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INSTALLATION DE MACHINE A VAPEUR, DONT LA CHAUDIERE RECOIT SON AIR DE
COMBUSTION D'UNE TURBINE A AIR.
La présente invention est relative à une installation de chaudière à vapeur dont la chaudière reçoit son air de combustion d'une turbine à air.
L'intercalation de la turbine à air s'effectue en comprimant l'air de combustion de la chaudière dans un compresseur avant son réchauffement par les gaz résiduai- res de la chaudière, et en le détendant dans une turbine à air avant son entrée dans le foyer. Le travail libéré par la détente dépasse ainsi le travail con- sommé à la compression et peut être transformé en énergie électrique utilisable.
L'avantage d'un tel dispositif consiste en ce que les chaleurs perdues de la turbine à air sont introduites dans la chaudière à vapeur, et que l'énergie uti- le est par conséquent produite avec un rendement thermique très élevé. Le dis- positif présente cependant un certain nombre d'inconvénients, qu'il partage en partie avec d'autres installations de turbines à gaz.
1 ) Le compresseur consomme une partie prépondérante de la puissan- ce de la turbine à air ;
2 ) Le rendement de la charge partielle de l'installation à air diminue, parce que a/ la pression de refoulement du compresseur augmente, la chute de pression de la turbine (sans distributeur), diminue de sorte qu'il se produit des pertes par étranglement; b/ les conditions d'écoulement dans les deux machines deviennent défavorables; c/ le préchauffage de l'air dans la chaudière à vapeur diminue.
3 ) L'installation ,de la turbine à air nécessite un moteur de dé- marrage qui doit être calculé très largement, pour que la chaudière reçoive pen- dant toute sa période de démarrage une quantité minimum d'air nécessaire à un feu stable.
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marcher. 4 ) En cas d'arrêt de la turbine à air, la chaudière ne peut pas marcher
Il serait coûteux, mais cependant possible, d'installer un appareil de production d'air frais particulier de grande hauteur de refoulement, qui con- vienne pour faire passer l'air de combustion à traversl'étroit réchauffeur d'air calculé pour de hautes pressions;
mais la difficulté persiste cependant que l'air de combustion - par suite de la détente qui fait défaut - arrive dans le foyer en étant beaucoup trop chaude
On peut éviter dans une large mesure les inconvénients cités si, conformément à l'invention, le compresseur de la turbine à air comprend deux parties, dont l'une est commandée par ia turbine à air et dont l'autre est com- mandée par une turbine alimentée par la'vapeur de la chaudière et intercalée en série entre le surchauffeur préalable et le. surchauffeur final.
On entend ici sous le terme de turbine en série principalement une turbine à action à un étage, sans distributeur, intercalée entre le surchauf- feur préalable et le surchauffeur final de la chaudière à vapeur et traversée par la totalité ou par une quantité prépondérante de la vapeur de la chaudière.
Si on maintient à l'état de la vapeur (plus exactement son volume spécifique) constant à la sortie de la turbine en série, sa puissance est proportionnelle au cube de la quantité de vapeur, ce qui fait de la turbine comme on le sait ' ' un mécanisme idéal de commande de l'alimentation principale d'air de la chandiè- re, dont la consommation d'énergie suit la même loi de puissance. Le nombre de tours de la turbine et de l'aérateur se règle ainsi proportionnellement à la charge de la chaudière, de manière que toutes les machines fonctionnent 'constamment sans pertes par étranglement avec le rendement maximum. A côte de ces conditions de réglage favorables, la turbine en série offre davantage qu'elle fournit sa puissance utile avec un rendement thermique élevé.
Du fait que la quantité de chaleur qu'elle pèrd est compensée par le réchauffage répété de la vapeur dans le surchauffeur final - ce qui équivaut à un surchauffage in- termédiaire de la vapeur - elle ne consomme que l'équivalent calorifique de son travail et un travail de'la pompe d'alimentation proportionnel à la faible chute de pression.
Ce dernier avantage de la turbine en série n'est utilisable que dans une mesure restreinte dans les installations de machines à vapeur ordinai- res, parce que la consommation de puissance des ventilateurs de la chaudière est limitée et que la commande d'un générateur de fourniture d'énergie électri- que n'est pas possible à cause du nombre de tours variable de la turbine.
