<Desc/Clms Page number 1>
" TURBINE MIXTE A GAZ ET A VAPEUR"
Le présent brevet de perfectionnement au brevet principal rappelé oi-dessus a pour objet une extension du domaine du brevet rappelé ci-dessus, visant non seulement de nouvelles réalisations de la chambre de combustion des gaz de vaporisation et de surchauffe de la vapeur, que l'on dénommera dans la suite simplement " chaudière", mais également des modes d'exécution d'une turbine mixte à gaz et à vapeur avec des organes auxi- liaires de marche, tels que compresseur, condenseur, etc.
La turbine mixte à gaz et à vapeur, n'est ni une turbine à gaz, ni une turbine à vapeur, mais bien une superposition des deux, avec ces circonstances que la chaudière proprement dite est réalisée par et dans la chambre de combustion inter- oalée entre le compresseur du gaz comburant (air) et l'organe moteur proprement dit(turbine)et que à la suite de ce dernier,
<Desc/Clms Page number 2>
l'élément condenseur qui peut être réalisé de différentes façons, est traversé par un grand débit de gaz.
Le cycle des gaz par rapport à la turbine à gaz est supé- rieur, par le fait que l'admission dans la turbine est isotherme au lieu d'être isobare et que les gaz se détendent jusqu'à la température du condenseur. par rapport à. la turbine à vapeur, le cycle présente éga- lement l'avantage d'une admission isotherme et en plus l'absence de perte à la chaudière qui est interne.
Comme la turbine mixte fonctionne entièrement en cycle fermé, isolé thermiquement de l'extérieur et en flux continu, il y a récupération des irréversibilités d'une partie du cycle dans la suivante, sous forme de réchauffage.
La turbine mixte envisagée au présent brevet possède en plus de la turbine à vapeur, un compresseur et éventuellement une pompe à vide plus puissante que pour une turbine à vapeur ordinaire.
De ces considérations, on peut conclure déjà que le rende- ment réel doit être supérieur à celui des deux turbines (l'une à gaz et l'autre à vapeur) prises séparément.
Théoriquement, le cycle est celui de Carnot entre la tem- pérature critique Te et la température du condenseur sensiblement égale à celle de l'ambiance.
Le combustible idéal sera le combustible liquide à grand pouvoir calorifique, mais les autres combustibles ne sont nulle- ment exclus.
Par l'application du condenseur du type " tuyères" , il y a possibilité d'appliquer la turbine mixte comme moteur de propul- sion, voire comme moteur à réaction. Dans le dernier cas, le refroidissement pendant le refoulement à l'atmosphère se ferait par circulation d'air.
On exposera dans ce qui suit les considérations d'ordre thermodynamique facilitant--la compréhension du fonctionnement
<Desc/Clms Page number 3>
de la turbine mixte à gaz et à vapeur ainsi que la description de quelques réalisations de telles turbines mixtes à gaz et à vapeur dans des variantes constructives,
Afin de faciliter la compréhension de l'exposé ci-dessous, les dessins schématiques annexés représentent à titre explicatif et non limitatif.
Les fig. I et 2 des représentations du cycle de "Carnot" appliqué au gaz respectivement à la vapeur dont le mélange s'effectue pendant la détente isotherme, les traits interrompus sont mixtes.
Les fig.3,4,5 différentes réalisations de chambre de com- bustion (chaudière).
Les fig.6 et 7 des représentations du cycle de "Carnot" appliqué au gaz respectivement à la vapeur dont le mélange s'effectue au début d'une détente adiabatique.
EMI3.1
La fig.8 la réalisation d'une chambre de combustion (chaudi"r,J-6. établie d'après les fig.6 et 7.
La fig.9 la vue schématique d'un éjecto-condenseur.
EMI3.2
Les fig.10 et II des exécutions d'éjecto-oondenseur avec chambre de refroidissement.
La fig,I2 une vue schématique d'une turbine mixte à gaz et à vapeur, fixe avec chaudière centrale, turbine, compresseur pompe à vide, et condenseur par surface .
La fig.13 une vue schématique d'une turbine mixte à gaz et à vapeur, fixe, avec compresseur, chaudière centrale en forme de tore, turbine et éjecto-condenseur avec injection d'eau.
La fig.I4 une vue schématique en bout d'une turbine mixte à gaz et à vapeur, munie de quatre chaudières séparées, accolées à une turbine.
La fig.I5 la vue d'une coupe schématique dans une autre variante d'exécution d'éjecto-condenseur.
