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Installation pour la production de gaz chauds sous pression.
La présente invention concerne une installation pour la production de gaz chauds sous pression; par exemple pour la production de vent chaud pour haut-fourneau. De multiples pro- - positions ont été faites pour des installations de ce genre.
Parmi les inconvénients des installations connues, il faut signaler essentiellement leur prix élevé, leur encombrement et souvent leur complication.
Le but de la présente invention est de fournir une installation de production de gaz chaud sous pression dont les avantages sont : un coût réduit de fabrication et d'entre- tien, un faible encombrement, une grande simplicité d'opéra- tion et une bonne souplesse de marche.
Dans ce but, l'installation suivant l'invention est composée essentiellement de compresseurs, de turbines et d'é- changeurs de chaleur groupés de làmanière schématisée à la figure 1. Le gaz à produire chaud et sous pression, qui sera
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désigné ci-après sous le nom de gaz A (ce sera par exemple du vent pour haut-fourneau) , est aspiré en 1, à la pression p1'par le compresseur C1 qui le refoule en 2 à une pression p2, notablement supérieure à la pression p3 à laquelle il doit être utilisé.
Le gas A sortant du compresseur C1 est réchauffé ensuite dans un réchauffeur E, d' où il sort en 3, puis dans un réchauffeur R1 d'où il sort en 4, et se détend ensuite de la pression P2 à la pression P3 dans une turbine à gaz T1 d'où il sort en 5 pour subir un dernier réchauffage dans un réchauffeur Ra d'où il sort en 6 pour être utilisé .
Les réchauffeurs E, R1 et sont chauffés par des gaz de combustion qui parcourent le circuit suivant : l'air de combustion est aspiré en 7 et refoulé en 8 par le compresseur C2 qui le comprime de la pression atmosphérique à une pres- s ion p'2. voisine de ou égale à la pression P2 di-dessus dé- finie. L'air de combustion venant du compresseur C2 entre ensuite dans la chambre de combustion Ch où il est mis en présence du combustible liquide ou gazeux mis préalablement sous pression supérieure ou égale à P2 par l'appareil C3.
Les gaz de combustion sortant en 9 de la chambre de combustion Ch subissent un refroidissement en R21' d'où ils sortent en 10, puis en R., d'où ils sortent en 11, et sont ensuite détendus dans une turbine à gaz T2 de la pression -p'2 à une pression p'3 voisine de ou égale à p3 . Les gaz de combustion sortant en 12 de la turbine T2 sont séparés ensui- te en deux parties sensiblement égales dont l'une est détendue de 14 à 15 dans la turbine à gaz T4 tandis que l'autre est détendue de 13 à 16 dans la turbine T3; les turbines T3 et T4 opèrent la détente jusqu'au voisinage de la pression at- mosphérique.
Les gaz de combustion quittant les turbines T3 et T4 en 15 et en 16 se rejoignent pour entrer en 17 dans
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le réchauffeur E où ils sont refroidis pour être finalement évacués en 18 dans l'atmosphère.
Le compresseur C1'la turbine T1 et la turbine T3' sont accouplés de façon à constituer une ligne d'arbres I.
Le compresseur C2'L l'appareil C, la turbine T2 et la turbi- ne T4, sont accouplés de façon à constituer une ligne d'ar- bres II. Le démarrage-de l'installation se fait au moyen d'un moteur d. de démarrage attaquant la ligne d'arbres II, la vanne de démarrage V1 étant fermée. Dès que la vitesse de la ligne d'arbres II atteint une valeur suffisante, on produit l'allumage dans la chambre de combustion, puis on découple le moteur 2-. de la ligne d'arbres II; ces opérations devenues classiques peuvent être réalisées par tout moyen conbs nu.