En revanche., par la commande partielle du compresseur, on peut re- tirer de la turbine une puissance notablement accrue qui s'ajoute indirectement à la production d'énergie.. Une limite supérieure à ce point de vue n'est en général donnée que par l'augmentation du prix de la chaudière, des pompes d' ali- mentation et des conduites, liées à l'augmentation de pression en tête de la turbine en série. Mais en tous cas, une réduction notable de l'inconvénient cité sous le N 1 ci-dessus résulte de cette mesure.
Les considérations qui suivent concernent le comportement de char- ge partielle du dispositif :si le débit d'air et le nombre de tours de la par- tie du compresseur commandée par la turbine en série est proportionnel à la char- ge de la chaudière, sa consommation d'énergie augmente avec le cube de ;La char- ge de la chaudière, et la fourniture d'énergie de la turbine en série s'adapte automatiquement à ces besoins comme auparavanto Son nombre de tours devient proportionnel à la charge de la chaudière de sorte que ses propriétés de régla- ge favorables citées plus haut se maintiennent.
Du fait que la pression de refoulement dela partie du compresseur commandée par la turbine en série diminue en cas de charge partielle par suite de la diminution du nombre de tours, l'étranglement du compresseur nécessaire sinon en cas de charge partielle, devient en partie inutile., Pour une subdivi- sion appropriée du compresseur, il est possible d'éviter entièrement l'étrangle- ment, de manière que la turbine à air s'adapte automatiquement à la charge de la chaudière sans perte d'énergie. La subdivision nécessaire dépend des courbes caractéristiques du compresseur et :de la-turbine à air.
En cas de charge par-
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tielle, les deux parties du compresseur fonctionnent avec un. bon rendement, à l'étage inférieur parce que le nombre de tours s'adapte au volume refoulé, à l'é- tage supérieur parce que le nombre de tours est fixe et que; par suite de là compression préalable plus faible, le volume refoulé se modifie à peine. Les inconvénients cités sous 2a et b sont par conséquent partiellement ou entièrement écartés.
Si, en cas d'arrêt de la turbine à air, la chaudière doit fonction- ner seule, les mesures suivantes sont nécessaires. L'étage du compresseur com- mandé par la turbine en série fonctionne à un nombre de tours considérablement réduit, qui suffit exactement à comprimer dans le foyer la quantité d'air de combustion nécessaire en dérivation du compresseur ordinaine et de la turbine à air en passant par le réchauffeur d'air. La diminution du nombre de tours se produit en ouvrant un second groupe de tuyères de la turbine en série qui, dans ce cas, ne reçoit, en marche normale, qu'une partie de sa charge, de ma- nière que la vapeur pénètre à vitesse réduite dans le rotor.
Si le groupe de tuyères est convenablement choisi pour une charge, il convient pour toutes les charges, et la puissance et le nombre de trous de la turbine en série s'adaptent à nouveau automatiquement à la charge de la chaudière. Pour éviter dans ce cas un chauffage exagéré de l'air de combustion, les gaz de cheminée doivent être davantage refroidis avant leur entrée dans le réchauffeur à air. Ceci peut avoir lieu par intercalation d'une surface de chauffe supplémentaire qui doit être choisie de manière à éviter une variation de température nuisible du côté de la vapeur. 'Pendant la marché de la turbine à air, cette surface de chauffe est contournée par un by-pass, et en cas d'arrêt de la turbine à air, elle est chauf- fée en fermant le by-pass.
La température de l'air chaudcen cas de charges par-. tielles '= avec ou sans turbine à air- peut également être réglée par étranglement de ce by-pass.
Un certain inconvénient du dispositif décrit consiste en ce que la chute de pression de la turbine en série est très grande et augmente et di- minue comme le carré de la charge de la chaudière. Si on alimentait la chaudière à une pression d'eau constante, il se produirait en cas de charge partielle des pertes très élevées par étranglement et des difficultés de réglage du niveau de l'eauo On peut éviter ces difficultés si on adjoint à la chaudière une pompe d'alimentation additionnelle particulière, commandée par la turbine en série, c'est-à-dire à un nombre de tours proportionnel à la charge de la chaudière.
