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Installation de turbines à gaz.
La présente invention est relative à une installa- tion de turbines à gaz dans laquelle une partie du fluide moteur gazeux, comprimé, dans au màins un compresseur et détendu dans un au moins une turbine, circule dans 'un cir- cuit dont on en retire continuellement une portion qui est détendudans au moins une turbine et dans lequel, en rem- placement de ce qui a été enlevé, on introduit de l'air à l'aide d'au moins un compresseur. L'invention est caractérisée par* le fait que la turbine qui fournit, la puissance utile est alimentée par la partie du fluide moteur retirée
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du circuit et actionne, en outre, au moïns un des compres- seurs.
Ces Installations de turbines a gaz conviennent en particulier pour actionner des navires parce que, dans le cas de ceux-ci, la vitesse en rotation de la turbine four- nissant la puissance utile augmente avec la charge.
De préférence, la turbine fournissant la puissan- ce utile actionne en même temps le compresseur qui intro- duit dans le circuit l'air de remplacement de la portion enlevée. Toutefois, dans des cas particuliers-, la turbine fournissant la puissance utile pourrait actionner également un des compresseurs du circuit.
La turbine fournissant la puissance utile peut être divisée en deux étages entre lesquels le fluide moteur est réchauffé dans un réchauffeur de gaz. Dans ce cas, les deux étages peuvent être constitués par des turbines sé- parées dans la canalisation de liaison desquelles se trou- ve un réchauffeur de gaz. Ces deux turbines sont alors accouplées l'une à l'autre mécaniquement.
On a représenté schématiquement un exemple de réa- lisation de l'objetde l'invention sur le dessin annexé.
L'air comprimé, par les compresseurs 1 et 2, avec refroidissement intermédiaire dans le réfrigérant 3, est envoyé, en partie par une conduite 4 à l'échangeur de cha- leur 5 et, pour l'autre partie, par une conduite 6, à l'échan- geur de chaleur 7. Les deux échangeurs de chaleur 5 et 7 montés en parallèle dans le courant d'air agissent comme réchauffeurs. On règle suivant les besoins la répartition de l'air entre les deux échangeurs au moyen d'organes de passage 8 et 9 montés dans les conduites 4 et'6. Les deux portions de l'air se réunissent à l'état réchauffé dans la conduite 10 pour être divisées- de nouveau, enll; en deux 'parties. L'une des parties va, par la conduite 12, dans l'ea.
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pace entourantlles tubes 13 du réchauffeur d'air 14.
A l'é- tat réchauffé, l'air comprimé arrive alors par la conduite.
15 dans la turbine 16 où il cède, en se détendant et se re- froidissant, une partie importante de son énergie.au rotor.
L'air détendu va, par la conduite 17, dans l'échangeur de chaleur 5 où il réchauffe, en passantdans les tubes 18, la portion de l'air comprimé arrivant par la conduite 4. En sor- tant de l'échangeur 5, l'air détendu cède une autre partie de sa chaleur résiduelle dans un système refroidisseur 19.
Ensuite, l'air revient,:par la conduite 20, au compresseur 1 pour y recommencer le cycle ci-dessus.
Du circuit de l'air, on retire continuellement, au point ll, une portion de celui-ci que l'on introduit, par la conduite 21, dans la chambre de combustion 22 du réchauf- feur d'air 14. Il y sert. à brûler le combustible pulvérisé par le brûleur 23. Le mélange 'd'air et de gaz de. la combus- tion s'en va alors par les tubes d'échange de chaleur 13, ce qui chauffe l'air circulant dans le circuit. Après échange d'une partie de sa chaleur, le mélange gazeux va, par la con- duite 24, dans la turbine 25, et ,de celle-ci, il va, par la conduite 26, dans l'échangeur de chaleur 7. En passant dans les tubes 27 de l'échangeur de chaleur 7,, une partie de la chaleur résiduelle du mélange gazeux est transmise à la portion de.l'air comprimé du circuit passant dans la conduite 6.
Après avoir quitté l'échangeur de chaleur 7, le mélange ga- zeux va, par la conduite 28, en d'autres points d'utilisation non représentés, par exemple, un récupérateur de chaleur, ou bien il S'en va directement à l'air libre.
Pour remplacer- la partie de l'air retiré.e du circuit au point 11, le compresseur 29 prend de l'air dans l'atmosphè- re, le comprime et'l'introduit par la conduite 30 dans la con- duite 31 du circuit reliant l'échangeur de chaleur 5 au dispo- sitif réfrigérant 19. En fonctionnement à charge normale
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le compresseur 29 comprime l'air à environ 3 atmosphères de suroression et celui-ci arrive à cette pression dans le compresseur à basse pression 1. A la sortie du compresseur à haute pression 2, l'air du circuitest. comprimé à une pression finale d'environ 12 atmosphères de surpression.
