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Perfectionnements aux installations de turbine à combustion interne
Cette invention se rapporte aux compresseurs dtair ou de gaz à flux axial étapes multiples, et plus particulièrement mais non exclusivement ceux qui font partie ou sont susceptibles de faire partie dtune installation de turbine à combustion interne, appelée parfois aussi installation de turbine à gaz, où. la turbi- ne actionne le compresseur soit directement soit par l'intermédiai- re d'engrenages, de manière que la vitesse du compresseur soit toujours égale à celle de la turbine ou en rapport direct avec celle-ci. Le compresseur comprend des parties basse pression et haute pression, chacune présentant une série d'étages d'aubes, et refoule l'air ou le gaz dans une chambre de combustion d'Où les produits de la combustion sont envoyés dans la turbine.
Dans les compresseurs à flux axial, il est désirable
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dans certains cas d'avoir recours à des prélèvements d'air à un étage intermédiaire du compresseur, comme il est recommandable de le faire pendant la mise en marche de l'installation en vue d'éviter qu'il se produise une "stase" du compresseur lorsqu'on se trouve dans les conditions qui se présentent au démarrage.
Suivant la'demande de brevet anglais N 3984 de 1942 -le prélèvement d'air est effectué automatiquement par des soupapes commandées par force centrifuge, qui sont normalement rappelées dans la position d'ouverture et commencent à se former sous l'action de la force centrifuge lorsque la vitesse atteint une valeur'prédé- terminée, pour rester fermées aux grandes vitesses. Suivant une variante, le prélèvement peut être effectué par l'emploi de sou- papes d'évacuation fonctionnant sous l'action d'une pression pour se fermer lorsque la pression atteint une valeur prédétermi- née.
Pour un exposé plus complet de la nécessité du prélèvement en question, on se reportera au Brevet précité,
Suivant la présente invention, on obtient les mêmes résultats ou des résultats semblables, en tirant profit, soit après suppression des soupapes d'évacuation ou soupapes à com- mande centrifuge, soit en complément de celles-ci, des caractéris- tiques de circulation propres aux tuyères convergentes-divergen- tes, de manière à diminuer la proportion d'air prélevée lorsque le degré de pression dépasse la valeur maximum du débit.
Il est évidemment bien connu en soi qu'une tuyère con- vergente-divergente, dont le diffuseur agit efficacement, assure sous des différences de pressions très faibles, un écoulement se rapprochant de celui qui pourrait être obtenu à travers une tuyè- re simple de même diamètre que l'extrémité de sortie de la tuyère convergente-divergente. Toutefois,,'dans le cas d'une tuyère con- vergente-divergente, l'écoulement critique est atteint à l'étran- glement de celle-ci pour des rapports de pressions considérable-
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ment inférieurs au rapport de pressions critique d'une tuyère simple.
Ainsi, le degré d'écoulement sous un faible rapport de @ pressions donné à l'écoulement sous un rapport de pressions élevé déterminé est beaucoup plus grand dans le cas d'une tuyère conver- gente-divergente que dans le cas d'une tuyère simple. Ainsi, en d'autres termes, dans le cas du débit d'un gaz à travers une tuyè- re simple, le degré de débit augmente lorsque le rapport de la pression d'entrée à la pression de sortie croit jusqu'à ce que le rapport critique soit atteint, après quoi.il n'y a plus dtaug- mentation sensible du degré de débit.
Ainsi, dans le cas d'un débit de gaz à travers une tuyere convergente-divergente, lors- que le rapport des pressions est faible,le débit est approximati- vement réglé par le diamètre de l'extrémité de sortie de la tuyè- re, tandis que pour un rapport de pressions plus élevé la vitesse critique est atteinte à l'étranglement de telle sorte que le degré d'écoulement est limité, le rapport des pressions aux extrémités,' d'entrée et de sortie de la tuyère 1 dans ces conditions, étant inférieur au degré de pressions critique pour une tuyère simple.
Ainsi, l'utilisation suivant la présente Invention, d'une ou de plusieurs tuyères convergentes-divergentes fixées à un ou plusieurs étages intermédiaires du compresseur, a pour ré- sultat de réduire la proportion de la quantité totale d'air pré- levée lorsque le rapport des pressions ou la vitesse du compres- seur augmente,mais l'allure de cette réduction commence à s'éle- ver rapidement lorsqu'il s'agit d'une tuyère convergente-diver- gente à un rapport de pressions plus faible que dans le cas d'une tuyère simple.
Ainsi, une série de tuyères convergentes-divergentes dirigées radialement, ou recourbées de façon à être dirigées en arrière par rapport au sens du mouvement de 1 taxe du compres- seur, peuvent être réparties circonférentiellement autour de @
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l'enveloppe externe du compresseur, ou être raccordées à un collecteur annulaire par la partie formant l'étranglement et le diffuseur. Si les tuyères de prélèvement sont établies à deux étages du compresseur les tuyères du premier étage peu- vent être montées en série avec celles des étages subséquents, de telle manière que lorsqu'un degré de pression déterminé est atteint, l'écoulement est arrêté à travers les trous ou les ceintures de prélèvement, sauf à la pression maximum.
