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PERFECTIONNEMENTS AUX INSTALLATIONS DE PRODUCTION D'ENERGIE AU MOYEN DE TURBINES A GAZ
La présente invention concerne des installations de production d'énergie comportant des turbines à gaz; elle est utile, en particulier dans les locomotives et autres véhicules comme les navires, bien que l'invention n'y soit pas nécessairement limitée.
L'invention a pour objet une construction perfectionnée et son aménagement dans une installation de production d'énergie. Elle sera d'ailleurs bien comprise en se référant à la description qui suit et au dessin qui l'accompagne à titre d'exemple non limitatif et dans lequel :
La figure 1 est une élévation, partie en coupe, de l'ensemble de
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l'installation productrice d'énergie ; la figure 2 est une vue de la coupe 2-2 de la figure 1, montrant les positions relatives des tuyères à vapeur et des tuyères à gaz, da le distributeur; la figure 3 est une élevation, vue en bout, de l'installation de la figure 1;
la figure 4 est une vue de la coupe 4-4 de la figure 1, montrant l'aménagement du carter de décharge de la turbine et sa disposition par rapport à la roue de la turbine, à sonnarbre et au carter du réchauffeur.
En se reportant à la figure 1, on voit-une roue 1 de turbine à gaz, portée par un arbre 2, monté à son extrémité externe dans un palier 3, supporté par une paroi terminale 4 du carter. L'extrémité interne de l'arbre 2 est reliée par un accouplement 5 à l'arbre d'un compresseur d'air 6. Celui-ci peut être de tout type approprié, soit à circulation axiale, soit centrifuge à circulation radiale et à plusieurs étages. Il reçoit de l'air à son entrée 7 et le décharge dans une chambre 8, d'où cet air se dirige vers une conduite de décharge 9.
L'arbre du compresseur est supporté par des paliers appropriés 10 et 11. Une série de chambres de combustion 12 est montée sur la 'paroi terminale 4; ces chambres sont de toute construction appropriée.
On a représenté une en coupe dans le coin inférieur droit du dessin.
Comme on le voit, cette chambre comprend des parois espacées, interne et externe 13-14, déterminant entre elles un espace d'admission 15 d'air comprimé, qui est dirigé à l'intérieur de la paroi 13, à travers des ouvertures 16. En 17 on a représenté la tuyère d'alimentation du combustible. Les gaz produits par la combustion du combustible dans l'air, dans la chambre de combustion, sont entrainés à travers des éléments de jonction 75 et des tuyères 18, vers les aubes 19 de la roue de la turbine. Le combustible, alimentant les tuyères 17 de combustible, peut avoir son débit règlé par tout dispositif approprié.
A une certaine distance de la paroi terminale 4, se trouvent des parois de forme appropriée 20, 21, 22, qui déterminent une chambre
15 circulaire sous pression 23, d'où l'air est fourni à l'espace/des @
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diverses chambres de combustion, cet air étant dirigé vers ledit espa- ce par des parois circulaires 24, qui entourent les éléments de jonction 75 des chambres de combustion, à une certaine distance. Le chemin sui- vi par l'air est clairement indiqué par les flèches 25.
Les gaz sortant des aubes 19 de la roue de la turbine se déchar- gent, au-delà des nervures 76 de support du carter, vers une chambre 26, déterminée par une paroi circulaire interne 27, une paroi termina- le 28 et une paroi extérieure 29. Cette dernière se prolonge à la par- tie inférieure de l'installation, ainsi que vers le haut, de chaque coté de l'ensemble, sa coupe ayant la forme générale d'un U, comme on le voit figure 4. Avec cette disposition, la chambre 26 est ouverte à son extrémité supérieure pour l'échappement des gaz vers le haut, com- me on l'expliquera ci-après. Le chemin suivi par les gaz d'échappement est indiqué par les flèches 30.
L'espace compris entre la paroi circu- laire 27 et le palier 10 forme un logement pour ce palier et pour l'accouplement; il constitue également une paroi qui dirige l'air vers l'entrée du compresseur.
Un réchauffeur d'air est monté sur les parois 27 et 4, sous forme d'un échangeur de chaleur, comportant des plaques terminales 31 et 32, reliées par des tubes 33. A son extrémité. gauche (sur le dessin) cet échangeur est relié à la conduite de décharge d'air 9. A son au- tre extrémité, se trouvent des parois 34, qui déterminent un collecteur 35, relié par une ouverture 36 à la chambre circulaire sous pression 23. De cette façon, l'air sortant dû-compresseur 6 traverse les tubes 33 vers le collecteur 35, et de là, par l'ouverture 36, se dirige vers la chambre 23, d'où il passe vers les diverses chambres de combus- tion.