Lorsque la vitesse normale est atteinte par les appa- reils groupés sur la ligne d'arbres II, la vanne V1 est ouverte ce qui provoque le démarrage des appareils groupés smr la ligne d'arbres I grâce à la détente des gaz dans la -turbine T3,
La régulation de vitesse de la ligne d'arbres 1 est assurée par un régulateur de vitesse S1 "commandant une vanne VR1 de by-pass-des gaz brûlés passant en R1 En effet,l'ou- verture de cette vanneprovoque une diminution de la tempé- rature -du gaz A à l'entrée de la turbine T1 et donc une di- minution de la puissance fournie par cette turbine, ce qui a pour effet de ralentir la ligne d'arbres I. réciproquement, la fermeture de la vanne Via 1 provoque, par le processus in- verse, l'accélération de la rotation de la ligne d'arbres I.
La régulation de la vitesse de la ligne d'arbres II est assurée par un régulateur de vitesse S2 commandant l'ar- rivée de combustible dans la chambre de combustion Ch: en effet, la diminution du débit de combustible provoque une diminution de la température des gaz de combustion à l'entrée
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de la turbine T2 et donc une diminution de la puissance four- nie par cette turbine ce qui a pour effet de ralentir la ligne d'arbres II. Réciproquement, la fermeture de la vanne VR1 provoque, par le processus inverse, l'accélération de la rotation de-la ligne d'arbres II.
La régulation de la température du gaz A en 6 est assurée par¯ un thermostat S3 commandant une vanne VR2 de by- pass. des gaz de combustion passant en R1
A La. régulation de pression du gaz/en 6 se fait par une vanne à sens unique V2 reliant les points 5 et 13, qui permet de dériver vers la turbine T3 une partie du gaz .4 sor- tant de la turbine T1' au cas où l'augmentation de la pres- sion en 6 tend à ralentir la vitesse de la ligne d'arbres I.
Dans l'installation suivant l'invention, les débits pondéraux, d'une part, de gaz A parcourant la turbine T'1 et d'autre part de gaz de combustion parcourant la turbine T2' sont sensiblement égaux dans les conditions de marche normale, et en outre, le rapport de la pression P2 à la pression p est choisi de façon que le débit volumétrique de gaz de com- bustion à la sortie de la turbine T2 soit sensiblement le double du débit volumétrique de ce gaz à l'entrée de cette turbine. Il en résulte la possibilité, lorsque la pression p3 est vo is ine de 2 a ta, d'utiliser un type unique d'ailet- tages fixes et mobiles, et de rotor, pour les turbines T2' T3 et T4.
Lorsque, en outre, les volumes spécifiques du gaz A et des gaz de combustion sont voisins, dans les mômes con- ditions de température et de pression, le rotor et les aulet- tages fixes et mobiles de la turbine T., peuvent être identi- ques aux éléments correspondants communs aux turbines T2' T3 et T4 .
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L'installation suivant l'invention exploite pleinement ces possibilités par le fait que les turbines Tl, T; T3 et T y sont identiques, sauf éventuellement en ce qui concerne la forme et la disposition des orifices d'entrée et de sortie des gaz.
Lorsque les volumes spécifiques du gaz A et de l'air comburant sont voisins dans les compresseurs C1 et C2' ces compresseurs peuvent comporter des rotors et des diffuseurs identiques. L'installation suivant l'invention exploite plei- nement cette possibilité par le fait'que les compresseurs C1 et C2 y sont identiques, sauf éventuellement en ce qui con- cerne la forme et la disposition des orifices d'entrée et de sortie des gaz .
Les avantages de l'installation suivant l'invention ressortent des caractéristiques mentionnées ci-dessus. En effet, l'identité des compresseurs et des turbines permet de simplifier notablement l'étude, l'essai et l'exécution des éléments qui y interviennent et de réduire sensiblement le nombre de pièces de rechange indispensables, ce qui a pour effet d'abaisser sensiblement le coût de fabrication et d'en- tretien.
L'encombrement réduit de l'installation suivant l'in- vention résulte de la possibilité de concentrer dans un es- pace restreint les divers éléments qui la composent, grâce au fait que les appareils principaux de compression et de dé- tente sont groupés en deux lignes d'arbres indépendantes .