Dans ce case la chute de pression dans la tuyère entre deux étages intermédiaires est égale à la différence de pression entre les deux étages ainsi soumis au prélèvement.
Au lieu de combiner les tuyères de prélèvement avec l'enveloppe externe du compresseur, on peut les disposer, ou en disposer une, à l'intérieur du rotor, ou, s'il s'agit de compresseurs à contre-rotation, à l'intérieur du rotor interne, et le rotor ou le rotor interne peut être combiné avec un éta- ge de compresseur centrifuge inverse qui alimente la tuyere, de préférence montée axialement à l'intérieur du compresseur, à partir de l'étage de prélèvement à flux axial. Le compresseur inversé affecte la forme de pales radiales qui ont pour effet de supprimer le tourbillonnement. Une partie de l'air ainsi prélevé est détournée en vue d'assurer le refroidissement des roulements à billes du compresseur.
L'air passant à travers la tuyère peut avantageusement être envoyé à l'entrée du premier étage comme c'est indiqué sur les Figs. 1 et 3 du Brevet préci- té et décrit avec référence à ces figures.
Afin de bien faire comprendre l'invention dans tous ses détails, on la décrira ci-après en se référant aux dessins annexés, dans lesquels:
Figure 1 est une coupe schématique d'une tuyère con- vergente-divergente, et Figures 2, 3 et 4 sont des demi-coupes @
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verticales purement schématiques de trois modes d'exécution de l'invention donnés à titre d'exemples.
Une description complète de la tuyere convergente-di- vergente a été donnée dans le préambule, de telle sorte qu'il suffira de signaler maintenant en'se référant à la Fig. 1 que
A est l'entrée de la tuyère, B l'étranglement et C l'extrémité de,sortie de la tuyère, la direction du flux de gaz étant indi- quée par la flèche.
La Fig. 2 montre deux tuyères 1 et 2 du genre représen- té sur la Fig. 1, situées à deux étages différents du compres- seur indiqué d'une façon générale en 3. Les pièces 4- peuvent présenter chacune la forme de cylindres radiaux montés sur des ouvertures de prélèvement pratiquées dans l'enveloppe fixe ex- terne du compresseur, ou bien elles peuvent être établies sous forme de conduits annulaires, appelés parfois collecteurs, com- portant chacun une série de tuyères à étranglement distinctes qui y sont réparties circonférentiellement.
Fig. 3 représente la disposition mentionnée dans le préambule,,' où deux tuyères divergentes la et 2a sont en série, les collecteurs 4a (qui peuvent être annulaires) étant raccordés aux orifices de prélèvement de ltenveloppe externe fixe du com- presseur par les tuyaux ou conduits annulaires 5.
Enfin, la Fig. 4 montre une tuyère de prélèvement convergente-divergente unique 1b disposée axialement à l'inté- rieur du rotor du compresseur ou, si ce dernier est du type à contre-rotation, à l'intérieur du rotor interne, la vue schéma- tique de la Fig. 4 représentant ces deux cas. Le rotor (ou rotor interne) est conjugué avec un étage de compresseur centrifuge inversé 6, qui alimente la tuyère 1b, disposée de préférence axia- lement comme c'est représenté. On constatera que l'air prélevé passe à travers les passages ou le passage annulaire 7, pour se
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rendre au compresseur inversé 6. Ce dernier peut être pourvu d'aubes radiales 8 sur sa partie interne pour éviter les remous de l'air.
Sur la Fig. 4, le rotor, ou le rotor interne, est re- présenté comme étant supporté par un disque en "col de cygne,, 9 sur l'arbre, lequel n'est toutefois par représenté, et on a indi- qué partiellement en 10 la boite de palier supportée au moyen d'un disque 11 par une partie fixe d'entrée 12 de l'enveloppe du com- presseur 3.
Une partie de l'air qui quitte la tuyère 16 peut pas- ser à travers la partie interne de la pièce 9 pour assurer le re- froidissement du palier 10, tandis qu'une autre quotité d'air venant,de la tuyère 16 peut passer à travers des tro.us13 de la pièce en col de cygne 9 pour refroidir la surface externe du pa- lier du compresseur et se rendre aussi comme c'est indiqué par la flèche 14, dans l'extrémité d'entrée de l'étage de compresseur représenté 3, d'une faon générale de la manière et dans le but décrits dans ls Brevet précité.
En outre, une certaine quantité de l'air venant du com- presseur inversé 6 peut, comme l'indique la flèche 15, être envoyée par exemple à travers un conduit, comme ctest indiqué en 16, pour refroidir le palier de la turbine, dans le cas où le compresseur auquel la présente invention est appliquée est actionné par une turbine à gaz (non représentée).