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PERFECTIONNEMENTS AUX INSTALLATIONS DE TURBINES A GAZ.
L'invention concerne des perfectionnements relatifs aux instal- lations de turbines à gaz.
Les installations de turbines à gaz à cycle ouvert comprennent, en plus du dispositif de combustion ou brûleur, de la turbine propre- ment dite et du oompresseur d'air, un préchauffeur d'air. D'ordinai- re, le préchauffeur d'air est un éohangeur ou un réoupérateur de chaleur du genre dans lequel l'air à préchauffer s'écoule par l'un des parcours de fluide de l'appareil,dans son trajet vers le disposi- tif de combustion, et les gaz d'échappement de la combustion prove- nant de la turbine s'y écoulent par un autre parcours de fluide dans leur trajet vers la décharge finale de l'appareil.
Pour obtenir un degré élevé de rendement dans l'6ohangeur-récu- pérateur à taux élevé, préchauffeur d'air de l'installation, les parcours de fluide respectifs de l'éohangeur de chaleur sont formés - de manière telle que l'air et les gaz sont divisés en un certain nom- bre de courants ou filets, petits ou minces, les courants ou filets des différents fluides étant séparés par des organes relativement minces en métal ou alliage bon conducteur de la chaleur. Si le taux de rendement du préchauffeur d'air doit être maintenu,les surfaces de celui-ci qui sont atteintes par les gaz doivent être maintenues exemptes de cendres ou autres dépôts susceptibles de les souiller ou les salir, et qui peuvent être présents dans les gaz venant du brû- leur.
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Afin de maintenir les frais d'exploitation ou de fonctionnement d'installations de turbines à gaz aussi bas que possible, et pour ré- duire les dangers d'incendie, il est désirable d'employer, comme com- bustible pour le brûleur, de l'huile brute ou seulement partielle- ment raffinée. Malgré le maintien d'une température élevée au brû- leur, la combustion parfaite de pareil combustible est rarement, ou de façon certaine.. pas toujours,obtenue, avec le résultat que les gaz de combustion véhiculent fréquemment des matières susceptibles de se déposer sur les aubes de la turbine ainsi que sur les surfaces balayées par les gaz du préchauffeur d'air.
Les gaz peuvent entrainer une certaine quantité de combustible non consumé sous forme de parti- cules de carbone ou de matière bitumineuse, et aussi les cendres et sels incombustibles de l'huile brute qui sont liquides à raison de la température élevée mais qui, les surfaces de la turbine et du pré- chauffeur d'air étant relativement froides, sont susceptibles de se solidifier et, en raison de l'abaissement de la vitesse des gaz, de se déposer sur les dites surfaces.
L'élévation de la température de combustion au brûleur implique que l'on soit sûr- que la température des gaz pénétrant dans la turbine n'est pas exégérée et susceptible de provoquer des températures ex- cessives du métal dans la turbine.
Il a été antérieurement proposé de faire passer les gaz à travers un séparateur dans leur trajet du brûleur à la turbine, à l'effet d'en extraire les poussières. Il a également été proposé d'interposer un dispositif de chauffage d'air à haute température entre le brûleur et la turbine pour modérer la température des gaz, une partie de l'air préchauffé étant fournie au brûleur et le restant étant chauffé davantage dans le dit dispositif de chauffage à température élevée et envoyé dans le premier étage de la turbine, tandis que les gaz sont envoyés dans le second étage de cette turbine.
Un objet de l'invention est de prévoir, dans une installation de turbine à gaz, des moyens perfectionnés propres à éliminer des gaz de combustion, avant qu'ils ne pénètrent dans la turbine, les matières entraînées susceptibles de salir la turbine et le préohauffeur d'air,
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tandis qu'ils permettent en même temps de contrôler ou modérer la température des gaz pénétrant dans la turbine sans réduction de la température de combustion au brûleur, et sans que soit perdue pour le cycle la chaleur qui peut être soustraite des gaz en modérant leur température.