L'air arrive à cette pression dans la turbine 16 pour s'y détendre, en fournissant de la puissance, et. revenir à la pression primitive d'environ 3 atmosphères de surpression.
Pour modifier la puissance, on modifie la pression finale de compression dans la conduite 3, en modifiant par exemple la vitesse de rotation du compresseur 29 ou en réglant son appareil directeur ou en réglant un organe d'étranglement 1'.
En marche à vide, l'air de remplacement pénètre à environ 0,2 atmosphères de surpression dans le circuit du fluide moteur, par la conduite 30 et, pour la surcharge maximum, à environ 3,5 atmosphères de surpression. Les prcssions maxima dans le circuit s'établissent alors à la sortie du compresseur 2, à 3 à 16 atmosphères de surpression. Le rapport de compression dans le circuit dhange donc également de ce fait lorsque la puissance varie et, pour une faible puissance, il est sen- siblement plus petit que pour une grande puissance. En modi- fiant le rapport de compression dans le circuit, on augmenta sensiblement la zone de réglage sans qu'il se produise d'in- convénients au point de vue économique.
Si l'on peutrenoncer à des rendements particulièrementélevés,on peut encore aug- menter davantage la puissance de l'installation en portant la pra@cion de l'air de remplacement, déjà à charge normale, par exemple à 4 ou5 atmosphères de surpression. La pression maximum dans le circuit à charge normale s'élèvera alors éga- lement à plus de 16 atmosphères, par exemple à 20 atmosphères de surpression eu encore davantage.
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'La turbine 16 alimentée par l'air du.circuit ac- tionne les compresseurs 1 et 2 du circuit. Au groupe de ma- chine 1,2 et 16, est encore accouplée une machine' auxiliaire électrique 32 qui, suivant les besoins,'peut fonctionner en moteur ou en génératrice , et. ainsi peut servir pour le dé'- marrage de l'installation et'pour compenser un manque de puis- sance ou un excès de puissance de la turbine 16. La turbine
25 alimentée par le mélange gazeux du réchauffeur d'air four- nit la puissance utile. Elle-actionne, par l'intermédiaire de la transmission 33. et'de' l'arbre' 34, une hélice de navire 35 qui est faite sous forme d'éhélice réglable.
En même temps, la turbine 25 act.ionne également le compresseur 29 intro- duisant l'air de remplacement dans le circuit.
La turbine 25 pourrait être divisée en deux étages entre lesquels le,mélange gazeux est encore chauffé dans un réchauffeur de gaz. Dans certains cas, ces étages pourraient être constitués par des turbines distinctes ,accouplées mé- caniquement l'une à l'autre. Le réchauffeur de gaz serait alors monté dans la conduite de liaison. Le réchauffeur de gaz peut, en ce cas, consister en une chambre de combustion simple dans laquelle brûle du combustible au moyen de l'oxy- gène encore contenu dans le mélange gazeux. Au moyen de la turbine 25, fournissant.la puissance utile, on pourraiten- core actionner éventuellement un des compresseurs 1 ou 2 du circuit. Le compresseur 29 fournissant l'air de remplacement' devrait alors être actionné par une aatre turbine ou par la turbine-16.
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Installation of gas turbines.
The present invention relates to a gas turbine installation in which part of the gaseous working fluid, compressed, in the hand a compressor and expanded in at least one turbine, circulates in a circuit from which it is withdrawn. continuously a portion which is expanded in at least one turbine and in which, in place of what has been removed, air is introduced by means of at least one compressor. The invention is characterized by * the fact that the turbine which provides the useful power is supplied by the part of the working fluid withdrawn
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of the circuit and also operates one of the compressors.
These gas turbine installations are particularly suitable for operating ships because, in the case of these, the rotational speed of the turbine providing the useful power increases with the load.
Preferably, the turbine providing the useful power simultaneously actuates the compressor which introduces into the circuit the air to replace the removed portion. However, in particular cases, the turbine supplying the useful power could also actuate one of the compressors of the circuit.
The turbine providing the useful power can be divided into two stages between which the working fluid is heated in a gas heater. In this case, the two stages can be formed by separate turbines in the connecting pipe of which there is a gas heater. These two turbines are then coupled to one another mechanically.
An exemplary embodiment of the object of the invention has been shown schematically in the accompanying drawing.