Les gaz déchargés vers la chambre 26, en provenance de la roue de la turbine, traversent les tubes de l'échangeur de chaleur, ser- vant ainsi à réchauffer l'air fourni aux chambres de combustion.
Une chaudière à vapeur, de tout type approprié quelconque, et utilisant la chaleur perdue des gaz, est montée de façon convenable sur les parois de l'échangeur de chaleur. Dans la présente réalisation, elle est constituée par deux collecteurs 37 et 38, reliés par des tubes de'chaudière 39. Ces tubes 39 se trouvent sur le trajet des gaz d'échappement de la roue de la tourbine, de telle sorte qu'après que
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ces gaz ont circulé autour des tubes 33 de l'échangeur de chaleur, ils circulent autour des tubes 39 de la chaudière à vapeur.
En 40 se trouve un réservoir d'eau relié aux collecteurs 37 et 38 par des conduites d'équilibre 41 et 42. En 43 se trouve un tube, muni d'une valve 44, à travers lesquels de l'eau est amenée à la chau- dière. Au sommet du réservoir 40 se trouve un dôme de vapeur 40 , relié par une conduite 40" à un surchauffeur 45, disposé sur le trajet des gaz d'échappement, au-dessus des tubes 39 de la chaudière. Reliée à la sortie du surchauffeur 45, une conduite 46, munie d'une valve de con- trôle 47, communique avec la chambre des tuyères 48, munies de tuyères 49, destinées à décharger de la vapeur sur les aubes 19 de la roue de la turbine.
Comme on le voit figure 2, la chambre des tuyères 48 est disposée entre deux des chambres de combustion et couvre un arc de circonférence relativement petit. Par exemple, elle peut ne comporter que trois ou quatre parois qui déterminent deux ou trois passages formant tuyère.
Les tuyères 18 qui dirigent les gaz de combustion vers la roue de la turbine, occupent tout l'arc réservé aux tuyères, à l'exception de l'arc occupé par les tuyères à vapeur 49. Une conduite 50, munie d'une valve appropriée de contrôle 51, est'--,reliée à la conduite 46. La con- duite 50 peut fournir de la vapeur pour tout usage approprié. Par exem- ple, dans le cas d'une locomotive, elle peut fournir de la vapeur pour chauffer les wagons.
Associée à la chaudière à vapeur, se trouve une chambre de combus- tion auxiliaire, ou de démarrage 52, de construction appropriée et à laquelle du combustible est amené d'une source convenable, à travers une tuyère 53. Un compresseur d'air 54 est monté contre la chambre de combustion 52, et est entrainé par un moteur électrique 55 (figure 3).
L'entrée du compresseur est indiquée en 56 et sa sortie en e7. Il est du type centrifuge. Sa sortie est reliée à un chambre à air 58, déter- minée par des parois appropriées 59, et d'où l'air est envoyé à la chambre de combustion 52, comme indiqué par les flèches 60. La so,rtie de la chambre 52 est indiquée en 61. Elle fournit des gaz à la chaudiè- re à vapeur, pour le chauffer, indépendamment du fonctionnement de la turbine à gaz.
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Les parties latérales 77 des parois 29 sont conformées de manière appropriée, pour se prolonger vers le haut, de chaque c6té de l'échan- geur de chaleur de la chaudière à vapeur et du surchauffeur, de telle sorte qu'en liaison avec les parois terminales 62 et 63, elles consti- tuent une enceinte contenant les tubes de l'échangeur de cbaleur, de la chaudière à vapeur et du surchauffeur, et servant à faire circuler par- mi eux les gaz d'échappement.
La chaudière à vapeur et la chambre de combustion 52 servent à faire démaner la turbine à gaz. Pour le démarrage, le compresseur 54 est entrainé par le moteur 55 afin de fournir de l'air à la chambre de combustion 52 et du combustible lui est amené da la sourcede combus- tible prévue. Par exemple, on peut utiliser dans ce but un groupe moto pompe. Les produits de la combustion dans la chambre 52 sont conduits à la chaudière et servent à y produire de la vapeur. Cette dernière traverse la conduite 46, les tuyères 49, vers la roue de lanturbine, qui se met à fonctionner et qui entraine à son tour le compresseur 6, lequel envoie de l'air dans la chmabre de combustion 12. En même temps, du combustible est amené à cette chambre.
Après que l'allumage s'est produit dans les chambres de combus- tion 12, on peut mettre hors service la chambre auxiliaire de combus- tion 52. A ce point de vue, il est bien entendu que les auxiliaires de l'installation générale, comme la pompe d'alimentation en combustible par exemple (non représentée) peuvent être entrainés par l'arbre 2, l'habitude au. moyen de pignons appropriés.
