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Installation de turbine à gaz et compresseur dynamique rotatif applicable à celle-ci.
La présente invention est relative aux installations de turbines à gaz du type dans lequel un milieu de travail ga- zeux se trouve comprimé dans un ou plusieurs compresseurs dynamiques rotatifs, est ensuite réchauffé et se détend en- fin dansune ou plusieurs turbines en produisant de l'éner- gie dans cette ou ces dernières.
Dans de telles installations, une partie considérable de l'energie fournie par la, ou les turbines sert à la compres- sion du milieu de travail et toute reduction apportée au tra- vail de compression se traduira par une augmentation du tra- vail effectif. On sait que le travail de compression est d' autant moindre que l'est la température du milieu de travail. au début du processus de compression -si la on suppose inchan- gées les conditions, de pression-, si bien qu'il est d'usage de diviser ledit processus de compression en plusieurs étages. successifs et de soumettre le milieu de travail à un refroi- dissement dans l'intervalle desdits étages, refroidissement qui s'opère dans des refroidisseurs ad hoc.
Moyennant ce qu'on. appelle le "refroidissement intermédiaire", une réduction du travail de compression effectué dans les étages ultérieure
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de compression est obtenue par suite de la plus basse tempéra- ture et du plus faible volume spécifique qui en découlent.
La présente invention est basée sur la constatation que 1 avantage obtenu de cette manière est en réalité assez limiter comparé à l'accroissement du cot et de la complication entrat- né pour l'ensemble de l'installation par la présence des volu- @ mineux refroidisseurs intermédiaires et,.dans une mesure qui n'est pas négligeable, par la perte de pression subie à tra- vers lesdits refroidisseurs intermédiaires.
Si l'on veut opte- ni' 'Une diminution sensible de l'élévation de température du milieu de travail, considère du début à la fin du processus de compression totale,, il appartiendra d'éliminer une quanti- té considérable de chaleur, c'est-à-dire qu'il faudra absorber non seulement la quantité de chaleur strictement apportée pur la compression et correspondant à la compression adiabatique depuis le stade initial de la compression jusqu'à la compres- sion finsle, mais encore l'échauffement découlent des pertes par frottement et autres pertes se produisant dans le compres- seur.
Si l'on veut obtenir un coefficient de transmission ther- mique satisfaisant dans les refroidisseurs Intermédiaires et maintenir dans des limites raisonnables les dimensions de ces derniers, il est nécessaire de recourir à des vitesses assez considérables d'écoulement du milieu de trovail travers les refroidisseurs intermédiaire, mais ceci donne lieu à une perte de pression considérable qui a pour effet de réduire le rende- ment de l'installation et qu'il faut compenser par un accrois- sement (Le la compression,. avec l'augmentation de la températu- re qui en résulte.
Ces inconvénients sont évités suivant l'invention moyennant une disposition du compresseur -ou d'au moins un des compres- seurs- dens le cas où l'installation se trouve en comprendre plusieurs- lui permettant de pourvoir au refroidissement du milieu de travail pendant le cours même de la compression, L'évacuation, des quantités de chaleur contenues dans le milieu de travail se trouve par conséquent effectuée concurremment
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et simultanément au dévppement du processus de compression lui-même et de préférence suivant l'invention, dans une me- sure telle que la compression se produit Jusqu'au bout de fa- ón sensiblement isothermique.
En procédant ainsi à 11'abduction de la chaleur au fur et à mesure qu'elle se développe dans le milieu de travail on parvient à maintenir de fagon permanente la température et le volume spécifique du milieu de travail à un niveau considéra- blement plus bas qu'on ne serait en état de le faire dans le cas où la compression se produit en l'absence de réfrigération ou dans celui d'une compression polyétagée à réfrigération in- termédiaire et l'on aboutit par là même à réduire de façon im- portante le travail de compression totale.
La vitesse de dépla- cement du milieu de travail par rapport aux surfaces avec les- quelles il entre en contact au cours de sa compression est fort élevée si bien que,dans le cas où le refroidissement s'opère dans le compresseur même,, un transfert de chaleur extrêmement effectif peut être obtenu.
Le refroidissement nécessaire ne pour- ra donc être obtenu dans la plupart des cas que moyennant le refroidissement des parties du compresseur avec lesquelles le milieu de travail entrera en contact pendant sa compression,si bien que le milieu de travail n'aura plus à passer à travers des refroidisseurs spéciaux, ni à tre exposé, dans ces refroi- disseurs, à des pertes de pression*
Suivant la présente Invention,, l'intensité du refroidisse-- ment pourra être augmentée moyennant l'injection d'eau ou de tout autre liquide inactif dans le milieu de travail simulta.- nément ou préalablement à son passage dans un ou plusieurs compresseurs*.
