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BREVET D'INVENTION.
INSTALLATION DE TUBINES A GAZ ET TURBINES UTILISEES.
Pour obtenir un haut rendement dans les installations de turbines à gaz, il est très important de prévoir l'admission du'fluide moteur dans la ou les turbines à une température aussi élevée que possible, Avec les turbines axiales, les plus habi- tuellement utilisées,on rencontre toutefois de grandes difficul- tés, pour les faire fonctionner à des températures élevées, car dans les premières rangées d'aubes, les bases de celles-ci sont soumises simultanément à la température élevée qui règne sur toute la longueur de l'aube et à des efforts importants prove- nant de la force centrifuge, Les 'turbines de ce type (la turbine axiale) sont d'autre part spécialement indiquées lorsqu'on utilise des températures modérées et des vitesses moyennes car elles ont un rendement élevé,
c'est pourquoi on les utilise si fréquemment. Un autre type connu de turbine est la turbine dite turbine Franois, dans laquelle l'admission aux roues du rotor se fait par la périphérie, en direction radiale, et l'échappe" ment est axial. Ce type de turbine est beaucoup mieux approprié aux grandes vitesses et aux températures élevées, mais il a un rendement inférieur à celui de la turbine axiale.
La présente invention concerne une installation de - turbines à gaz conçue de manière à utiliser à la fois les
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avantages de ces deux types de turbine, dans le but d'obtenir le rendement optimum de l'installation. L'invention consiste à utiliser en combinaison ces deux types de turbine dans une installation, dans laquelle la détente se produit dans deux ou plusieurs turbines disposées en série, c'est-à-dire de telle manière que la ou les turbines recevant d'abord le fluide soient des turbines du type Francis, à savoir dans lesquelles l'admission à la roue du rotor se fait par la périphérie et l'échappement est axial, tandis que la ou les turbines suivantes sont des turbines axiales.
La combinaison présente l'avantage d'utiliser la turbine axiale à haut rendement dans la zone pour laquelle cette turbine est la mieux appropriée, c'est-à-dire jusqu'à une température élevée convenable, tandis que l'utilisation simultanée d'une turbine Francis ou éventuellement de plusieurs turbines Francis, qui peuvent fonctionner à des températures plus élevées que la turbine axiale, permet de prévoir une gamme étendue de tempéra- tures plus élevées, gamme qui est assez considérable pour que le rendement total de l'installation soit sensiblement amélioré bien que le rendement de la turbine Francis soit inférieur à celui de la turbine axiale* avantageusement et suivant l'invention, la turbine Francis n'est utilisée, dans l'installstion, que pour comprimer le fluide moteur, la turbine Francis ou les turbines Francis formant,
avec un ou plusieurs compresseurs qui leur sont accouplés, un ou plusieurs groupes à marche indépendante, formant partie de l'installation$ Cette disposition est par- ticulièrement avantageuse en raison de la valeur élevée de la vitesse de rotation de la turbine Francis, laquelle convient parfaitement bien pour entraîner un compresseur; les dimensions de celui-ci, et par conséquent son prix, étant d'autant moins élevé qu'il tourne à une vitesse plus grande, ceci étant égale- ment vrai des compresseurs axiaux,, que des compresseurs centri- fuges, ou encore d'une combinaison de ces deux types de machine..
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Lorsqu'on a besoin d'une puissance de compression plus grande que celle fournie par la ou les turbines Francis, le complément de puissance nécessaire peut être fourni par la turbine ou les turbines axiales suivantes.
Etant donné que la turbine Francis travaille à une pres- sion très élevée et à une très grande vitesse, ses dimensions sont relativement faibles et, selon l'invention, on peut établir convenablement sa roue avec ses aubes, en une seule pièce et en une matière présentant une résistance élevée à chaud, par exemple par moulage de précision, par concrétion ou par usinage dans la masse.
Selon l'invention, les aubes de la roue de la turbine Francis peuvent avantageusement être conformées sensiblement comme des surfaces hélicoïdales ayant un pas allant en augmen- tant du côté de l'échappement, et de façon telle que les diffé- rentes sections normales à l'axe de la roue donnent des profils radiaux sur toute leur longueur, sections dont la largeur croît avantageusement vers l'axe, ce qui permet, étant donnée la tempé- rature qui règne aux divers points de la roue, de maintenir partout la fatigue de cette pièce à des valeurs offrant sensible- ment la même sécurité.
