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Perfectionnements apportés aux instal- lations avec turbines à gaz.
La présente invention est relative aux installations motrices avec turbine à gaz et qui servent à en- trainer un arbre; et elle a en vue de rendre ces installations telles que leur fonctionnement soit amélioré en ce sens qu'el- les peuvent fournir des puissances variant entre des limites très écartées et à des vitesses très différentes pour l'arbre entra-iné,, l'amélioration du fonctionnement étant également obte- nu dans le cas où la puissance doit pouvoir varier fortement pour une vitesse constante de l'arbre.
Il est courant, pour une installation mo- trice avec turbine à gaz, d'avoir recours à un échangeur de cha- leur pour la transmission de chaleur par le fluide actif, après la détente de celui-ci, au fluide actif qui est sur le point d'ê-
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tre chauffé par la combustion d'un combustible afin de récupérer de la chaleur qui, sans cela, serait perdue.
Considéré du point de vue purement théorique, la tempé- rature maximum du cycle opératoire d'une installation comportant un échangeur de chaleur peut donc être augmen- tee indéfiniment pour produire des rendements plus éle- vés pour l'installation alors que l'élévation de la tem- pérature cyclique maximum, dans le cas d'uns installation ne comportant pas d'échangeur de chalaur, peut procurer des rendements plus faibles puisqu'une quantité de cha- leur, qui augmente en proportion, peut être perdue avec le fluide actif détendu à une température maximum plus élevée du cycle qu'à une température maximum moins éle- vée. Dans chaque cas une limitation pratique est imposée à la température cyclique maximum par la possibilité,
que présente la matière constituant les aubes de la turbine, de pouvoir supporter cette température. On peut donc di- re, pour une installation motrice avec turbine à gaz et pour laquelle on a prévu, d'une manière appropriée, un échange de chaleur, qu'il est désirable, d'une façon gé- nérale (pour une installation sans échange de chaleur cela ne se produit que dans des cas comparativement ex- ceptionnels à moins que l'on ait prévu d'autres moyens pour assurer la conservation de la chaleur), de maintenir la température cyclique maximum sensiblement constante pour toutes les puissances ou charges de l'installation et à une valeur voisine de la¯ température cyclique ma- ximum qui peut être supportée par les aubes de la turbi- ne car un écart par rapport à cette condition,
pour toute puissance, dans la gamme des puissances exigées, donne lieu, dans le cas où cette température maximum diminue, à une réduction du rendement à cette puissance et* dans
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le cas où cette température augmente, à une détérioration des aubes de la turbine. Par conséquent, l'effet est pré- judiciable, dans chaque cas, au fonctionnement de l'ins- tallation.
Parmi les dispositifs connus des installa- tions motrices avec turbine à gaz dont le fonctionnement est amélioré en satisfaisant à la condition susindiquée, plusieurs présentent une tendance que leur puissance di- minue progressivement depuis sa valeur optimum, quand le température cyclique maximum augmente ou diminue progres- sivement.
Cette particularité peut être attribuée à la nécessité, qui se produit généralement pour toutes les applications normales, qu'une relation définie entre la puissance et la vitesse de l'arbre est imposée par la na- tare de la charge mais dépend également de l'agencement des parties constitutives de l'installation. De plus, dans beaucoup de cas, l'installation est incapable de fournir des puissances très variables car les limitations impo- sées pour la vitesse, en même temps que l'agencement de l'installation, sont telles qu'elles donnent lieu à une ins- tabilité dans l'écoulement du fluide actif dans les parties constitutives de l'installation .
Dans certains cas, la relation, entre une vitesse particulière et la puissance, que l'on impose à une installation peut être favorable en ce sens que la température cyclique maximum, pour des puissances variables, n'est pas modifiée fortement pour une gamme de puissance-s utile .
Un tel cas se produit pour une installation connue (décrite ci-après), quand elle fonctionne pour pro- duire des puissances variables à une vitesse constante pour l'arbre. Même dans ce cas, la température cyclique maximum
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diminue d'une certaine valeur quand la puissance décroit et cette installation connue ne convient donc pas au mieux à la relation imposée entre la vitesse et la puis- sance, Dans les cas où une relation de nature différente, entre la vitesse et la puissance, est nécessaire, par e- xemple quand l'installation avec turbine à gaz sert à la propulsion de bateaux, on obtient des résultats encore moins bons. Les gammes de puissances des installations motrices connues sont, dans ces conditions, nettement li- mitées.
Certaines méthodes proposées, pour écarter ces difficultésimposées par une condition de ce genre, comportent des accouplements électriques ou hydrauliques entre l'installation et sa charge pour obtenir une trans- formation du couple et de la vitesse. Il est évident que cette disposition doit être évitée si possible.