EMI3.3
n,7CrXl41X3X)d'rXl.EXi.Il4X16X1'IxrDTIEr$.E1xpaDx1Xx La fig.I6 mepr6serit -achématiquement la réalisation en cycle simple.
La fig.17 représente schématiquement la réalisation du cycle avec régime des pressions relevé.
<Desc/Clms Page number 4>
On sait que le cyele de "Carnet" est représenté par un diagramme (pressions en ordonnée, Volumes en abcisse) dans lequel deux lignes isothermes sont coupées par deux lignes adiabatiques.
A la fig. I et 3 (gaz) le cycle de Carnot est représenté par A.B.C.D.E.F et celui de la vapeur fig.2 et 4 par A.C l.C.D.
E.F., le point D étant celui à partir duquel s'effectue le mélange gaz brûlés et vapeur.
En se reportant aux fig. 1,2,3,4,5,6,7,8, l'étude du cycle se comprend comme suit:
I) Compression adiabatique de l'air (ou autre comburant).
L a.ir est aspiré à la température extérieure To et comprimé à la pression P1 en C, soit dans un compresseur à un étage, soit successivement dans un compresseur suivi d'une tuyère convergente 2, voir fig.3,4,5, jusqu'à la température maximum compatible avec la résistance des matériaux ou température critique To, ou, si lion veut de la pression extérieure Po a la pression totale P1 en 0 à l'entrée de la chaudière I corres- pondant à la température critique Tc et dépendant du rendement de la compression.
Le combustible, s'il est gazeux,.subit le même sort, s'il est liquide (ou solide) , il est injecté par 11, voir fig.3,4,5 à la pression Pl.
L'eau (ou un autre liquide) est comprimée à température constante To de la pression Po à la pression Pl pour être injec- tée par 9,voir fig.3,4,5, dans la chaudière I. On pourrait dailleurs échauffer cette eau pendant sa compression.
Plusieurs chaudières telles que I,voir fig.I4, peuvent réaliser des injections partielles dans la turbine, une seule ohaudière I,voir fig.Ia et 13, peut réaliser une injection totale.
3) La combustion théorique isotherme, la plus complète possible du comburant à la température Tc, puis détente isotherme en D à la pression p'2 (point D) est représentée à la fig.I. A cette pression p'2 commencele mélange aveo la vapeur surohauffée ,
<Desc/Clms Page number 5>
celle-ci s'étant elle-même détendue isothermiquement de C en D voir fig.2, avant le mélange jusqu'à la pression p (point D), voir fig.2 et ou p2 > p'2.
Pendant le mélange, la détente isotherme se prolonge respectivement, pour les gaz jusqu'à la pression partielle p'3 .en E, voir fig.l, et pour la vapeur jusqu'à la pression partielle p3 en E, voir fig.2. la pression totale en fin de détente isotherme étant P3 = p'3 + p3 < P1 à la température Te,
Il est certain que l'on peut envisager les cas limites de cette combustion isotherme, à savoir la détente isotherme sépa- rée jusqu'aux pressions P2 et p'2 réduite à zéro ctest à dire, voir fig.4, injection directe d'eau par 9 à l'entrée de la chambre de combustion I , et à savoir la détente séparée jusqu'à la sortie de la chaudière I, le mélange se faisant au début de la détente adiabatique, au point D, voir fig,6,? et 8, soit en tuyères,
soit lors de l'injection dans la turbine. La chau- dière I paut être unique, voir fig.12 et 13, au multiple, voir fig.I4 . L'injection dans la turbine peut être partielle, voir fig;I4, ou totale, voir fig, 12 et 13. La conception de la chaudière I peut dono se réaliser d'une infinité de manières comme il sera exposé ci-dessous.
En II est représentée l'arrivée du combustible liquide et en 9 celle de l'eau.
A la fig.4, la chaudière I est, dépourvue de paroi intérieure et l'injection par 9 s'effectue directement dans la chambre de combustion.
La fig.5 représente une autre modalité constructive de chaudière I, ou une paroi 5' de faible étendue forme une chambre annulaire 7' correspondante.
A la fig.8, la chaudière I est toujours en forme de tuyère divergente mais à paroi extérieure à deux oonicités utilisées la première pour réaliser la détente isotherme 0 D suivie d'une détente adiabatique D E, voir fig,6 et 7.