L'utilisation de la turbine Francis dans la gamme des températures élevées peut être faite en pratique, en raison du fait que parmi d'autres propriétés, cette turbine se prête bien à recevoir des dispositifsde refroidissement. Le refroidisse. ment peut, conformément à l'invention, être convenablement obtenu en prévoyant sur la turbine une enveloppe à double paroi, permettant de faire passer le fluide de refroidissement dans l'espace compris entre ces parois, particulièrement dans la partie de l'enveloppe de la turbine qui est soumise aux pressions et aux températures les plus élevées. De plus, on peut obtenir un refroidissement des aubes directrices, en prévoyant, conformé- ment à l'invention, des aubes creuses, de façon telle que le
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fluide de refroidissement puisse circuler dans leurs cavités.
En outre, on peut facilement établir la turbine Francis de manière à refroidir la roue au moyen du fluide de refroidisse- ment, et dans ce cas l'alimentation en fluide de refroidissement peut se faire en partie du côté de la roue opposée aux aubes, et en partie à travers le moyeu de la roue,
Comme fluide de refroidissement, on peut, avantageusement, utiliser une partie du fluide moteur en circulation, partie qui est prélevée après le dernier étage de compression et réintro- duite dans le circuit avant la première turbine ou dans celle-ci,
Etant donné que le fluide moteur s'écoule, dans la turbine Francis, de la périphérie vers l'axe, tandis que la température décroît simultanément en raison de la détente, ce sont les par- ties de la roue supportant la plus grande fatigue due à la force centrifuge,
c'est-à-dire les parties les plus près de l'axe qui sont à la température la plus basse. Une telle turbine peut, de plus, étant donné sa grande vitesse périphérique à laquelle elle peut fonctionner, utiliser une chute de température relativement importante dans un seul étage, ce qui veut dire que la chute de température à travers la turbine est relativement importante.
Cette chute de température se produit déjà en partie dans l'appa- reil directeur de sorte que à l'admission dans la roue la tempé- rature a déjà quelque peu baissé et une nouvelle chute se produit ensuite rapidement de sorte que la température au moyeu, où se produit la plus grande fatigue, est à peu près la même qu'à l'admission dans la turbine suivante.
L'invention présente également Davantage de rendre inuti- le le réchauffage du fluide moteur entre la première et la secon- de turbine, et, dans l'ensemble, il est possible d'obtenir un rendement élevé sans avoir à réaliser aucun réchauffage, ce qui correspond à une simplification de l'installation et aussi à une réduction de dépense.
La turbine Francis présente encore l'avantage de permet- tre l'utilisation d'aubes directrices réglables, ce qui assure
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un meilleur réglage et, dans une installation conforme à l'invention, une ou plusieurs turbines Francis sont avanta- geusement munies de telles aubes directrices réglables.
La description qui va suivre, en regard du dessin annexé, donné à titre d'exemple non limitatif, fera bien comprendre comment l'invention peut être réalisée, les parti- oularités qui ressortent tant du dessin que du texte faisant, bien entendu, partie de la dite invention.
La fig. 1 représente schématiquement une installation de turbines à gaz conforme à l'invention.
La fig. 2 est une coupe axiale d'une turbine Francis oonforme à un mode de construction selon l'invention.
La fig, 3 est une coupe radiale passant par la ligne A-A de la fige 2.
Dans la fig. 1 une tuyauterie 1 d'aspiration du fluide moteur est reliée à un compresseur à basse pression 2, qui communique à son tour par une tuyauterie 3 avec un refroidisseur 4. Une tuyauterie 5 conduit le fluide de refroidissement à un compresseur à haute pression 6 lequel est relié à un éohangeur de températures8 par une tuyauterie 7, tandis qu'une tuyauterie 9 conduit le fluide de l'échangeur 8 à une chambre de combustion 10 pourvue d'un brûleur 11. La ohambre de combustion 10 est reliée à son tour par une tuyauterie 12 à une turbine Francis 13 qui entraîne le compresseur 6. La turbine 13 est de plus reliée par une tuyauterie 14 à une turbine 15 entraînant le compresseur 2.
La turbine 15 est finalement reliée par une tuyauterie 16 à une turbine 17, laquelle peut fournir, au moyen d'un organe d'accouplement 18, la puissance nécessaire à une machine utilisa- trice, non représentée, une génératrice électrique par exemple.
Une tuyauterie 19-20 conduit le fluide de la turbine 17 au dispositif échangeur de températures 8.
La turbine 17 est du type axial, tandis que la turbine 15 peut être soit une turbine axiale soit une turbine Francis.
Les deux turbines 15 et 17 peuvent être remplacées par une seule
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turbine axiale; mais l'installation peut également être plus divisée qu'on ne l'a représentée sur le schéma, c'est-à-dire que le nombre des turbines peut être accru. On peut prévoir entre les divers étages un réchauffage intermédiaire du fluide moteur.