L'invention a pour but, surtout, de rendre une installation motrice avec turbine à gaz telle qu'elle soit capable de fournir des puissances variant entre des limites écartées et à une vitesse variable ou constante tout en conservant un écoulement stable du flnide et une température cyclique maximum sensiblement constante pour toute la gamme des puissances.
En considérant un agencement possible, pour l'installation améliorée on se rend aisément compte, si l'on vent éviter que les limitations de vitesse, impo- sées par la charge, se répercutent dans le fonctionnement du compresseur, que les étages de la turbine productrice de puissance soient, de préférence, indépendants en ro- tation de ceux de la turbine entraînant le compresseur.
Une considération moins évidente, pour la réalisation envisagée de l'invention, est que la caracté- ristique de température maximum du cycle, pour toute
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installation motrice avec turbine à gaz et qui fonctionne avec des puissances variables, est influencée d'une ma- nière particulière par la relation existant entre la zone de pressions des étages de la turbine productrice de puis- sance et la zone de pressions des étages de la turbine entraînant le compresseur.
Si, par exemple, on envisage un dispositif à turbine dans lequel au moins deux étages, en série par rapport à l'écoulement du fluide, sont calcul-és de maniè- re à satisfaire à une certaine chute totale de pression ou de chaleur, chaque étage intervenant pour une proportion prédéterminée de cette chute, on constate, quand le dis- positif fonctionne avec une chute totale de pression ou de chaleur inférieure à celle pour lequel il a été calculé, qu'une repartition disproportionnée se produit dans la chute de pression pour les différents étages.
L'effet ob- tenu en général est tel que la proportion de la chute to- tale de pression, pour les étages supérieurs augmente alors que celle dans les étages inférieurs diminue quand la chu- te de pression totale décroit et une répartition corres- pondante est obtenue pour la chute totale de chaleur.
De plus, si un dispositif à turbine est calculé pour faire partie d'une installation dans laquelle un étage ou une combinaison de plusieurs étages de la tur- bine fournit du travail pour la compression, il en résulte, si l'on veut obtenir que les étages réservés au compresseur fournissent une puissance qui soit dans une relation don- née avec la puissance pour laquelle ils ont été calcules, c' est à dire pour une puissance de la turbine du compresseur en cas d'une charge partielle donnée, la chute totale de chaleur nécessaire varie, suivant la chute de chaleur ou de pression dans les étages de la turbine entraînant le compresseur, en fonction de la chute totale de chaleur et
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de pression.
Par conséquent, si le travail pour la com- pression est fourni par la chute de chaleur ou de pres- sion dans les étages inférieurs ou supérieurs de la tur- bine, la proportion de la chute totale de chaleur dimi- nue ou augmente, suivant le cas, quand la chute totale de chaleur diminue.
Si l'on considère deux installations cal- culées toutes deux de manière que la chute totale de cha- leur dans les étages de turbine soit la même pour une puissance à pleine charge donnée et qu'une proportion é- gale de cette chute de chaleur soit prévue pour les éta- ges entraînant le compresseur, du côte de la haute pres- sion pour la détente dans un cas et du côte de la basse pression pour la détente dans l'autre, on constate, si l'on veut obtenir dans chaque cas une puissance identi- que, pour une charge partielle et qui est fournie par les étages entraînant.le compresseur, que la chute totale de chaleur nécessaire pour cette charge partielle est moin- dre dans le premier cas que dans le second.
Or, si l'on assena* admet que les deux installations o-nt des tempéra- tires cycliques maxima similaires pour une puissance ou. charge totale, celle nécessaire pour une charge partiel- le sera moindre dans le premier cas que dans le deuxième cas. On se rend donc compte qu'entre les deux extrêmes, constitués par les deux installations considérées, on peut envisager un nombre infini d'installations intermé- diaires qui ont toutes des puissances à pleine charge si- milaires et des températures maxima correspondantes pour le cycle alors qu'elles, diffèrent en ce qui concerne l'emplacement des étages de turbine servant à l'entraine- ment du compresseur par rapport à la détente totale, ces étages nécessitant, par conséquent,
des température ma-
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xima variables pour le cycle pour des puissances simi- laires de la turbine du compresseur en cas de charge partielle. Si l'on suppose que la zone intéressée par ces températures variables comprend la température cy- clique maximum commune pour la pleine charge on satis- fait à la condition, dans une installation particulière, que la température cyclique maximum reste constante à la fois pour la pleine charge et pour une charge par- tielle donnée. De plus, -si on constate que cette condi- tion est satisfaite pour toute charge partielle (dans une zone désirée) pour cette installation particulière, cette dernière constitue la base la plus favorable pour le calcul d'un agencement pratique pour une installation du genre en question.
