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"Perfectionnements apportés aux installations à compresseur et turbine et traversées par un fluide élastique fonctionnant à cycle fermé et à leurs commandes."
La présente invention est relative à des instal lations à compresseur et turbine et traversées par un fluide élastique fonctionnant à cycle fermé et à leurs commandes.
Il est bien connu que l'avantage thermodynamiqu principal d'une installation à compresseur et turbine, traversée par un fluide élastique fonctionnant à cycle fermé, comparativement à celle fonctionnant à cycle ou- 'vert, est que pour la première le rapport de pression du compresseur et la température à l'entrée de la tur- bine peuvent être maintenus constants pour une charge partielle ce qui permet d'obtenir de bons rendements individuels et un rendement total virtuellement cons- tant pour des charges variables entre des limites très écartées.
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Le réglage de la puissance fournie par une ins- tallation à compresseur et turbine, traversée par un fluide élastique fonctionnant à cycle fermé peut être effectué en faisant varier le niveau de pression du flui de actif dans le circuit fermé de l'installation pour modifier la masse du fluide qui le traverse. Ceci est effectué normalement en déchargeant une certaine quanti- té du fluide dans un ou plusieurs réservoirs, dans le- quel le fluide comprimé peut étre gardé en séserve jus- en qu'à ce qu/on/ait besoin, ou en prélevant du fluide hors de ce réservoir.
La présente invention a pour objet une installa- tion à compresseur et turbine, dont on fait varier la puissance fournie en modifiant le niveau de la pression du fluide qui le traverse en circuit fermé et qui est caractérisée par le fait que l'on transfère le fluide dans le circuit fermé à partir de l'air libre, pour ob- tenir un accroissement de ladite puissance, le niveau de pression du fluide actif dans le circuit fermé étant tel que, pour toute puissance fournie en dessous de la puissance maximum, la pression minimum soit/moindre que la pression atmosphérique. De cette manière l'air peut- être aspiré dans un étage à basse pression du cycle, 1' atmosphère étant utilisée comme un équivalent du ou des réservoirs des installations usuelles.
Suivant une autre caractéristique de l'inventi on donne au niveau de pression du fluide actif dans le circuit fermé de l'installation une valeur telle que, pour toute puissance fournie au-dessus d'un minimum dé- terminé, la pression maximum soit supérieure à la pres- sion atmosphérique, pour permettre,le prélèvement de 1' air hors du circuit fermé à partir d'un étage à haute pression du cycle par échappement à l'air libre en réd@ sant ainsi la puissance fournie par l'installation.
Avantageusement on agence l'installation de ma-
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nière telle que le fluide actif dans le circuit fermé, pour une puissance maximum, ait une pression minimum é- gale à la' pression atmosphérique et que, pour une puis- sance minimum prédéterminée, le pression maximum soit égale à la pression atmosphérique.
L'invention a également pour objet une installa- tion du genre tel que spécifié phus haut, dans laquelle .l'air constitue le fluide élastique et dans laquelle une sortie réglable est prévue en aval d'un étage de compres- sion du cycle pour permettre la décharge d'une certaine quantité de l'air comprimé actif hors du circuit fermé pour réduire à la fois le débit massif et le niveau de pression du fluide actif pour diminuer ainsi la puissan- ce fournie par la turbine, une entrée réglable étant pré vue en amont dudit étage de compression pour permettre l'admission d'air en vue d'accroître à la fois le débit massif et le niveau de pression du fluide actif dans le circuit pour augmenter ainsi la puissance fournie par la turbine.
Si l'on admet que, dans l'intérêt de la produc- tion de puissance et, également, pour maintenir constant le rapport de pression du compresseur, il soit nécessai- re de faire tourner la turbine à une vitesse constante, on peut commander les distributeurs d'échappement et d' admission par un régulateur de vitesse que l'on agence de manière telle, lorsque une diminution de la charge tend à augmenter la vitesse de la turbine au-dessus d'un valeur prédéterminée, que le distributeur d'échappement soit ouvert pour diminuer la puissance fournie par l'inc tallation et, lorsqu'un accroissement de la charge tend à diminuer la vitesse de la turbine en-dessous d'une valeur prédéterminée, le distributeur d'admission soit ouvert pour augmenter la puissance fournie par l'in stal- lation,
et gui tend à maintenir la turbine à une vitesse prédéterminée.