L'invention consiste en une installation de turbine à gaz compre- nant en combinaison avec un échangeur de chaleur à travers l'un des parcours de fluide duquel s'écoulent, dans leur trajet vers la turbi- ne et le préchauffeur d'air, des gaz de combustion provenant du brû- leur ou dispositif de combustion, et à travers l'autre parcours de fluide duquel s'écoule un agent fluide véhicule de chaleur, des moyens contr8lant les conditions d'action du dit agent véhicule de chaleur, c'est à dire, sa température, pression ou vitesse d'écoule- ment, ou deux ou tous ces facteurs, pour rendre la température du mé- tal dudit échangeur de chaleur propre à maintenir constante la tempé- rature des gaz pénétrant dans la turbine,
sans réduction de la tempé- rature de combustion au brûleur et sans que soit perdue pour le cycle de l'installation la chaleur soustraite aux gaz en modérant ou régu- larisant leur température, le dit échangeur de chaleur lui-même étant construit et agencé pour intercepter les cendres et autres matières transportées par les gaz de combustion et empêchant de oe fait ces matières de salir ou d'endommager la turbine et le préchauffeur d'air.
Dans la mise en pratique de l'invention, selon une de ses réalisa tions, on interpose entre le brûleur ou dispositif de combustion, et la turbine d'une installation de turbine à gaz un échangeur de cha- leur, modérateur ou régulateur de la température des gaz, tubulaire, dont les tubes sont disposés de manière que les gaz passent sur eux et qu'ils interceptent les matières transportées par les gaz, suscep- tibles de salir ou d'endommager la turbine, et à travers lesquels tu- bes on fait circuler un agent fluide véhicule de chaleur, des moyens étant prévus pour modifier les conditions d'action du dit agent fluide véhicule de chaleur soit en ce qui concerne sa température, sa pres- sion ou sa vitesse d'écoulement, soit en ce qui concerne deux ou tous ces facteurs,
afin de maintenir constante la température du métal du
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dit échangeur de chaleur et, par suite, des gaz pénétrant dans la turbine.
L'agent fluide véhicule de chaleur, après s'être écoulé à travers l'échangeur de chaleur régulateur,de gaz, peut s'écouler dans l'un des parcours de fluide d'un réchauffeur d'air supplémentaire, à travers l'autre parcours duquel de l'air s'éooule dans son trajet vers le brûleur.
De préférence, l'agent fluide véhicule de chaleur qui circule à travers le dit éohangeur régulateur de chaleur des gaz, et le réchauf- feur d'air supplémentaire s'il est prévu, sera constitué par de l'air sous pression venant du compresseur d'air de l'installation, et peut avantageusement constituer une partie de l'air employé à la combustion du combustible au brûleur.
Dans les dessins annexés: Fig.l montre schématiquement une installation de turbine à gaz conforme à une réalisation de l'invention;
Fig.2 est une illustration analogue à la fig.l, d'une installa- tion selon une autre réalisation de l'invention; et,
Fig.3 est une vue fragmentaire montrant schématiquement une modi- fication ci-après décrite, qui peut être apportée dans les installa- tions illustrées dans les figs 1 et 2.
En se référant aux dessins ; l'installation représentée comprend une turbine à gaz 1, entrainant un compresseur d'air 2 et une dynamo 3, un préchauffeur d'air 4, et un brûleur ou dispositif de combustion 5, 6 désignant la conduite d'alimentation de combustible au brûleur.
De l'air pénètre dans le compresseur 2 par l'entrée 7 et est envoyé par le conduit 8 au préohauffeur d'air 4, d'où il s'écoule par le oon- duit 9 au brûleur 5; des gaz de ce dernier sont fournis à la turbine 1 par l'ajutage ou passage 10. De la turbine les gaz s'écoulent .par l'ajutage ou passage 11 dans le préchauffeur d'air 4, quittant ce der- nier par/l'ajutage ou passage 12.
Conformément à l'invention, on incorpore dans l'installation, dans le passage de gaz 10 menant du brûleur 5 à la turbine 1, un échan geur de chaleur régulateur de gaz et épurateur de gaz combiné 14, et,
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l'on peut également faire comprendre à l'installation un réchauffeur d'air supplémentaire 15, inpreridre l'installation réchauffeur Dans la réalisation de l'invention représentée fig.l, 1'échangeur de chaleur et épurateur de gaz combiné 14 est constitué par un groupe ou faisceau de tubes de petit diamètre, disposé dans le courant de gaz,.
venant du brûleur 5, transversalement à la direction d'écoulement des gaz- Le réchauffeur d'air supplémentaire 16 est également constitué par un faisceau de tubes de petit diamètre, disposé dans le courant d'air s'écoulant du préchauffeur d'air 4, par le conduit 9, au brû- leur 5.