La souplesse de marche de l'installation suivant l'in- vention résulte de la grande variété des conditions de mar- che qui sont passibles par la possibilité de réglage arbitrai- re des vitesses de rotation des deux lignes d'arbres et de la température et de la pression du gaz A produit.
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la simplicité d'opération de l'installation suivant l'invention découle directement du fait que toutes les manoeu- vres de réglage ou de variation des conditions de marche sont commandées uniquement par les trois appareils distincts, S1' 82 et S3 dont chacun a une fonction bien déterminée.
L'installation suivant l'invention se preste à divers ses réalisations particulièrement avantageuses dont les ca- ractéristiques sont mentionnées ci-après.
Une forme de réalisation de l'invention comporte des compresseurs C1 et C2 dont les roues sont toutes identiques, et de préférence d'un type fabriqué en grande série, par exem- ple pour les turbines à gaz d'aviation.
A titre exemplatif et nullement limitatif, la figure
2 représente schématiquement un rotor de compresseur suivant cette forme particulière de l'invention. Le rotor comporte trois roues centrifuges identiques à double entrée 19, 20 et 21,montées sur un axe commun a. Le gaz A pénètre dans les roues extrêmes 19 et 21 par chacune des entrées de ces roues. Le gaz A sortant de la roue 19, après compression dans celle-ci, passe d'une manière connue dans un diffuseur et éventuellement dans un réfrigérant intermédiaire (ces appareils pouvant être de tout type connu) et est amené ensuite à l'entra de la roue centrale 20, conttigue à la roue 19.
Le gaz A sor- tant de la roue 21 après compresison dans celle-ci, passe dans un diffuseur et éventuellement dans -un réfrigérant intermédial= re, (ces appareils pouvant être de tout type connu) et est amené ensuite à l'entrée de la roue centrale 20, contigtte à la roue 21.
Le gaz A sortant de la roue 20 passe ensuite d'une manière connue dans un diffuseur d'où il est dirigé trers la bride de sortie du compresseur.
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Lorsque le combustible utilisé dans l'installation suivant 1'invention est uncombustible liquide, le compresseur C2 est un compresseur d'air comburant identique au compresseur C1 de gaz A, sauf-éventuellement en ce qui concerne la forme et la disposition des orifices d'entrée et de sortie. Dans ce cas, l'appareil C3 sera une pompe à combustible liquide de tout type connu, accouplée à la ligne d'arbres II.
Lorsque le combustible utilisé dans l'installation suivant l'invention est un gaz pauvre, par exemple du gaz de hat,-fourneau, l'appareil C3 et le compresseur C2 sont combinés en un compresseur unique C2 identique à C1' Dans ce dernier cas, les rotors identiques des compresseurs Ci et C2 peuvent être composés par exemple d'un nombre impair de roues cen- trifuges comprenant une roue centrale à double entrée et à paroi médiane.
A titre exemplatif,la figure 3 représente un rotor de ce dernier type, mais il est évident que les roues peuvent aussi être à simple entrée et en nombre quelconque. Le circuit du gaz A dans le rotor représenté à la figure 3 est identique au circuit du gaz A dans le rotor représenté à la figure 2. Le circuit d'air comburant dans le rotor repré- senté à la figure 3 est le suivant : l'air comburant pénètre dans la roue extrême 22 par chacune de ses entrees. L'air comburant sortant de la roue 22 après compression dans celle- ci, passe d'une manière connue dans un diffuseur et éven- tuellement dans un réfrigérant intermédiaire (ces appareils pouvant être de tout )type connu) et est amené ensuite à l'entrée 25 de la roue centrale 23, contigue à la roue 22.
L'air comburant sortant en 26 de la roue 23, passe ensuite d'une manière connue dans le diffuseur 27 d'où il est dirigé vers la bride de s or tie . Le circuit de gaz combus-
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tible dans le rotor représenté à la figure 3 est le suivant :
24 le gaz combustible pénètre dans la roue extrême/par cha- cune de ses entrées. Le gaz combustible sortant de la roue 24, après compression dans celle-ci, passe d'une manière con- nue-dans un diffuseur et éventuellement dans un réfrigérant intermédiaire (ces appareils pouvant être de tout type connu) et est amené ensuite à l'entrée 29 de la roue centrale 23 contigue à la roue 24.