En envisageant une telle possibilité, une étude de la nature générale d'une installation de ce gen- re, basée sur les considérations ci-dessus, a conduit à la, conclusion qu'une installation, dans laquelle les é- tages de turbine producteurs de puissance extérieure u- tile se trouvent près du côté de haute pression de la dé- tente, tend à avoir une température cyclique maximum croissante quand la puissance diminue alors qu'une ins- tallation, dans laquelle les étages de turbine produc- teurs de puissance extérieure utile se trouvent près du côté de basse pression de la détente, tend à avoir une température cyclique maximum décroissante quand la puis- sance diminue.
En général, on constate que les étages producteurs de puissance doivent se trouver du côté de haute pression de la détente plutôt que du côté de basse pression de celle-ci afin que la température cyclique ma- ximum reste sensiblement constante pour des puissances variables.
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L'invention a pour objet une installa- tion avec turbine à gaz pour fournir de la puissance utile à un arbre et qui comporte à la fois des étages de turbine pour l'entrainement d'un compresseur et d'au- tres étages pour fournir en substance la totalité de la puissance utile de l'installation et dans laquelle la chute de pression du fluide actif en passant de l'étage à pression la plus élevée à celui à pression la plus basse pour les étages entraînant le compresseur, corres- pond en substance à la chute totale de pression du fluide actif dans le cycle opératoire de l'installation alors que les étages producteurs de puissance sont agencés de manière à pouvoir tourner indépendamment par rapport aux étages entraînant le compresseur tout en étant établis en parallèle ou en série intermédiaire,
par rapport à l'écoulement du fluide actif, avec certains de ces éta- ges, ladite installation étant caractérisée par le fait que l'on fait fonctionner les étages de turbine produc- teurs de puissance dans une zone de pressions qui se trouve dans ou en dessous de la zone de pressions des é- tages entraînant le compresseur alors que la limite de pression inférieure de la première zone se trouve au des- sus de la limite de pression inférieure de la dernière zone et qui est choisie de manière à permettre le fonc- tionnement de l'installation avec des puissances varia- bles et pour des vitesses variables ou constantes de l'ar- bre pendant que la température cyclique maximum reste sensiblement constante.
L'expression "se trouve dans", utilisée ci-dessus, comprend le cas où les zones de pres- sions respectives ont des limites supérieures qui coin- cident.
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L'invention peut être considérée comme présentant :un. intérêt particulier dans le cas où elle est appliquée à une installation comprenant un échangeur de chaleur mais elle peut également être utilisée, dans des cas appropriés, pour des installations comportant des moyens analogues à des échangeurs de chaleur et qui ré- cupèrent la chaleur d'une manière similaire ou pour des installations dans lesquelles aucune de ces dispositions n'est prévue.
Les dessins ci-annexés montrent, à titre d'exemple, un mode de réalisation de l'invention.
La fig. 1 montre, schématiquement, une ins- tallation avec turbine à gaz établie selon l'invention.
La fige 2 montre, semblablement, une ins- tallation du même genre mais du type connu auquel on se réfère plus haut.
Les figs. 3 et 4 montrent des diagrammes sur lesquels sont indiqués graphiquement les résultats ob- tenus avec ces installations,
On préfère utiliser le mode de réalisation de la fig. 1 car il comporte l'agencement le plus simple des parties constitutives pour obtenir le résultat recher- ché. L'air est aspiré par le compresseur 1, à basse pres- sion, et s'écoule de celui-ci vers le compresseur 2, à haute pression, en passant (à volonté) par un refroidis- seur intermédiaire 3.
A la sortie du compresseur 2 l'air traverse un échangeur de chaleur 4 et s'écoule vers le dispositif de combustion 5 dans lequel les produits de combustion sont divisés en deux courants dont un alimen- te une turbine de puissance 6 reliée à la charge 7 par l'arbre 8 alors que l'autre pénètre dans une turbine 9
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qui est reliée à l'arbre 10.du compresseur 2, à haute pression. A la sortie de la turbine de puissance 6 et de la turbine 9, entraînant le compresseur 2 à haute pres- sion, les gaz sont réunis et traversent la turbine 11, à basse pression, qui est reliée par l'arbre 12 au compres- seur 1, à basse pression.
A la sortie de la turbine 11, les gaz traversent l'échangeur de chaleur 4, dans lequel une certaine quantité de chaleur est fournie à l'air com- burant, après quoi les gaz sont évacués.
De cette manière la zone de pressions de la turbine de puissance 6 coïncide avec la partie supé- rieure de la zone de pression de la turbine 9 entrainant le compresseur alors que la turbine 6 est indépendante, en rotation, des compresseurs.
Pour l'installation connue de la fig. 2, l'air est aspire par le compresseur 1, à basse pression, et s'écoule depuis celui-ci vers un compresseur 2 , à hall- te pression, en passant à volonté par un refroidisseur 3.