Le dit éohangeur de chaleur 14 et le réchauffeur d'air supplémen- taire 15 sont aménagés dans un circuit fermé, constitué par les pas- sages ou conduits 16, 17, une pompe rotative ou souffleur 18 étant prévu pour faire circuler dans pareil circuit l'air constituant l'a- gent fluide véhicule de chaleur à une vitesse contrôlée. Un conduit
19, commandé par une vanne 20, est prévu pour laisser s'écouler de l'air du compresseur 2 dans le circuit fermé, et un conduit 21 comman- dé par une vanne 22 est prévu pour laisser s'écouler de l'air hors du circuit suivant les nécessités.
A l'aide de la pompe 18 et des dits agencements d'introduction et d'évacuation, l'air qui circule peut âtre maintenu aux pression et température requises pour maintenir une température de métal prédéterminée dans l'échangeur de chaleur régu- lateur et épurateur de gaz combiné 14, en permettant d'établir le faisceau tubulaire de ce dernier à l'aide de tronçons ou longueurs de tubes en acier doux. Là où cela convient le conduit de sortie 21 est aménagé pour se décharger-dans l'entrée du compresseur d'air, en évi- tant de ce fait des pertes de calories dans l'air chaud évacué du circuit.
Si on le désire, des moyens peuvent être incorporés dans l'ins- tallation pour refroidir, lorsque c'est nécessaire, l'air s'écoulant dans le circuit fermé.
Dans une autre réalisation de l'invention, illustrée dans la fig.
2, l'air qui est amené en circulation dans l'échangeur de chaleur régulateur et épurateur de gaz 14 et dans le réchauffeur d'air supplémentaire 15 peut être fourni par une ponction d'air, obtenue à
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l'aide d'un conduit 23 commandé par une vanne 24, dans le courant débité par le compresseur 2, le dit air étant prélevé au conduit 8 en un point situé entre le compresseur et le préchauffeur d'air 4.
Après écoulement dans le dit échangeur de chaleur 14 et le réchauf- feur d'air supplémentaire 16, cet air est introduit dans le brûleur 5 par le conduit 25. Si c'est nécessaire, l'air peut être refroidi avant de pénétrer dans l'échangeur de chaleur 14. L'échangeur de cha- leur régulateur 14, le réchauffeur d'air supplémentaire 15 et le pré- chauffeur d'air 4 sont de préférence construits de manière telle que la chute de pression dans l'air qui s'écoule à travers les deux pre- miers dispositifs n'excède pas celle de l'air s'écoulant à travers le préchauffeur.
Dans certains cas le réchauffeur d'air supplémentaire 15 peut être supprimé, et l'air prélevé par le conduit 23 au conduit prinoi- pal d'air comprimé 8, après écoulement dans l'échangeur de chaleur régulateur 14, peut être débité directement dans le conduit 25 par un conduit 26 représenté en traits interrompus dans la fig.2.
Gomme les dépôts sur les surfaces atteintes par les gaz de l'é- ohangeur de chaleur régulateur et épurateur de gaz combiné peuvent être de nature telle que leur enlèvement exige un traitement à l'aide d'un fluide ou liquide spécial, le faisceau tubulaire ou autre unité d'échange thermique est de préférence aménagé. de façon à pouvoir être facilement retiré.de son logement en sorte de permettre de le traiter dans un bain.
Afin de prévenir l'arrêt de l'installation pour le nettoyage de la dite unité, l'invention prévoit de bifurquer ou dédoubler, comme il est représenté fig.3, tant le passage de gaz 10 allant du brûleur 5 à la turbine 1, que le passage ou conduit 16 ou 23 pour l'agent fluide véhioule de chaleur en circulation, et de prévoir deux unités d'échange thermique formant chacune éohangeur de chaleur régulateur et épurateur de gaz.