Par compression de l'air dans des soufflantes centrifuges. il est connu de refroidir le carter de la soufflante dans le but d'obtenir une réduction de la température de l'air compri- mé, mais ce faisant, on n'obtient aucune réduction substantielle du travail de compression, lequel est effectué essentiellement dans le rotor dépourvu de refroidissement. L'emploi de compres-
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saura centrifuges à carter de refroidissement dans les instal- lations de turbines à gaz rendra par conséquent nécessaire 10 emploi d'une compression par étages avec refroidissement inter- médiaire au moyen de refroidisseurs Intermédiaires ad hoc.
La présente invention s'étend également à un compresseur dynamique rotatif prévu pour tre utilisé dans des installations de turbines à gaz suivant l'invention et où, par conséquent,il a été pourvu au refroidissement du milieu de travail durant sa compression. Le compresseur suivant l'invention est du type comportant au moins deux éléments à aubes en rotation l'un. par rapport à l'autre, par exemple un élément immobile à aubes de guidage et un élément à aubes mobiles montées sur un rotor ou bien deux éléments à aubes animés d'un mouvement de rotation en sens opposés,. conjugués ou non à des éléments immobiles à aubes de guidage.
Le compresseur est, suivant l'invention; caractérisé en ce qu'il comporte des moyens de refroidissement d'une partie considérable, ou de la totalité des aubes comportés par tous les éléments à aubes.
Il a pu étre établi que, moyennant le refroidissement de la totalité des aubes avec lesquelles le milieu de travail est por- té en contact durant la compression,, ou tout au moins moyennant le refroidissement d'une grande partie de ces aubes, il est pos- sible de prélever sur le milieu de travail une quantité de cha- leur suffisante pour que l'élévation de température subie par ce dernier durant sa compression se trouve diminuée en très large mesure et meme dans certaines conditions; totalement sup- primée, de sorte que sa compression s'effectue dans des condi- tions se rapprochant ou s'identifiant à celles d'une compression. purement isothermique exigeant le minimum de dépense d'énergie.
Le refroidissement des aubes peut être effectué avec la plus grande facilité, suivant l'invention) moyennant une disposition conférée à la totalité des parois comportant la présence d'aubes. ou aux éléments de support correspondant, disposition visant au refroidissement de la totalité ou bien d'une partie considérable de leur superficie et effectué de préférence au moyen d'un liquide
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refroidisseur se trouvant en contact avec la face desdites parois ou desdits éléments de support située du côté opposé à celui des aubes.
Cette disposition de refroidis- sement se réalise aisément en pratique, sans 'être par 'ailleurs exposée à ruptures,.. en dépit du nombre de tours habituellement très élevé caractérisant les compresseurs dynamiques rotatifs ; elle présente en outre l'avantage que les éléments supportant les aubes (les parois suppor- tant les aubes du compresseur), avec lesquels le milieu de travail se trouve également en intime contact à des vitesses relatives élevées, servant également de surfaces de refroidissement du milieu de travail.
suivant cette disposition, on doit 'être en mesure d'as- surer une évacuation sans obstacles de la chaleur absorbée par les aubes, évacuation qui,suivant l'invention, est ob- tenue moyennant un mode de fixation des aubes sur les pièces qui les supportent réalisé de telle manière que la résistan- ce offerte à la conductibilité thermique, au point de transi- tion entre aube et pièce de support, devienne plus petite ou pour le moins égale à la résistance opposée à l'évacuation de la chaleur s'opérant longitudinalement à travers l'aube. Ce résultat peut ''être obtenu en effectuant, sur l'un au moins, des éléments à aubes, la fixation par soudure des aubes à leur support, ou bien en faisant en sorte que les surfaces de contact entre la base de l'aube et son support,
soient de dimensions supérieures à la plus grande section transversale de la partie travaillante de l'aube, ou encore-), par la combi- naison de ces deux modes de fixation*.
Dans la recherche du refroidissement effectif du milieu de travail obtenue par le refroidissement des aubes, il est avan- tageux de faire contribuer substantiellement à l'évacuation de chaleur la totalité des éléments à aubes, ce qu'on peut ob- tenir tout particulièrement par une répartition passablement uniforme de la fonction compressive entre les divers éléments à aubes.
Dans un compresseur à deux éléments à aubes,on peut
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obtenir une telle uniformité dans la distribution en choisissant les angles des aubes de telle manière que le rapport d'augmenta- tion de la pression, calculé pour une section transversale opé- rée au milieu de la longueur active des aubes, s'établisse entre les valeurs de 0, 4 et de 2, 5, le rapport d'augmentation dési- gnant la proportion existante entre l'élévation de pression ob- tenue dans les deux rangées d'aubes successives du même étage.