Le gaz combustible sortant en 30 de la roue 23 passe ensuite d'une manière connue dans le diffu- seur 31 d'où il est dirigé vers la bride de sortie. On obser- ve que l'air comburant et le gaz combustible restent -séparés dans le compresseur C2 dont le rotor-est représenté à la figure 3, sauf dans l'espace très minime compris entre la paroi médiane de la roue 23 et la paroi de séparation des diffuseurs 27 et 31;l'exiguïté de cet espace s'oppose à tout mélange appréciable d'air et de gaz.
Lorsque l'installation suivant l'invention comprend un compresseur C2 combiné pour l'air comburant et le gaz pau- vre, la variation de la température de combustion, commandée par le régualteur S1' est obtenue par une admission variable, dans le gaz pauvre à l'amont du premier étage du compresseur C2' de gaz brûlés prélevés à leur échappement dans l'atmosphè- re et préalablement refroidis dans un réfrigérant de tout ty- pe connu jusqu'au voisihage de la température ambiante.
A titre exemplatif et nullement limitatif, la figure 4 représente schématiquement une installation de production de vent chaud pour haut-fourneau, suivant l'invention, le combustible utilisé étant du gaz de haut-fourneau.
Dans l'installation schématisée par cette figure 4, des réfrigérants de tout type connu, par exemple, à circula- tion d'eau, sont interposés entre les points 2 et 3, 2' et 3', 10 et 11, 10' et 11',22 et 23 du circuit. Le régulateur S commande la vanne V3 d'admission par le conduit 24 de gaz
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brûlés refroidis dans le gaz pauvre à 1' amont du compresseur C2'réalisant ainsi un réglage de la température de combus- tion. Le compresseur Cl est du type représenté à la figure 2, et le compresseur C2 du type représenté à la figure 3. Les autres éléments de l'installation peuvent être aisément com- pris grâce à la description faite pour l'installation schéma- tisée à la figure 1.
A titre exemplatif les caractéristiques de cette ins- tallation peuvent être les suivantes :
EMI9.1
<tb> Débita <SEP> Pressions
<tb> Points <SEP> : <SEP> Températures
<tb> kg/h. <SEP> 1bs/sec. <SEP> C <SEP> ata.
<tb>
<tb>
1, <SEP> 1', <SEP> 9' <SEP> Air <SEP> 55.000 <SEP> 33,7 <SEP> 20 <SEP> 1
<tb>
EMI9.2
2, 2e3 10' Il Il Il 120 G,5 2, 3', il' Il 11- " 50 2,5
EMI9.3
<tb> 4 <SEP> " <SEP> 110.000 <SEP> 67,4 <SEP> 150 <SEP> 5
<tb>
<tb> 5 <SEP> " <SEP> " <SEP> " <SEP> 325 <SEP> 5
<tb> 6 <SEP> " <SEP> " <SEP> " <SEP> 650 <SEP> 5
<tb>
<tb>
<tb> 7 <SEP> " <SEP> " <SEP> " <SEP> 515 <SEP> 2,2
<tb>
EMI9.4
8 Il Il Il 750 2,2
EMI9.5
<tb> 9 <SEP> gaz <SEP> pauvre <SEP> 55. <SEP> 000 <SEP> 33,7 <SEP> 20 <SEP> 1
<tb>
<tb> 9a <SEP> " <SEP> 46.200 <SEP> 28, <SEP> 3 <SEP> 20 <SEP> 1
<tb>
<tb> 10 <SEP> " <SEP> 55.000 <SEP> 33,7 <SEP> 120 <SEP> 2,5
<tb>
<tb> 11 <SEP> " <SEP> " <SEP> " <SEP> 50 <SEP> 2,5
<tb> 12 <SEP> " <SEP> IL <SEP> " <SEP> 150 <SEP> 5
<tb>
EMI9.6
:
L2I air Il fui 150 5
EMI9.7
<tb> 13 <SEP> gaz <SEP> brûlé <SEP> 110.000 <SEP> 67.4 <SEP> 1210 <SEP> 5
<tb>
<tb> 14 <SEP> " <SEP> " <SEP> " <SEP> 975 <SEP> 5
<tb>
<tb>
<tb> 15 <SEP> " <SEP> " <SEP> " <SEP> 650 <SEP> 5
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EMI9.8
16 Il t1 It 515 z 2,2
EMI9.9
<tb> 17,18 <SEP> " <SEP> 55.000 <SEP> 33,7 <SEP> 515 <SEP> 2,2
<tb>