Lorsque l'installation fonctionne, les gaz d'échappement de la roue de la turbine servent à réchauffer l'air fourni aux chambres de combustion et, ensuite, ils sont utilisés pour produire de la vapeur dans la chaudière. Cette vapeur peut être utilisée pour effectuer du chauffage, ou pour toute autre utilisation. De même, si on le dési- re, elle peut être amenée à la roue de la turbine par les tuyères 19, de sorte que la chaudière à vapeur coopère à l'entrainement de la roue de la turbine, pendant le fonctionnement normal.
On voit ainsi que, par la présente invention, on a réalisé une installation de turbine de faible encombrement, bien adaptée à un mon- tage sur locomotive, et dans laquelle la chaleur des gaz d'échappe- -IL
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-ment de la roue de la turbine est utilisée avec avantage dans l'échan- geur de la chaleur et dans la chaudière à vapeur, qui en récupère la chaleur perdue, et dans laquelle cette chaudière, au moyen d'un foyer auxiliaire de combustion;
fonctionne comme chaudière à vaporisa- tion rapide, pour produire de la vapeur qui fait démaner l'installa-Lion Cette dernière caractéristique est un avantage important de l'inventicn
Bien qu'on n'ait représenté qu'un exemple de réalisation de l'in- vention, il est bien entendu que l'on ne désire pas se limiter à cette forme de réalisation donnée à simple titre d'exemple non limitatif et que, par conséquent, toutes variantes ayant même principe et même ob- jet que la disposition ci-dessus rentreraient comme elle dans le cadre de l'invention.
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IMPROVEMENTS AT ENERGY PRODUCTION FACILITIES USING GAS TURBINES
The present invention relates to energy production installations comprising gas turbines; it is useful, in particular in locomotives and other vehicles such as ships, although the invention is not necessarily limited thereto.
The subject of the invention is an improved construction and its arrangement in an energy production installation. It will also be well understood by referring to the following description and to the drawing which accompanies it by way of nonlimiting example and in which:
Figure 1 is an elevation, partly in section, of the assembly of
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the energy-producing installation; FIG. 2 is a view of section 2-2 of FIG. 1, showing the relative positions of the steam nozzles and the gas nozzles, of the distributor; Figure 3 is an elevation, end view, of the installation of Figure 1;
FIG. 4 is a view of section 4-4 of FIG. 1, showing the arrangement of the discharge casing of the turbine and its arrangement with respect to the impeller of the turbine, to its shaft and to the casing of the heater.
Referring to Figure 1, we see a gas turbine wheel 1, carried by a shaft 2, mounted at its outer end in a bearing 3, supported by an end wall 4 of the housing. The internal end of the shaft 2 is connected by a coupling 5 to the shaft of an air compressor 6. The latter can be of any suitable type, either with axial circulation or centrifugal with radial circulation and with many floors. It receives air at its inlet 7 and discharges it into a chamber 8, from where this air goes to a discharge pipe 9.
The compressor shaft is supported by suitable bearings 10 and 11. A series of combustion chambers 12 are mounted on the end wall 4; these chambers are of any suitable construction.
One is shown in section in the lower right corner of the drawing.
As can be seen, this chamber comprises spaced inner and outer walls 13-14, defining between them an intake space 15 of compressed air, which is directed inside the wall 13, through openings 16. 17 shows the fuel feed nozzle. The gases produced by the combustion of the fuel in the air, in the combustion chamber, are entrained through junction elements 75 and nozzles 18, towards the blades 19 of the turbine wheel. The fuel supplying the fuel nozzles 17 can have its flow rate adjusted by any suitable device.
At a certain distance from the end wall 4 there are suitably shaped walls 20, 21, 22, which determine a chamber
15 circular under pressure 23, from which air is supplied to the space / s @
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various combustion chambers, this air being directed towards said space by circular walls 24, which surround the junction elements 75 of the combustion chambers, at a certain distance. The path followed by the air is clearly indicated by the arrows 25.
The gases leaving the blades 19 of the impeller of the turbine discharge, beyond the crankcase support ribs 76, towards a chamber 26, determined by an internal circular wall 27, an end wall 28 and a wall. 29. The latter extends to the lower part of the installation, as well as upwards, on each side of the assembly, its section having the general shape of a U, as can be seen in figure 4. With this arrangement, the chamber 26 is open at its upper end for the upward escape of gases, as will be explained below. The path followed by the exhaust gases is indicated by arrows 30.
The space between the circular wall 27 and the bearing 10 forms a housing for this bearing and for the coupling; it also constitutes a wall which directs the air towards the compressor inlet.