<Desc/Clms Page number 6>
D'une façon absolument générale, il s'agit de réaliser les échanges énergétiques suivants: soit Q la quantité de chaleur développée par la combustion, soit T'is le travail de détente isotherme partiel des gaz, soit Tis le travail de détente isotherme de la vapeur,
A l'équivalent calorifique de travail (1)
427 # (Tc P1) la chaleur totale de la vapeur après vaporisation et surchauffe à la pression P1 et la température Tc, # # (To P1) la chaleur totale de l'eau lors de l'injection dans la chaudière.
L'équation des échanges énergétiques à réaliser dans la chaudière sera :
Q = K [# (Tc P1) - # (To P1)] + A [ K Tis + T'is]
La conception de la chaudière peut se réaliser de diffé- rentes façons pour arriver au résultat visé ci-dessus défini.
D'une façon générale, la totalité ( à part le terme
A T'is) de la ohaleur dégagée par la combustion passe à la vapeur, qu'elle vaporise, surchauffe, le reliquat étant trans- formé en énergie cinétique ( terme A K T is). Les formes seront telles que les détentes soient isothermes, et généralement aussi celles du mélange, et en récupérant le maximum d'énergie cinétique possible ( écoulement laminaire). On peut caractériser le rendement de la détente isotherme par le coefficient K is (ou des coefficients partiels k'is et k is) ce qui permet de déterminer l'état réel des fluides à la sortie de la chaudière.
Les valeurs A T'is et A K Tis peuvent être fixées arbitrai- rement compte tenu des taux d'injection K des pressions et tem- pératures P1 et T c et de la quantité de chaleur Q disponible.
Un cas limite serait celui où l'un des termes A Tis et K A T is serait nul ou les deux ensemble. Dans ce cas les formes à donner à la chaudière varieraient.
A titre indicatif et non limitatif, on pourra réaliser
<Desc/Clms Page number 7>
notamment la chaudière suivant le premier schéma figurant au brevet principal rappelé ci-dessus ou suivant les schéma des fig.3,4,5,8, qui correspondent à des cas limites ou intermé- diaires, des hypothèses précédemment envisagées, la caractéris- tique essentielle au point de vue théorique est l'équation précitée et au point de vue pratique, l'injection d'eau à l' entrée de la chaudière A soit avec vaporisation et surchauffe dans une chambre séparée, voir fig.3 et 8, puis après détente isothermique plus ou moins grande, mélange par des ouvertures d'injection 8 en nombre et de forme adéquate:
ou même sans ouverture d'injection 8, voir fig.4 et 5, cette dernière par- tie de la paroi intérieure avec ouvertures d'injection 8 n'emis- tait pas.
B) La paroi intérieure peut aussi êtreréduite en considé- rant comme cas limite l'absence de paroi intérieure, voir fig.4, et l'injection directe du liquide (eau) par 9 dans le même plan que celui de l'injection du combustible par II. c) Reste aussi le cas possible où le mélange s'effectuerait au début de la détente adiabatique en D, voir fig.6 et 7, les deux détentes isothermiques des gaz et de la vapeur se faisant dans leur chambre respective I et 7, voir fig.8, 3) Détente adiabatique mixte.
Comme déjà dit, la détente mixte adiabatique satisfait
EMI7.1
à lsquàtion G 1 - - ¯1 ( 8 l 1 ) signalée au brevet
K principal rappelé ci-dessus.
EMI7.2
R' étant la constante de l'équation P V = RT pour l'air [gamma] = Cp rapport des chaleurs spécifiques cv Te la température du condenseur sensiblement égale à la tempé- rature extérieure To Te le température du début de la détente adiabatique . p'4 la pression partielle de l'air du condenseur.
Cette équation permet de déterminer l'état de la vapeur
<Desc/Clms Page number 8>
en fin de détente et finalement le travail total récupéré dans la détente. Soit Kt le rendement de cette détente.
Le titre réel de la vapeur en fin de détente sera le titre théorique corrigé en tenant compte du rendement Kt et du poids total du fluide évoluant.
Pour la même raison, que la compression peut être envisagée en deux étapes,dans un compresseur suivi d'une tuyère,la détente mixte peut se faire également en deux étapes,d'abord dans une tuyère avant l'injection dans la turbine.Cette disposition permet de soustraire les organes mobiles à la température maximum de la chaudière en terminant la compression et en débutant la détente dans des organes fixes.