<tb> 19,20 <SEP> " <SEP> " <SEP> " <SEP> 400 <SEP> 1
<tb> 21 <SEP> " <SEP> 110.000 <SEP> 67,4 <SEP> 400 <SEP> l
<tb>
<tb> 22 <SEP> " <SEP> rr <SEP> Il <SEP> 225
<tb>
<tb> 23 <SEP> " <SEP> 8.800 <SEP> 5,4 <SEP> 40 <SEP> 1
<tb>
Rendement isentropique total de tous les appareils :
0,8
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L'usage dans l'installation suivant l'invention, de partie de compresseurs et de turbines utilisées dans les turbines à gaz d'aviation cons truites en grande série, perme t de diminuer encore le coût de fabrication de l'installation.
En effet, les frais d'études, d'essais, de mise au point, de fabrication et de contrôle de ces organes se répartissant sur un très grand nombre de pièces, leur incidence sur le coût de chaque organe est nécessairement beaucoup moindre que ce ne serait le cas pour des organes étudiés et réalisés spécial lement pour une installation industrielle qui neserait exé- cuté,dans l'hypothèse la plus favorable, qu'à un nombre très limité d'exemplaires.
Il est connu que certains organes (par exemple, ailet= tes de turbine) utilisés dans le turbines à gaz d'aviation ont une durée de vie très courte, par exemple 1000 heures à pleine charge, eu égard aux sollicitations élevées, tant me- caniques que thermiques, auxquelles ces organes sont soumis.
,La durée de vie normale d'une installation industrielle de- vant être de l'ordre de 100.000 heures, il est évident que les organes de cette installation, qui seraient empruntés à des turbines à gaz d'avion, ne peuvent être soumis aux sol- licitations élevées qui limitent leur durée de vie à un mil- lier d'heures.
Dans le cas où de tels organes seraient utili- dans sés/l'installatin suivant l'invention , une durée de vie su'ffis an te de ces organes sera assurée si l'on réduit, soit les forces centrifuges, soit la température de régime, soit les deux simultanément, ce qui sera obtenu respective- ment, soit par le choix d'une vitesse normale de rotation des rotors, correspondant environ aux deux tiers de la vitesse maximum admissible pour ces éléments dans les turbines à gaz d'aviation de type correspondant, soit par le choix d'une tem- pérature d'admission des ggaz dans les turbines, inférieure
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d'au moins 100 C à la température d'admission des gaz, à pleine charge, dans les turbines à gaz d'aviation de type correspondant.
REVENDICATIONS.
1.- Installation de production de gaz chauds sous pression comportant un circuit dans lequel un gaz A est suc- cessivement comprimé, chauffé, partiellement détendu et réchauffé, et un circuit de gaz de combustion dans lequel l'air comburant et le combustible sont successivement mis sous pression, brûlés, refroidis, détendus et refroidis à nouveau, caractérisé en ce que les débits pondéraux de gaz A et de gaz de combustion sont sensiblement égaux en marche normale et en ce que les appareils principaux de compression et de détente sont disposés en deux lignes d'arbres identiques, sauf éventuellement en ce qui concerne la forme et l'emplace- ment des orifices d' entrée et de sortie des gaz, chacune de ces lignes d'arbres comportant deux turbines identiques sauf en ce qui concerne la forme et l'emplacement des orifices d'entrée et de sortie des gaz.