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Une difficulté, qui se produit pour l'applica- tion de l'invention, est l'encaissement d'une charge croissante puisque l'air peut seulement être admis, de- puis l'atmosphère, du côté de la basse pression dans un étage de compression et doit traverser cet étage avant d'atteindre la turbine de sorte que cet air agit d'abord .comme un frein.
Suivent une autre caractéristique de l'invention. on a recours à des moyens supplémentaires pour répondre temporairement à un accroissement de charges, autrement qu'en faisant varier le débit massif du fluide actif dan le circuit fermé, ces moyens supplémentaires étant arti- culés à la commande par laquelle on obtient la modifica- tion du débit massif afin qu'ils interviennent seulement quand ce débit doit être accru pour compenser l'effet de freinage temporaire obtenu par l'accroissement dudit débit massif.
On peut agencer les moyens supplémentaires sus- dits de manière qu'ils soient propres à augmenter tempo- rairement la chaleur fournie à l'air actif pénétrant dan la/turbine en vue d'accroitre la température à l'entrée de la turbine quand le distributeur d'admission est ou- vert pour admettre de l'air et accroitre ainsi le débit massif et le niveau da la pression pour accroître la puissance fournie par l'installationcompresseur à/tur- bine.
Ainsi, on peut régler l'apport de chaleur à l'air actif par un thermostat sensible à la température d'en- trée de la turbine et qui tend à maintenir cette tempé- rature constante, un régulateur de vitesse, entrainé par la turbine, étant propre à régler la température à l'entrée de la turbine au-delà du contrôle thermostati- que pour permettre un surchauffage temporaire de l'air actif au delà de la température prédéterminée susdite, pour vaincre l'effet de freinage temporaire du compres- seur, quand de l'air est admis dans celui-ci .
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Le dessin ci-annexé montre, à titre d'exemple, un mode de réalisation de l'invention.
La figure unique de ce dessin, montre, schéma- tiquement, une installation motrice avec turbine à gaz et établie selon l'invention.
L'installation comprend une turbine 1 traversée par un fluide élastique et dans laquelle l'air est le fluide actif, cette turbine entraînant un compresseur d'air 2 et une génératrice électrique 3. Avantageusement et pour plus de simplicité, ces trois machines sont co- axiales et leurs arbres 4 sont reliés directement entre- eux. L'air actif passe par un cycle répété d'opérations consistant en une compression dans le compresseur 2, un premier réchauffage dans un échangeur de chaleur 5 et un chauffage final dans un réchauffeur d'air 6, une détente dans la turbine 1, un premier refroidissement dans un échangeur de ohaleur et un refroidissement final dans un refroidisseur d'air 7.
Une soupape d'échappement d'air 8 est établie dans le circuit d'air actif en aval du compresseur et soupape d'admission d'air 9 est montée dans ce circuit en amont du compre sseur. Les deux soupapes 8 et 9 ont des servo-commandes représentées respectivement par les pistons 10 et 11. Pour obtenir une production économique de puissance et pour maintenir constant le rapport de pression du compresseur, le vitesse de la turbine est conservée par un régulateur de vitesse constante 12.
Egalement pour maintenir constante la températu- re à l'entrée de la turbine, l'apport de chaleur au ré- chauffeur d'air (réglé par un distributeur de combus- tible 13) est contrôlé par un thermostat 14, établi dans l'entrée d'air actif dans la turbine, comme indiquée par la ligne 15 en traits interrompus.
Quand l'installation fonctionne, pour fournir
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sa puissance maximum, la pression minimum de l'air ac- tif est la pression atmosphérique et la pression à la- quelle débite le compresseur et la masse d'air circu- lant dans le circuit de l'installation sont à leurs valeurs maxima. Pour pouvoir réduire la puissance four- nie par l'installation, la soupape d'échappement 8 est ouverte et l'air s'échappe dans l'atmosphère, la pres- sion fournie par le compresseur est réduite et la pres- sion minimum de l'air actif devient inférieure à la pre- sion atmosphérique pendant que la soupape d'admission est maintenue fermée.
Au contraire, pour augmenter la puissance fournie, la soupape d'échappement 8 est main- tenue fermée et la soupape d'admission 9 est ouverte, ce qui permet à une quantité plus grande d'air, de par-
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ticiper au cycle en augmentant it niveau de pression de l'air actif. Les servo-commandes des soupapes 8 et 9 sont commandées respectivement par le régulateur de vitesse constante, comme indiqué par des traits interrom pus 16 et 17, ce régulateur étant entraîné par l'arbre 4 de la turbine et, quand une diminution de la charge tend à augmenter la vitesse de la turbine, la soupape d'échappement 8 est ouverte et l'air s'échappe jusqu'à ce que la puissance fournie par la turbine soit abais- sée en concordance de la réduction de la charge.