On peut de cette façon distinguer une température critique dynamique pour les organes en mouvement,dt une température critique statique pour les organes fixes. pour différentes raisons,pour des raisons de dissociation,de corrosion,de titre final de la vapeur ou de pressions partielles au condenseur,il peut se présenter certains avantages à s'éaarter quelque peu du cycle théorique lors de la compression adiabatique, par exemple en comprimant d'abord en un premier étage se rappro- ohant dune compression isotherme avec refroidissement continu ou intermédiaire ce qui revient théoriquement à prolonger la courbe de l'extraction isotherme du condenseur jusqu'à, une pression su- périeure à la pression atmosphérique,
en relevant dans toute la turbine le régime des pressions sans relever celui des températu¯ .
On peut même envisager le cas ou toute l'isotherme corres- pondant à la source froide serait déplacée au début du cycle, 1' atmosphère,dans ce cas jouant le rôle de condenseur.Suivant cette dernière réalisation,on passerait à une turbine à gaz fonctionnant suivant le cycle de carnot,à la limite pour un taux d'injection d'eau K tendant vers zéro.
4) Condensation. - En principe tous les types de condenseur peu- vent être employés.
Pour la turbine mixte, voir fig.12,il est préférable d'uti-
<Desc/Clms Page number 9>
liser le condenseur 19 par surface, avec une turbo pompe à vide, 18, comprimant de p'4 à po.
Cependant, et ceci permet d'envisager toutes les applica- tions possibles, à des turbines mobiles, voire aux moteurs à réaction, il est possible, grâce à la présence des gaz brûlés, différence essentielle avec les condenseurs ordinaires, d'en- visager un éjecto condenseur formé de tuyères divergente - convergente à la sortie de la turbine, l'énergie nécessaire à la compression depuis la pression en fin de détente jusqu'à la pression extérieure étant empruntée à une partie de la détente adiabatique sous forme d'énergie cinétique. Ceci est également un mode spécial de réalisation de la turbine mixte. Le conden- seur par tuyères peut lui aussi être simple ou multiple.
Une telle réalisation peut se schématiser comme représenté à la fig.9 ou a, b, c, d, est un divergent ou se produit la fin de la détente adiabatique; c, d, e, f est la tuyère de compression isotherme théorique. En c,d, règne la pression totale du con- denseur ; en e, f, la pression extérieure.
Pour réaliser la compression isotherme, on peut injecter dans le plan c,d, l'eau nécessaire à la condensation et réa- liser ainsi une condensation par mélange. On peut également disposer des tubes refroidisseurs dans la tuyère c,d,e,f, de refoulement à l'extérieur, tubes qui seraient parcourus soit par de l'eau ( turbine fixe) soit par de l'air (avion).
Si dans le plan e, f, il reste de l'énergie cinétique résiduelle, elle peut éventuellement engendrer une réaction par l'emploi d'une tuyère¯de forme appropriée.
Le travail théorique d'extraction des gaz brûlés du con- denseur à pour expression A Te = A RI Te lg Po p 4 et le travail réel A Te Ke étant le rendement de la com-
Ke pression isotherme.
Si C'v représente la chaleur spécifique des gaz à volume constant,
<Desc/Clms Page number 10>
u3 et u4 l'énergie interne spécifique de la vapeur au début et à la fin de la détente. le travail théorique récupéré dans la turbine a pour expression :
A T43 = C'v (Tc - Te) + K ( u3 - u4) et le travail réel de la détente :
Kt A T si Kt est le rendement de cette détente le rendement réel ausa pour expression:
EMI10.1
en appelant q la quantité de chaleur cédée à la source froide.
Ainsi, à la fig.10 on a représenté un éjecte condenseur semblable à celui de la fig.9, tuyère adiabatique 29 avec tuyère isotherme 28 ou dans cette dernière est disposé un refroidisseur a eau constitué par un serpentin 27 traversé par une circulation d'eau éventuellement d'air.
La fig.II représente une variante d'éjecté condenseur cons- titué par une tuyère adiabatique 30,une tuyère isotherme 31 et un refroidisseur tubulaire 32 traversé par une circulation d'eau 33 éventuellement d'air. Les tuyères qu'elles soient isothermes ou adiabatiques,qu'elles fassent partie de la chaudière ou de 1' éjecto condenseur.de la fin de la compression ou du début de la détente adiabatique sont représentées à titre schématique: il est évident que la forme réelle à leur donner dépend des condi- tions cinématiques des fluides aussi bien que des conditions thermodynamiques qui régissent les écoulements en tuyères.