L'air traverse ensuite un échangeur de chaleur 4 et pénè- tre dans une chambre de combustion 5. Les produits de com- bustion, sortant de celle-ci, traversent une turbine 6, à haute pression, qui entraine à l'aide de l'arbe 8 à la fois le compresseur 2 et une charge 7 et ces produits passent ensuite dans une turbine 9, à basse pression, qui est reliée par l'arbre 10 au compresseur 1, à basse pression. Les gaz sont ensuite évacués après avoir traversé l'échangeur de chaleur 4. Cette installation, comme dit plus haut, a un fonctionnement convenable quand l'arbre 8 de la turbine 6, à haute pression, tourne à une vitesse constante pour des puissances variables.
A titre de comparaison on a considéré deux installations analogues ailles des figs. 1 et 2 respecti-
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vement, chaque installation étant supposée avoir un taux total de pression de 12:1 et une température cyclique ma- ximum de 1050 K aux conditions du calcul. La performance a été considérée pour chaque installation quand celle-ci entraine une charge variable, dans un cas à une vitesse constante et dans l'autre à une vitesse qui est liée à la charge par la. relation dite "loi d'hélice".
La fig. 3 mon- tre les courbes de la température maximum en degrés Kelvin (ordonnées) en fonction des charges (abaisses) alors que la fig. 4 montre les courbes des rendements thermiques (or- données) en fonction des charges (abaisses) pour chaque installation à chaque condition. Les charges partielles sont, dans chaque cas, exprimées en fractions de la pleine charge. Dans le cas de l'installation, établie selon l'in- vention (comme sur la fig. 1), les courbes pour la vitesse constante et le fonctionnement selon la loi d'hélice coïn- cident et sont montrées sur les figs. 3 et 4 par les cour- bes 1 CV en traits pleins. On voit sur la fig. 3 que la température maximum à toutes les charges au dessus de 205 de la pleine charge est très voisine de sa valeur au point calculé A.
On voit sur la fige 4 que le rendement thermi- que est très élevé à toutes les charges excepté les char- ges les plus faibles. La performance de l'installation de la fige 2, quand elle fonctionne selon la loi d'hélice, est montrée en traits interrompus 2V sur les figs. 3 et 4. La température maximum monte rapidement quand la charge dimi- nue et la courbe cesse au point B, c'est à dire à environ 80% de la pleine charge à cause de l'instabilité du com- presseur et qui résulte des conditions imposées pour la vitesse.
Le rendement thermique augmente, évidemment, quand la température maximum croit, Quand la même installation (fig. 2) fonctionne à une vitesse constante, les courbes de
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performance sont considérablement améliorées, comme mon- tré par les courbes 2C tracées par des traits et des points sur les figs. 3 et 4. La température maximum des- cend, toutefois, rapidement depuis la valeur calculée au point A. L'effet obtenu pour le rendement est également très prononcé quand on le compare à la courbe 1 CV de l'installation établie selon l'invention.
Il résulte de la comparaison ci-dessus que l'installation selon l'invention non seulement permet d'ob- tenir de bons rendements pour toutes les charges quand la vitesse doit pouvoir varier mais procure également une amélioration par rapport à l'installation connue., dans le cas où la vitesse reste constante et à cet effet il suffit que la turbine de puissance comporte un régula- teur de vitesse constante.
Bien que l'installation selon la fig. 1 soit considérée comme convenant idéalement à des applica- tions aussi différentes que la propulsion de bateaux et la production d'électricité et, même, à la plupart des applications normales, il peut, dans certains cas, être avantageux d'utiliser une installation sensiblement si- milaire mais qui comporte des chambres de combustion sé- parées pour la turbine de puissance et la turbine du compresseur à haute pression et/ou une chambre de combus- tion de rechauffage et établie immédiatement en amont de la turbine du compresseur à basse pression.
D'autres modes de réalisation de l'inven- tion peuvent comporter des dispositions comportant au moins quatre turbines et un nombre accru en conséquence d'étages de compression pour permettre une plus grande sélectivité dans l'emplacement de la ou des turbines de puissance par rapport à la détente totale, en série ou en parallèle avec les étages de turbines pour le compresseur.
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Un mode de réalisation est envisagé avec trois étages de compression, chaque étage étant entrai- né par l'un quelconque d'un nombre correspondant d'éta- ges de turbine, les turbines à pression élevée, intermé- diaire et basse entraînant respectivement les compres- seurs à pression élevée, intermédiaire et basse, une turbine de puissance étant montée en série avec les tur- bines à pression élevée et intermédiaire en étant éta- blie entre ces turbines.
On croit qu'un tel mode de réa- lisation peut être calculé pour fournir une performance comparable à celle du mode de réalisation préféré mais son rotor additionnel le rend évidemment plus compli- qué.
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