Les dessins annexes,, se rapportant à une forme de réalisation de la présente Invention, sont donnés à titre d'exemple.
La figure 1 représente un graphique de rendement
La figure 2 représente schématiquement une forme de réalisa- tion d'une installation de turbine à gaz suivant l'Invention et
La figure 3 représente, schématiquement encore et à plus grande échelle, une coupe longitudinale opérée à travers une forme de réalisation d'un compresseur suivant l'invention.
Le mode de fonctionnement d'une forme de mise en oeuvre d' une installation de turbine à gaz suivant l'invention est illus- tré par le graphique de pression et de volume représenté sur la figure 1.
Le processus est supposé commencer au point a, avec une cer- taine quantité de milieu de travail , dont l'état est fourni par les coordonnées du point a. La première phase de son dérou- lement est celle d'une compression avec refroidissement simulta- né s'effectuant conformément à la courbe a-b-c. Pour la simpli- cité, on pourra considérer cette courbe comme une courbe isother- mique, et, en pratique, on s'efforcera, moyennant un réglage approprié du refroidissement, de faire coïncider le plus possible le déroulement du processus de compression avec la courbe isothermique. Après sa compression, le milieu de travail reçoit de la chaleur dans un échangeur de tem-- pérature à pression constante, la chaleur en étant fournie par les "gaz perdus' de l'installation.
Il en résulte une augmentation de volume, qui passe de c à f. Un second réchauffage est effectué dans une chambre de combustion,, ou dans une chaudière, portant ainsi le volume à pression
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constante passer de 1 à g. Partant de g, 'le milieu de travail se détend et produit l'énergie dans une turbine, conformément à la courbe g-h, qu'on pourra supposer 'être une courbe adiaba- tique Après quoi, il reçoit à nouveau de la chaleur dans une chambre de combustion ou dans une chaudière, ce qui détermine une augmentation du volume à pression constante,; qui passe de h à k.
Puis, le milieu de travail se détend à nouveau et pro- duit de l'énergie dans la turbine, comme indiqué par la courbe k-1, qu'on pourra également supposer être une courbe adiabati- que, et enfin, le milieu de travail détendu ,.constituant les gaz perdus@, abandonne de la chaleur en passant dans l'échan- geur dé température précédemment mentionné,, en quoi le volume à pression constante s'abaisse de 1 à m.
Dans les installations en circuit rectiligne, le point m se trouve par conséquent indiquer l'état où se trouve le milieu de travail à sa sortie de l'installation., tandis que dans les ins- tallations en circuit fermé, le milieu de travail, partant des conditions caractérisées par les coordonnées du point m, doit être ramené, par refroidissement, l'état initial qu'il présen- tait en a.
Sur le graphique, on a tracé les courbes a-d et b-c qui in- diquent le développement de la compression partant des mêmes conditions initiales et aboutissant à la même pression finale que celles observées précédemment, mais obtenu en deux étages,, avec refroidissement intermédiaire et sans l'application du re- froidissement opéré pendant la compression elle-même à chacun des étages. Les zones hachurées abd et bce, représentent l'éco- nomie de travail réalisée par l'application du refroidissement au cours même de la compression, suivant la courbe abc, au lieu que par le procédé du refroidissement intermédiaire..
A part le fait que, suivant l'invention, l'emploi de refroi- disseurs intermédiaires, volumineux et coûteux, est rendu super- flu,. on doit donc constater une réduction considérable du travail absorbé,par la compression et une augmentation dans la même mesu- re de l'énergie utile fournie par l'installation.
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La figure 2 représente schématiquement une forme de réali- sation d'une installation de turbine à gaz suivant l'invention, dans laquelle la compression est effectuée dans un seul compres- seur à refroidissement simultané et l'expansion dans deux tur- bines. La référence numérique 1 désigne le compresseur, dont A arbre 19 est accouple directement à la turbine 7 qui, dans 1' exemple de réalisation ici considéré, sert uniquement à 1'entrai- nement du compresseur. L'autre turbine 11 fournit le travail utile, son arbre 24 pouvant être accouplé directement ou inci- rectement à celui.d'un quelconque consommateur d'énergie, par exemple une hélice ou une génératrice d'électricité.
Le compresseur aspire de l'air atmosphérique à travers son tuyau d'aspiration 14 et comprime cet air en le refroidissant grâce à un courant d'eau de refroidissement fourni, par les tuyaux 15 et 16 respectivement, au rotor et au stator du com- presseur et ensuite évacué par les tuyaux 17 et 18. L'air com- primé est acheminé, moyennant un tube 2, vers un échangeur de température 3 dans lequel il s'écoule à travers un grand nombre de tubes relativement étroits 20 montés entre des plaques d'ex- trémité 21. Au cours de ce passage, l'air reçoit de la chaleur provenant des gaz perdus émis par l'installation et s'écoulant extérieurement aux tubes 20.