Une des dites unités ou faisceau tubulaire 14 est incorporé dans une branche dudit passage de gaz 10 et dans une branche du dit par- cours de fluide 16 ou 23, et l'autre unité 114 est incorporée dans les autres branches des dits passage et parcours, des moyens tels que
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des registres ou vannes, 27, 28 et 29,30, étant prévus pour diriger le courant de gaz et l'agent fluide en circulation dans les branches respectives, appropriées, de manière telle que l'un des échangeurs de chaleur et épurateur de gaz puisse être en fonctionnement et l'autre disponible pour le nettoyage, ou son enlèvement et son nettoyage.
Lorsque l'appareil comprend des moyens pour refroidir l'agent fluide circulant à travers l'éohangeur régulateur de chaleur de gaz, soit en refroidissant - dans le cas de la fig.1 - l'air s'écoulant dans le circuit fermé, ou bien - dans le cas de la fig.2 - l'air four- ni par le conduit 23, le refroidissement peut être contrôlé par des moyens sensibles aux variations dans la température des gaz pénétrant dans la turbine, à l'effet d'obtenir dans l'échangeur de chaleur une température du métal propre à maintenir approximativement constante la température des gaz pénétrant dans la turbine.
REVENDICATIONS.
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1. Une installation de turbine à gaz, comprenant en combinaison avec un échangeur de chaleur à travers l'un des parcours de fluide duquel s'écoulent des gaz de combustion, dans leur trajet du brûleur ou dispositif de combustion à la turbine et au préchauffeur d'air, et à travers l'autre parcours de fluide duquel s'écoule un agent fluide véhicule de chaleur, des moyens contrôlant les conditions d'action du dit agent véhicule de chaleur - c'est à dire sa température, pres- sion ou vitesse d'écoulement, ou deux ou tous ces facteurs -, pour rendre la température du métal du dit échangeur de chaleur propre à maintenir constante la température des gaz pénétrant dans la turbine,
sans réduction de la température de combustion au brûleur et sans que soit perdue pour le cycle de l'installation la chaleur soustraite aux gaz en modérant leur température, le dit échangeur de chaleur lui-même étant construit et agencé pour intercepter les cendres et autres ma- tières transportées par les gaz de combustion, et empêchant de ce fait ces matières de salir ou d'endommager la turbine et le préchauffeur d'air.
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IMPROVEMENTS TO GAS TURBINE INSTALLATIONS.
The invention relates to improvements in gas turbine installations.
Open cycle gas turbine installations include, in addition to the combustion device or burner, the turbine itself and the air compressor, an air preheater. Usually, the air preheater is an exchanger or re-heat exchanger of the kind in which the air to be preheated flows through one of the fluid paths of the apparatus, in its path to the device. - tif of combustion, and the combustion exhaust gases from the turbine flow there by another fluid path in their path to the final discharge of the apparatus.
In order to achieve a high degree of efficiency in the high rate heat exchanger-recuperator, air preheater of the installation, the respective fluid paths of the heat exchanger are formed - such that the air and the heat exchanger. the gases are divided into a number of streams or streams, small or thin, the streams or streams of the different fluids being separated by relatively thin members of metal or alloy which is a good conductor of heat. If the efficiency of the air preheater is to be maintained, the surfaces of the air preheater which are reached by the gases must be kept free of ash or other deposits which could contaminate them or make them dirty, and which may be present in the air. gas coming from the burner.
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In order to keep the operating or operating costs of gas turbine installations as low as possible, and to reduce the danger of fire, it is desirable to employ, as a fuel for the burner, crude or only partially refined oil. Despite the maintenance of a high temperature at the burner, perfect combustion of such fuel is seldom, or certainly .. not always, obtained, with the result that the combustion gases frequently carry material liable to deposit on it. turbine blades as well as on the gas-swept surfaces of the air preheater.
The gases can entrain a certain quantity of unburned fuel in the form of carbon particles or bituminous material, and also the ashes and incombustible salts of the crude oil which are liquid due to the high temperature but which, the surfaces since the turbine and the air preheater are relatively cold, they are liable to solidify and, due to the lowering of the gas velocity, to deposit on said surfaces.
Raising the combustion temperature at the burner implies that it is ensured that the temperature of the gases entering the turbine is not excessive and liable to cause excessive temperatures of the metal in the turbine.