A la fig.12 on a représenté schématiquement une turbine mixte à gaz et à vapeur à injection totale et à chaudière cen- trale I et ou comme précédemment II représente l'injection du combustible,9 celle de l'eau,16 la turbine proprement dite avec son arbre 15 actionnant le compresseur 17 et la pompe à vide 18 du oondenseur par surface 19 suivie de oe dernier ou un serpentin 21 traversé par exemple par de l'eau,forme l'élément refroidisses
A la fig.13 dans une autre réalisation de turbine mixte à
<Desc/Clms Page number 11>
gaz et à vapeur 17 représente encore un compresseur entouré d' une chaudière I en forme de tore,concentrique à l'arbre I5, à injection totale dans une turbine 16 dont l'échappement est suivi d'un éjecto condenseur divergent en 34,convergent en 33 aveo dans le plan c,d,
une injection d'eau par des tuyauteries 20 percées d'orifices de pulvérisation.
On a représenté à la figl4 la vue schématique en bout d'une turbine mixte à gaz et à vapeur 0 infection partielle obtenue par exemple par quatre chaudières I séparées,accolées sur une face radiale de la turbine 16.En 15 figure l'arbre et en 17 le compres- seur. Enfin à la fig.I5 on a encore représenté une autre réalisa- tion d'éjecto condenseur du type divergent en 34 et convergent en 35 grâce à, la présence de deux cônes intérieurs 37 et 38, placés en opposition l'un par rapport à l'autre et entre lesquels une injection d'eau dans le plan c,d,est réalisée par la présence de tuyauteries 36 amenant l'eau d'injection par de petits ori- fices de pulvérisation.
Les accouplements entre les éléments de la turbine mixte de même que la disposition relative des organes peut être quelconque.
Les exemples donnés ne le sont qu'à titre exemplatif,L'accouple- ment entre compresseur et turbine pourra aussi être mécanique ou électrique, de même entre la turbine et la pompe à vide.
Il va de soi que d'autres variantes d'exécution de turbine mixte à gaz ou à vapeur peuvent encore être envisagées suivant leur destination et notamment que le refroidissement à air est tout indiqué pour des turbo mixte destinés à la navigation aérienne.
Comme déjà signalé, des turbo réacteurs peuvent être par- faitement exécutés en faisant usage en tout ou en partie des éléments décrits dans le présent mémoire descriptif, l'étendue de l'objet de l'invention devant se comprendre dans le sens le plus large du domaine de l'application des revendications du présent brevet et stipulées comme il sera exposé.
<Desc/Clms Page number 12>
par extension et généralisations des revendications qui suivront l'application du cycle envisagé au moteur à pistons pourra se caractériser par:
I) l'injection d'eau dans les cylindres.
3) par une suralimentation isotherme théorique précédent la compression adiabatique théorique ; la compression adia- batique pouvant se faire successivement dans un compres- seur puis dans les cylindres ou uniquement dans les cy- lindres.
3) par la récupération de l'énergie du mélange en fin de détente à la sortie des cylindres dans une turbbne munie d'un condenseur ou d'un éjecto condenseur.
En résumé on peut représenté schématiquement les réalisations de la turbine mixte par les deux fig. 16 et 17.
Le cycle simple, est représenté à la fig.16 ou la compres- seur 17 comprime le comburant adiabatiquement jusqu'à la tempé- rature critique. Eventuellement le compresseur 42 comprime de même le combustible s'il est gazeux. Combustible, comburant et eau sont injectés dans la chaudière I d'ou ils sortent à la même température critique. Le mélange passe ensuite dans une turbine 16 puis dans un condenseur 40 ou éjecto condenseur d'ou il est refoulé isothermiquement à l'extérieur.Eventuellement une réaction peur être produite à la sortie.
Le cycle avec régime des pressions relevé, est, représenté à la fig.17 ou le comburant est d'abord comprimé isothermiquement dans une série de compresseurs étagés 38,38',38'',etc. aveo re- froidissements intermédiaire 39,39'=39'' etc.,ou dans un seul compresseur avec refroidissement continu. Le cycle est ensuite celui du cas précédent sauf que si le régime des pressions est suffisamment relevé,le condenseur 40 peut être éliminé, l'atmos- phère jouant dans ce cas le rôle de condenseur. Eventuellement l'injection d'eau s'annulera pour passer au cas de la turbine à gaz fonctionnant suivant le cycle de Carnot, comme déjà envisagé @ ci-dessus.