The compressed air, by compressors 1 and 2, with intermediate cooling in the refrigerant 3, is sent, partly through a pipe 4 to the heat exchanger 5 and, for the other part, through a pipe 6 , to the heat exchanger 7. The two heat exchangers 5 and 7 connected in parallel in the air stream act as heaters. The distribution of the air between the two exchangers is adjusted as required by means of passage members 8 and 9 mounted in the pipes 4 and '6. The two portions of the air meet in the warmed state in line 10 to be divided again, enll; in two parts. One of the parts goes, through line 12, into the water.
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space surrounding the tubes 13 of the air heater 14.
In the heated state, the compressed air then arrives through the pipe.
15 in the turbine 16 where it yields, by relaxing and cooling, a significant part of its energy to the rotor.
The expanded air goes, through line 17, into heat exchanger 5 where it heats, passing through tubes 18, the portion of the compressed air arriving through line 4. Leaving exchanger 5 , the expanded air gives up another part of its residual heat in a cooling system 19.
Then, the air returns,: through line 20, to compressor 1 to start the above cycle there again.
From the air circuit, a portion of the latter is continuously withdrawn, at point ll, which is introduced, via line 21, into the combustion chamber 22 of the air heater 14. It is used there. . in burning the fuel atomized by the burner 23. The mixture of air and gas. the combustion then goes through the heat exchange tubes 13, which heats the air circulating in the circuit. After exchanging part of its heat, the gaseous mixture goes, via line 24, into turbine 25, and, from the latter, it goes, via line 26, to heat exchanger 7. Passing through the tubes 27 of the heat exchanger 7 ,, a part of the residual heat of the gas mixture is transmitted to the compressed air portion of the circuit passing through the pipe 6.
After leaving the heat exchanger 7, the gas mixture goes, via line 28, to other points of use not shown, for example, a heat recovery unit, or it goes directly to open air.
To replace the part of the air withdrawn from the circuit at point 11, the compressor 29 takes air from the atmosphere, compresses it and introduces it through line 30 into line 31. of the circuit connecting the heat exchanger 5 to the refrigerant device 19. In operation at normal load
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the compressor 29 compresses the air to about 3 atmospheres of overflow and the latter arrives at this pressure in the low pressure compressor 1. At the outlet of the high pressure compressor 2, the air in the circuit is. compressed to a final pressure of about 12 atmospheres of overpressure.
The air arrives at this pressure in the turbine 16 in order to relax there, providing power, and. return to the original pressure of about 3 atmospheres of overpressure.
To modify the power, the final compression pressure in the pipe 3 is modified, for example by modifying the speed of rotation of the compressor 29 or by adjusting its steering apparatus or by adjusting a throttle member 1 '.
In idle operation, the replacement air enters at about 0.2 atmospheres of overpressure into the working fluid circuit, through line 30 and, for maximum overload, at about 3.5 atmospheres of overpressure. The maximum pressures in the circuit are then established at the outlet of compressor 2, at 3 to 16 atmospheres of overpressure. The compression ratio in the circuit therefore also changes as the power varies, and for low power it is significantly smaller than for high power. By changing the compression ratio in the circuit, the range of adjustment is substantially increased without causing any inconvenience from an economic point of view.
If particularly high efficiency can be dispensed with, the power of the installation can be further increased by increasing the supply of replacement air, already at normal charge, for example to 4 or 5 atmospheres of overpressure. The maximum pressure in the circuit at normal load will then also rise to more than 16 atmospheres, for example 20 atmospheres of overpressure and even more.
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The turbine 16 supplied with air from the circuit drives compressors 1 and 2 of the circuit. To the machine group 1, 2 and 16, there is also coupled an 'auxiliary electric machine 32 which, as required,' can function as a motor or as a generator, and. thus can be used to start the installation and to compensate for a lack of power or an excess of power of the turbine 16. The turbine
25 fed by the gas mixture of the air heater provides the useful power. It operates, through transmission 33 and 'shaft' 34, a ship propeller 35 which is made as an adjustable propeller.
At the same time, the turbine 25 also actuates the compressor 29 introducing the replacement air into the circuit.
The turbine 25 could be divided into two stages between which the gas mixture is further heated in a gas heater. In certain cases, these stages could be constituted by separate turbines, mechanically coupled to one another. The gas heater would then be mounted in the connecting pipe. The gas heater can, in this case, consist of a single combustion chamber in which fuel is burnt by means of the oxygen still contained in the gas mixture. By means of the turbine 25, supplying the useful power, one could possibly also actuate one of the compressors 1 or 2 of the circuit. The compressor 29 supplying the replacement air would then have to be driven by another turbine or by turbine-16.