It has previously been proposed to pass the gases through a separator in their path from the burner to the turbine, in order to extract the dust therefrom. It has also been proposed to interpose a high-temperature air heater between the burner and the turbine to moderate the temperature of the gases, part of the preheated air being supplied to the burner and the remainder being further heated in the gas chamber. said high temperature heating device and sent to the first stage of the turbine, while the gases are sent to the second stage of this turbine.
An object of the invention is to provide, in a gas turbine installation, improved means suitable for eliminating combustion gases, before they enter the turbine, the entrained materials liable to dirty the turbine and the preheater. air,
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while at the same time they make it possible to control or moderate the temperature of the gases entering the turbine without reducing the combustion temperature at the burner, and without losing for the cycle the heat that can be removed from the gases by moderating their temperature .
The invention consists of a gas turbine installation comprising in combination with a heat exchanger through one of the fluid paths from which flow, in their path to the turbine and the air preheater, combustion gases coming from the burner or combustion device, and through the other fluid path from which a fluid heat-conveying agent flows, means controlling the conditions of action of said heat-conveying agent, c that is, its temperature, pressure or flow rate, or both or all of these, to make the temperature of the metal of said heat exchanger suitable for maintaining constant the temperature of the gases entering the turbine ,
without reducing the temperature of combustion at the burner and without the heat withdrawn from the gases by moderating or regulating their temperature being lost for the cycle of the installation, the said heat exchanger itself being constructed and arranged for intercept ashes and other matter carried by the combustion gases and thus prevent these materials from soiling or damaging the impeller and the air preheater.
In the practice of the invention, according to one of its embodiments, there is interposed between the burner or combustion device, and the turbine of a gas turbine installation, a heat exchanger, moderator or regulator of the gas. temperature of the gases, tubular, the tubes of which are arranged in such a way that the gases pass over them and that they intercept the substances transported by the gases, liable to soil or damage the turbine, and through which the tubes a heat-conveying fluid agent is circulated, means being provided to modify the conditions of action of said heat-conveying fluid agent either as regards its temperature, its pressure or its flow rate, or in this respect. which concerns two or all of these factors,
in order to keep the temperature of the metal of the
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said heat exchanger and, consequently, gases entering the turbine.
The heat-conveying fluid medium, after flowing through the regulating gas heat exchanger, may flow into one of the fluid paths of an additional air heater, through the another path from which air flows in its path to the burner.
Preferably, the heat-conveying fluid agent which circulates through said gas heat regulator exchanger, and the additional air heater, if provided, will be constituted by pressurized air coming from the compressor. air from the installation, and can advantageously constitute part of the air used for the combustion of the fuel at the burner.
In the accompanying drawings: Fig.l shows schematically a gas turbine installation according to one embodiment of the invention;
FIG. 2 is an illustration, similar to FIG. 1, of an installation according to another embodiment of the invention; and,
Fig. 3 is a fragmentary view schematically showing a modification described hereinafter, which can be made in the installations illustrated in Figs 1 and 2.
Referring to the drawings; the installation shown comprises a gas turbine 1, driving an air compressor 2 and a dynamo 3, an air preheater 4, and a burner or combustion device 5, 6 designating the fuel supply pipe to the burner .
Air enters the compressor 2 through the inlet 7 and is sent through the duct 8 to the air preheater 4, from where it flows through the duct 9 to the burner 5; gases from the latter are supplied to the turbine 1 through the nozzle or passage 10. From the turbine, the gases flow through the nozzle or passage 11 into the air preheater 4, leaving the latter through / the nozzle or passage 12.
According to the invention, there is incorporated in the installation, in the gas passage 10 leading from the burner 5 to the turbine 1, a combined gas regulator and gas purifier heat exchanger 14, and,
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it is also possible to make the installation include an additional air heater 15, inpreridre the heater installation In the embodiment of the invention shown in fig.l, the combined heat exchanger and gas purifier 14 is constituted by a group or bundle of tubes of small diameter, arranged in the gas stream ,.
coming from the burner 5, transversely to the direction of gas flow - The additional air heater 16 is also formed by a bundle of tubes of small diameter, arranged in the air stream flowing from the air preheater 4 , through pipe 9, to burner 5.
