28 est pourvue intérieurement d'une série d'oreilles radiales 28c qui servent de guides aux soupapes 34 qui sont au nombre de quatre comme c'est représenté clairement sur la fig. 3. Chaque soupape 34 a la forme d'un ressort en C et coopère avec une rangée périphérique de lumiè- res 28a de la cloison 28. Chaque soupape à ressort 34 embrasse de préférence un arc de près de 360 , ses extrémités adjacen- tes touchant, lorsqu'elle est contractée, les cotés opposés d'une butée 35 rivetée au cylindre perforé Interne 33 (ou à la cloison cylindrique 28), les ressorts, à l'état contracté, enserrant plus ou moins intimement le cylindre interne 33, le tout comme c'est représenté clairement sur les figs. 3 et 4.
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L'air détourné passe radialement à travers les lumières 33b du cylindre interne 33, puis prenant la composante axiale de la direction du flux s'échappe pour ainsi dire radialement à travers les 'lumières 28a de la cloison 28.
On comprendra que si la vitesse de rotation de l'ins- tallation augmente, les lumières 28a normalement ouvertes se ferment plus ou moins pour se fermer finalement complètement lorsque la vitesse atteint la valeur prédéterminée, en raison de la détente du ressort 34.
En vue d'assurer l'équilibre dynamique les lumières des soupapes à ressort 34, si celles-ci sont au nombre de deux ou davantage, sont réparties sur la périphérie uniformément dans la direction axiale le long de la cloison cylindrique 28.
Pour que chacune des soupapes à ressort 34 puisse lorsqu'elle est en complète extension, s'appliquer sur la sur- face interne de la cloison cylindrique 28, l'épaisseur radiale du ressort 34 peut varier, l'épaisseur la plus grande se trou- vant au milieu de sa longueur périphérique, comme on le com- prendra facilement.
Dans la disposition représentée sur les figs. 5 et 6 des dessins annexés, laquelle est une variante de celle repré- sentée sur les figs. 3 et 4, la cloison cylindrique 28 est représentée comme ayant une moindre longueur dans le sens axial et étant pourvue d'une rangée circulaire de quatre lumières 28a coopérant chacune avec une soupape centrifuge (non équilibrée) comportant une lame de soupape arquée sensi- blement rigide 36 venue d'une pièce avec une partie en forme de moyeu 36a, munie d'un coussinet 36b et portée par un axe 37 dont l'extrémité s'engage dans une perforation ménagée dans deux pièces en forme de rondelle 38 et 39 qui présentent des parties s'étendant axialement pour former pièces d'écartement 38a et 39a et sont fixées ensemble par une série de boulons 40.
Ceux-ci fixent les pièces 38 et 39 à une bride interne 28d de la cloison perforée 28. Les axes 37 sont montés dans des
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oreilles 38b faisant saillie radialement sur les pièces 38 et 39.
Entre les pièces 38 et 39 est également logée une piè- ce annulaire rotative 41 qui présente pour chacune des soupape une fourche radiale 41a recevant une broche 42 fixée à une partie s'étendant radialement vers l'intérieur 36c du moyeu de chaque soupape 36, dont la lame constitue la masse centri- fuge qui, lorsqu'une vitesse prédéterminéd est atteinte, est sollicitée vers l'extérieur pour s'appliquer à fleur de la surface interne de la cloison cylindrique 28, de manière à fer- mer ainsi les lumières 28a qui y sont ménagées. En-dessous de la vitesse prédéterminée les moyeux 36a, sont en contact avec le cylindre 28 agissant comme arrêt.
On comprendra qu'au lieu de la fourche 41a la pièce 41, à mouvement de rotation relatif, peut être pourvue de dents engrenant avec des dents correspondantes ménagées sur le moyeu de soupape en lieu et place de la broche 42 et de la partie 36c représentées.
La pièce à mouvement de rotation relatif 41 est rappe- lée par une paire de ressorts en C, 43 et 44, dont chacun est ancré à l'une de ses extrémités/notamment en 43a à la pièce 41, tandis que son'autre extrémité est ancrée comme c'est indiqué en 44a à la pièce 38, 39: la disposition est telle que l'équi- libre est obtenu pendant la rotation. On comprendra que les ressorts 43 et 44 ont une tendance naturelle à s'ouvrir vers l'extérieur et qu'ils se contractent vers l'intérieur sous l'action de la force centrifuge exercée sur les lames de sou- pape 36.
Toutefois, suivant une variante, on peut employer des ressorts qui tendent normalement à se contracter vers l'intérieur,'auquel cas chaque ressort, comme le représentent les figs. 7 et 8 en 43b et 44b, entre en contact à l'une de ses extrémités avec une butée fixe 45'tandis que son autre extré- mité est repoussée contre une butée 41b ménagée sur la pièce à mouvement de rotation relatif 41c qui est représenter comme possédant des dents 41d entrant en prise ainsi qu'il a été dit
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à propos d'une variante du dispositif représenté sur les figs. 5 et 6, avec des dents correspondantes ménagées sur les parties 36c du moyeu 36a des soupapes 36.
Sous tous les autres rapports, la disposition est la même que celle représentée sur les figs. 5 et 6, un ressort 'séparé pouvant, comme on s'en rendra compte, être employé pour rappeler chacune des soupapes dans la position normale. D'autre part, la disposition représentée sur les figs. 5 et 6 nécessite une soupape plus lourde 36 et/ou des ressorts plus légers 43 et 44, tandis que la disposition représentée sur les figs. 7 et 8 exige au contraire une soupape plus légère (non représentée) et/ou des ressorts plus puissants 43b et 44b.
REVENDICATIONS
1) Dans ou pour une installation de turbine à gaz telle ,que spécifiée, un compresseur d'air à étages multiples et à cou- rant d'air axial, caractérisé en ce qu'un dispositif fonction- nant automatiquement est aménagé en combinaison avec l'enve- ' loppe rotor interne de manière que de l'air soit évacué ou sou- tiré d'un étage intermédiaire du compresseur lorsque l'installa- tion tourne à une vitesse inférieure, ou sensiblement inférieu- re, à la vitesse optimum.