De mê- pour me,/une diminution de la vitesse due à un accroissement de la charge, on obtient l'ouverture de la soupape 9 et une admission d'air dans le circuit. Mais, comme 1' air admis dans le circuit doit passer par le compresseur avant de pouvoir agir sur la turbine,la charge de celle- ci aura augmenté. Il est donc nécessaire de faire inter- venir des moyens pour augmenter temporairement la puis- sance fournie par la turbine pendant que l'air est admi dans celle-ci. Pour l'exemple montré, ceci est obtenu en permettant au régulateur 12 à vitesse constante d'in- tervenir au-delà du contrôle thermostatique de la tempé-
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rature à l'entrée de la turbine et en surchauffant l'air dans le réchauffeur ce qui augmente la température de l'air dans la turbine.
Cette action supplémentaire est indiquée, sur le dessin, par la ligne 18 en traits interrompus. La puissance fournie par la turbine est augmentée et tend à pourvoir à la fois à la charge accrue et au débit mas- sif additionnel dans le compresseur.
Quand une quantité suffisante d'air a été admise pour satisfaire à la nouvelle charge, la température à l'entrée de la turbine descend jusqu'à la valeur voulu@
Dans certains cas, quand le travail le permet, une variante peut être adoptée pour compenser temporai- rement le supplément de charge et permettre ainsi à la turbine d'admettre rapidement de ]!'air frais et rétablir la charge quand la puissance voulue devient disponible.
Les soupapes 8 et 9 sont toutes maintenues en place pendant la marche normale, par les différences des pressions d'air et la force extérieure fournie aux serve commandes sert uniquement à ouvrir et à fermer les sou- papes pendant les variations de la charge. Les efforts agissant sur les soupapes peuvent être modifiés de manie re à produire des effets similaires pour toutes les char ges. Les effets des deux soupapes sont également pour ainsi dire complémentaires. Ainsi, quand la soupape d'échappement nécessite un effort puissant pour pouvoir s'ouvrir contre l'action d'une pression élevée, la dif- férence des pressions agissant sur les deu faces de la soupape d'admission est faible et l'effort à exercer sur cette soupape est réduit.
En admettant que la vites- se de l'air passant par les soupapes dépende des diffé- rences des pressions d'air agissant sur celles-ci, l'ou- verture de la soupape d'échappement à pleine charge a pour effet de produire une diminution rapide du débit de la turbine alors que l'ouverture de la soupape d'ad-
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mission, pour une charge croissante, a pour effet de faire diminuer la vitesse d'accroissement de la charge quand on s'approche de la pleine charge.
Le pourcentage de pleine charge, pour lequel une installation du type spécifié peut maintenir le rendement total constant ou sensiblement constant, dépend unique- ment du rapport de pression du cycle car il est évident que la pression maximum ne doit pas devenir inférieure à la pression atmosphérique. Ainsi, si le rapport de pression du cycle est 8 : 1, le niveau de pression peut être diminué jusqu'à ce que la pression maximum diminue depuis 8 atmosphères jusqu'à 1 atmosphère et la pression minimum passe de 1 atmosphère à 1/8 atmosphère. Le débit massif étant proportionnel à la pression et le débit spécifique restant constant, le débit peut être égal à 1/8 du débit total calculé.
En dessous de cette valeur, déterminée par le rapport de pression, une réduction du débit devrait être obtenue par d'autres moyens, par exem ple par une réduction de la température à l'entrée de la turbine.
Comparativement à une turbine à cycle ouvert, le type proposé de la turbine à cycle fermé présente l'avantage qu'on peut obtenir de bons rendements pour des charges partielles et cela quand ces charges sont bien plus basses que celles à considérer pour une tur- ,bine à cycle ouvert. Par rapport à une turbine usuelle à cycle fermé, la turbine proposée présente l'avantage connu d'un rendement constant à charge partielle, qui caractérise une turbine à cycle fermé mais cette charge peut se trouver dans une zone bien plus basse qu'avec les turbines ordinaires de ce genre. Les réservoirs d'air sont supprimés car on utilise l'atmosphère à la fois comme source d'air et pour décharger l'air.