Said heat exchanger 14 and additional air heater 15 are arranged in a closed circuit, consisting of passages or conduits 16, 17, a rotary pump or blower 18 being provided to circulate in such a circuit. The air constituting the agent fluid conveys heat at a controlled rate. A conduit
19, controlled by a valve 20, is provided for allowing air to flow from the compressor 2 in the closed circuit, and a duct 21 controlled by a valve 22 is provided for allowing air to flow out of the circuit. of the circuit according to the needs.
With the aid of the pump 18 and said inlet and outlet arrangements, the circulating air can be maintained at the pressure and temperature required to maintain a predetermined metal temperature in the regulating heat exchanger and combined gas purifier 14, by making it possible to establish the tube bundle of the latter with the aid of sections or lengths of mild steel tubes. Where appropriate the outlet duct 21 is arranged to discharge into the inlet of the air compressor, thereby avoiding heat losses in the hot air discharged from the circuit.
If desired, means can be incorporated in the installation to cool, when necessary, the air flowing in the closed circuit.
In another embodiment of the invention, illustrated in FIG.
2, the air which is brought into circulation in the regulating and gas purifying heat exchanger 14 and in the additional air heater 15 can be supplied by an air puncture, obtained at
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using a duct 23 controlled by a valve 24, in the current delivered by the compressor 2, said air being taken from duct 8 at a point located between the compressor and the air preheater 4.
After flowing through said heat exchanger 14 and additional air heater 16, this air is introduced into burner 5 through line 25. If necessary, the air can be cooled before entering the chamber. Heat exchanger 14. The regulating heat exchanger 14, the additional air heater 15 and the air preheater 4 are preferably constructed so that the pressure drop in the air which s The flow through the first two devices does not exceed that of the air flowing through the preheater.
In certain cases the additional air heater 15 can be omitted, and the air taken through the duct 23 to the main compressed air duct 8, after flowing into the regulating heat exchanger 14, can be fed directly into the duct 25 by a duct 26 shown in broken lines in FIG.
Gum deposits on the surfaces reached by the gases of the heat exchanger regulator and combined gas scrubber may be of such a nature that their removal requires treatment with a special fluid or liquid, the tube bundle or other heat exchange unit is preferably provided. so that it can be easily removed from its housing so as to allow it to be treated in a bath.
In order to prevent the shutdown of the installation for cleaning said unit, the invention provides for bifurcating or splitting, as shown in fig.3, both the gas passage 10 going from the burner 5 to the turbine 1, that the passage or conduit 16 or 23 for the fluid medium conveys heat in circulation, and to provide two heat exchange units each forming a regulator heat exchanger and gas purifier.
One of said units or tube bundle 14 is incorporated in one branch of said gas passage 10 and in one branch of said fluid path 16 or 23, and the other unit 114 is incorporated in the other branches of said passage and path. , means such as
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registers or valves, 27, 28 and 29,30, being provided to direct the flow of gas and the circulating fluid medium into the respective, appropriate branches, such that one of the heat exchangers and gas scrubber may be in operation and the other available for cleaning, or its removal and cleaning.
When the apparatus comprises means for cooling the fluid medium circulating through the gas heat regulator exchanger, either by cooling - in the case of fig. 1 - the air flowing in the closed circuit, or well - in the case of fig. 2 - the air supplied by the duct 23, the cooling can be controlled by means sensitive to variations in the temperature of the gases entering the turbine, in order to obtain in the heat exchanger, a temperature of the metal suitable for maintaining approximately constant the temperature of the gases entering the turbine.
CLAIMS.
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1. A gas turbine installation, comprising in combination with a heat exchanger through one of the fluid paths from which flue gases flow, in their path from the burner or combustion device to the turbine and to the preheater air, and through the other fluid path from which a fluid heat-conveying agent flows, means controlling the conditions of action of said heat-conveying agent - that is to say its temperature, pressure or flow rate, or two or all of these factors -, to make the temperature of the metal of said heat exchanger suitable for maintaining constant the temperature of the gases entering the turbine,
without reducing the temperature of combustion at the burner and without the heat withdrawn from the gases by moderating their temperature being lost for the cycle of the installation, the said heat exchanger itself being constructed and arranged to intercept the ash and other materials. - materials transported by the combustion gases, and thereby preventing these materials from dirtying or damaging the turbine and the air preheater.
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