Quittant 1'échangeur de température 3, l'air surchauffé pénètre) à travers un tube 4, dans une cham- bre de combustion 5 dans laquelle une tuyère 22 injecte un com- bustible liquide qui est brûlé dans l'air dont il élève la température. Le mélange brûlant de l'air et des produits de combustion passe ensuite, à travers un tube 6, dans la turbine 7 ou, per son expansion,, il fournit l'énergie nécessaire à 1' entraînement du compresseur, puis, à travers un tube 8, dans une chambre de combustion 9, dans laquelle une seconde opération de chauffage est effectuée moyennsnt l'injection d'un combusti- ble liquide par une tuyère 23.
Le milieu de travail est ensuite.. conduit, àtravers un tube 10, à la turbine 11 où le travail utile est transmisl'arbre 24 et les gaz perdus., désormais détendus., traversent un tuyau 13 et passent dans 1'échangeur
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de température 3 avant de s'échapper par le tuyau 13.
une forme avantageuse de réalisation d'un compresseur uti- lisable dans une installation semblable ou analogue et compor- tant un mode de refroidissement s'opérant durant la compression, est illustrée sur la figure 3..Le compresseur ici représenté est du type axial comprenant des aubes de guidage immobiles et des aubes mobiles en rotation mais pourrait en lui-même et sans s'écarter pour cela du cadre de la présente invention, être constitué par un quelconque autre type de compresseur comprenant deux ou plusieurs éléments à aubes animés d'un mouvement de ro- tation l'un par rapport l'autre,
lesquels éléments compren- dront normalement plusieurs groupes d'ailettes et dans lequel le milieu de travail se propage le long d'une surface de rotation dont la section méridienne suit une ligne droite ou une courbe quelconque..
Dans la figure 3, les aubes de guidage 25 sont montées di- rectement l'intérieur du carter immobile du compresseur, tandis que la partie des parois dudit carter supportant les aubes est, extérieurement, complètement entourée par une chemise d'eau com- portant un raccord d'entrée 16 et un raccord d'évacuation 18 de l'eau de refroidissement. Le carter supporte des paliers 32 entre= lesquels pivote le rotor 27 du compresseur. Les aubes mobiles 28 sont fixées au rotor et la partie des parois du rotor supportant les aubes comporte un espace de refroidissement 29' parcouru par de l'eau acheminée de façon appropriée.
Dans la forme de réali- sation ici considérée, l'eau de refroidissement est conduite par un tube 15 introduit axialement à travers l'extrémité creuse 31 de l'arbre du rotor et s'écoUle à travers l'arbre creux se trou- vant recueillie par un écran entourant ce dernier.*
Le refroidissement des aubes est effectué, dans cette forme de réalisation, uniquement par conductibilité thermique s'opé- rant longitudinalement), à travers les aubes et dans les parois qui les supportent* Afin de réduire la résistance qui lui est opposée au point de transition entre aube et paroi de supporta les aubes sont fixées par soudure,
ou bien sont munies de bases
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dort la surface de contact avec la paroi qui supporte les aubes est pour le moins égale à la section des aubes
Si l'on veut obtenir un refroidissement suffisamment effi- cace, faire de la surface de refroidissement active doit être proportionnée de façon convenable par rapport à l'effet trans- formé dans le compresseur, Suivant l'invention, la totalité de l'aire F des surfaces de refroidissement et l'effet de compres- sion transformé N doivent satisfaire à l'équation
F = N x 0,001 dans laquelle F est exprimée en m2 et N en chevauxvapeur.
LA présente Invention n'est pas limitée à la forme de réali- sation représentée ci-joint et décrite précédemment, se rappor- tant au compresseur ou à l'installation complète. L'installation peut comprendre un ou plusieurs compresseurs et une ou plusieurs turbines associés de façon convenable. L'échangeur de températu- re entre les gaz perdus et milieu de travail pourra être inséré en d'autres points du circuit que celui indiqué, ou bien 'être totalement supprimé. L'échauffement du milieu de travail pour- ra s'opérer dans une seule chambre de combustion ou bien dans deux ou plus et la place des chambres de combustion, pourront 'être utilisées des chaudières ou des combinaisons de chaudières et des chambres de combustion assurant le chauffage indirect du milieu de travail.
Le circuit parcouru par le milieu de travail peut 'être constitué, comme indiqué plus haut, par un circuit rectiligne ou un circuit ferme, ou assumer des formes intermé- diaires entre ces deux systèmes.