An air heater is mounted on the walls 27 and 4, in the form of a heat exchanger, comprising end plates 31 and 32, connected by tubes 33. At its end. left (in the drawing) this exchanger is connected to the air discharge pipe 9. At its other end, there are walls 34, which determine a manifold 35, connected by an opening 36 to the circular pressure chamber. 23. In this way, the air leaving the compressor 6 passes through the tubes 33 to the manifold 35, and from there, through the opening 36, goes to the chamber 23, from where it passes to the various chambers of combustion.
The gases discharged to chamber 26 from the turbine wheel pass through the heat exchanger tubes, thereby serving to heat the air supplied to the combustion chambers.
A steam boiler, of any suitable type, and using waste heat from the gases, is suitably mounted on the walls of the heat exchanger. In the present embodiment, it consists of two collectors 37 and 38, connected by de'chaudière tubes 39. These tubes 39 are located in the path of the exhaust gases from the vortex wheel, so that after than
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these gases have circulated around the tubes 33 of the heat exchanger, they circulate around the tubes 39 of the steam boiler.
At 40 there is a water tank connected to the collectors 37 and 38 by balance pipes 41 and 42. At 43 there is a tube, provided with a valve 44, through which water is supplied to the outlet. boiler. At the top of the tank 40 is a steam dome 40, connected by a pipe 40 "to a superheater 45, arranged in the path of the exhaust gases, above the tubes 39 of the boiler. Connected to the outlet of the superheater. 45, a pipe 46, provided with a control valve 47, communicates with the chamber of nozzles 48, provided with nozzles 49, intended to discharge steam onto the blades 19 of the turbine wheel.
As seen in Figure 2, the nozzle chamber 48 is disposed between two of the combustion chambers and covers a relatively small circumference arc. For example, it may have only three or four walls which determine two or three passages forming a nozzle.
The nozzles 18 which direct the combustion gases towards the turbine wheel, occupy the entire arc reserved for the nozzles, with the exception of the arc occupied by the steam nozzles 49. A pipe 50, provided with a valve Appropriate control 51, is' -, connected to line 46. Line 50 can supply steam for any suitable use. For example, in the case of a locomotive, it can supply steam to heat the cars.
Associated with the steam boiler is an auxiliary, or start-up, combustion chamber 52 of suitable construction to which fuel is supplied from a suitable source through a nozzle 53. An air compressor 54 is mounted against the combustion chamber 52, and is driven by an electric motor 55 (Figure 3).
The compressor input is indicated at 56 and its output at e7. It is of the centrifugal type. Its outlet is connected to an air chamber 58, determined by suitable walls 59, and from which air is sent to the combustion chamber 52, as indicated by the arrows 60. The outlet of the chamber 52 is indicated at 61. It supplies gases to the steam boiler, for heating it, independent of the operation of the gas turbine.
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The side portions 77 of the walls 29 are suitably shaped, to extend upwardly, to either side of the steam boiler heat exchanger and superheater, so that in conjunction with the walls terminals 62 and 63, they constitute an enclosure containing the tubes of the heat exchanger, of the steam boiler and of the superheater, and serving to circulate the exhaust gases through them.
The steam boiler and the combustion chamber 52 are used to start the gas turbine. For start-up, the compressor 54 is driven by the motor 55 to supply air to the combustion chamber 52 and fuel is supplied to it from the intended fuel source. For example, a motor pump unit can be used for this purpose. The products of combustion in chamber 52 are carried to the boiler and used to produce steam there. The latter passes through the pipe 46, the nozzles 49, towards the lantern wheel, which begins to operate and which in turn drives the compressor 6, which sends air into the combustion chamber 12. At the same time, fuel is brought to this chamber.
After ignition has taken place in the combustion chambers 12, the auxiliary combustion chamber 52 can be taken out of service. From this point of view, it is understood that the auxiliaries of the general installation , as the fuel feed pump for example (not shown) can be driven by the shaft 2, the usual. means of appropriate sprockets.
When the installation is in operation, the exhaust gases from the turbine wheel serve to heat the air supplied to the combustion chambers and then they are used to produce steam in the boiler. This steam can be used for heating, or for any other use. Likewise, if desired, it can be supplied to the turbine wheel by the nozzles 19, so that the steam boiler cooperates with the driving of the turbine wheel, during normal operation.
It can thus be seen that, by the present invention, a small-footprint turbine installation has been produced, well suited to mounting on a locomotive, and in which the heat of the exhaust gases.
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-ment of the turbine wheel is used with advantage in the heat exchanger and in the steam boiler, which recovers the waste heat, and in which this boiler, by means of an auxiliary combustion furnace ;
works as a rapid vaporization boiler, to produce steam which starts the installation. This last feature is an important advantage of the inventicn
Although only one exemplary embodiment of the invention has been shown, it is understood that one does not wish to limit oneself to this embodiment given simply by way of non-limiting example and that Consequently, all variants having the same principle and the same object as the above arrangement would come within the scope of the invention as it does.