L'installation représentée fonctionne de la manière suivante:
Le fluide moteur aspiré au moyen de la tuyauterie 1 par le compresseur à basse pression 2, est refoulé par la tuyauterie 5 dans le refroidisseur 4, et passe par la tuyauterie 5 dans le compresseur à haute pression 6 où il est à nouveau comprimé. Le fluide moteur ainsi comprimé passe par la tuyau- terie 7 dans l'appareil échangeur de température 8, où il est réchauffé par le fluide s'échappant de la turbine 17 et arri- vant par la tuyauterie 19, Le fluide moteur sortant de l'échan- geur de température 8 par la tuyauterie 9 pénètre dans la chambre de combustion 10, dans laquelle il est porté à une température plus élevée par la combustion de fuel-oil provenant du brûleur 11.
Le fluide moteur est ainsi porté à une tempéra- ture et à une pression élevées, 11 est alors conduit à la turbine Francis 13 et de là par la tuyauterie 14 à la turbine 15, puis de cette dernière il passe par la tuyauterie 16 dans la turbine 17, d'où il sort finalement par la tuyauterie 19 qui le conduit à l'échangeur de température 8, dans lequel il abandonne, ainsi qu'il a été dit plus haut, une partie de sa chaleur latente au fluide moteur comprimé sortant du compres- seur 6 et finalement il s'échappe par la tuyauterie 20.
Dans la coupe de la turbine Francis, représentée sur la fig. 2, l'arbre 21 de la turbine tourne dans des paliers 22 et 23 et il supporte la roue 24, pourvue d'un certain nombre d'aubes 25. La roue 24 est placée dans une enveloppe de turbine 26, munie d'un certain nombre d'aubes directrices 27 réparties tout autour de la circonférence Ces aubes directrices 27 portent des arbres 28 munis de bras ou de manivelles 29. au
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moyen desquels elles peuvent être tournées dans la position convenable.
L'enveloppe de turbine 26 est à double paroi et le fluide de refroidissement peut être admis dans l'espace 30, situé d'un côté de la turbine, entre les deux parois de l'enve- loppe en empruntant un ou plusieurs orifices 31, ce fluide peut être constitué, ainsi qu'il a été indiqué plus haut, par une partie du fluide moteur lui-même. Les aubes directrices 27 sont oreuses et leurs cavités 27a sont en communication respective- ment avec les conduits 32 et 34 ménagés dans les arbres 28, de façon à permettre de oonduire une partie du fluide de refroidissement, par les cavités 27a de l'espace 30 dans l'espace 33 compris entre les deux parois de l'enveloppe de la turbine et du côté opposé de celle-ci.
Une cavité 36 est ménagée dans le moyeu de la roue (voir également fig.3) et cette cavité est en communication par des canaux 35 avec l'espace 30, et par les canaux 37 prévus dans l'arbre 21 avec l'espace 38 entourant le palier 23. Enfin, des trous 39a traversent de part en part les nervures 39 qui sont prévues à proximité de l'échappement de la roue. Une partie du fluide de refroidissement peut ainsi être conduit par les canaux 35 de l'espace 30 à la cavité 36 pour refroidir la roue 24 et de là, par les canaux 37, à l'espace 38 pour refroidir le palier 23, et par les nervures creuses 39 pour refroidir celles-ci.
Finalement une partie du fluide de refroidissement passe autour de la paroi intérieure de l'enveloppe de turbine 26 et refroidit celle-ci pendant que ce fluide s'écoule de l'espaoe 30 vers l'espace 33, d'où il s'échappe en empruntant un ou plusieurs orifices 40,
Le fluide moteur arrive à la turbine par une tuyauterie d'admission 41 reliée à un canal circulaire 42 qui le dirige dans les intervalles compris entre les aubes direotrices 27 et ensuite vers la roue du rotor, il s'échappe de la turbine par une tuyauterie 43 qui avantageusement peut avoir la forme d'un diffuseur.
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La forme des aubes de la roue 25 et des aubes directri- ces 27 est représentée sur la fig. 3.
L'installation de turbines à gaz, représentée et décrite, est du type à circuit ouvert, mais l'invention peut aussi s'appliquer parfaitement aux installations en circuit fermé ainsi qu'aux installations que l'on pourrait appeler mixtes et qui sont intermédiaires entre les circuits ouverts et fermés.
L'invention s'applique également aux installations à circuit ouvert dans lesquelles on prévoit la combustion du gaz à l'échappement de la turbine à basse pression, toute la chaleur produite étant transmise au fluide moteur au moyen d'un échan- geur de température.
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1. Installation de turbines à gaz avec détente dans deux ou plusieurs turbines successives montées en série, caractéri- sée en ce que la turbine ou les turbines du ou des premiers étages de détente sont du type Francis, c'est-à-dire sont constituées par des turbines dans lesquelles l'admission dans la roue se fait par la périphérie et l'échappement est axial, tandis que la turbine ou les turbines suivantes sont du type axial.