Un dispositif de ce genre fonctionne sans pertes par étranglement et de la façon la plus favorable au point de vue de la technique de réglage quand la pression d'admission de la pompe supplémentaire est égale à la pression de vapeur à la sortie de la chaudière. Comme les résistances intérieures de la chaudière et de la turbine en série augmentent avec le carré de la charge, elle fournit cons- tamment exactement la pression d'alimentation nécessaire de sorte que sa puis- sance de propulsion est proportionnelle au cube de la charge de la chaudière et que la compensation automatique des charges reste à nouveau assurée.
En cas d'arrêt de la turbine à air, où la chute de pression de la turbine en série est plus faiblé, 1'eau d'alimentation est tirée d'un étage de pression inférieur de la pompe additionnelle, et dans ce cas les étages supérieurs,doivent être protégés par des moyens connus contre la formation de vapeur.
On peut encore choisir la pression d'admission de la pompe suffi- samment élevée pour qu'elle suffise, en cas d'arrêt de la turbine à air, à l'a- limentation de la chaudière sans pompe additionnelle. Le comportement au point de vue technique de réglage est alors moins avantageux, mais on recueille l'a- vantage que 1.11 alimentation en parallèle de plusieurs chaudières à vapeur est facilitée et que l'aptitude de marche en cas d'arrêt de la pompe additionnelle est augmentée.
En principe, l'utilisation d'une pompe additionnelle commandée par la turbine en série peut également être avantageuse sur des chaudières sans turbine à air pour autant qu'elles accusent une chute de pression intérieure élevée ; tel est par exemple le cas pour des chaudières à marche forcée ou à sur- chauffe intermédiaire indirecte de la vapeur.
Etant donné.le nombre multiple des machines commandées par la tur- bine en série (étage de compresseur, tirage d'aspiration, pompe additionnelle) il est avantageux de transmettre la charge non pas par voie mécanique, mais par
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1?électricité et de raccorder de façon connue l'ensemble des machines auxiliai- res de la chaudière (appareil d'aérage primaire, alimentation, moteurs de courants de Ljung, etc.) à ce réseau électrique. On ne commandera directement par voie mécanique que le consommateur le plus important, l'étage du compresseur, pour maintenir bas les prix de.la transmission électrique.
L'accouplement mécanique ainsi produit du compresseur, de la turbine en série et d'un alternateur, peut être utilisé à faire démarrer la chaudière et la turbine à air quand elles sont arrêtées. Dans ce but, on alimente le générateur par le réseau et il commande l'étage du compresseur comme moteur ; pourmaintenir assez basse l'énergie de propulsion, on choisit le nombre de tours de l'étage du compresseur suffisamment bas pour qu'il suffise exactement à introduire dans le foyer Pair nécessaire à la combustion pour la mise à feu de la chaudière. L'abaissement du nombre de tours du compresseur peut, dans ce cas, s'effectuer par des moyens connus, soit du côté électrique, par exemple par inversion des pôles du générateur, ou du côté mécanique, par exemple par un mécanisme de changement de vitesse à li- quide ou à engrenages.
Quand la chaudière marche et fournit de la vapeur, la turbine en série reçoit progressivement la charge du compresseur; quand la com- pression augmente, le compresseur est capable de commander la, turbine à air, dont le by-pass est fermé, pour qu'elle entraîne de son côté i'étage du compres- seur qu'elle commande.
Le degré de transmission du générateur passe alors à sa valeur nor- male, puis il est détaché du réseau de façon connue en même temps que les autres moteurs de la chaudière (tirage d'aspiration, pompe additionnelle, etco) et il en prend seul la commande. Par le dispositif décrit, la'mise en marche de la chaudière et de la turbine à air est possible à l'aide de moyens additionnels de peu d'importanceo
Si en cas de marche sans turbine à air, la turbine en série tourne à un nombre de tours réduit, on peut utiliser le rapport de transmission varia- ble du générateur à la commande des moteurs auxiliaires de la chaudière au nom- bre de tours complet nécessaire à la.marche de la chaudière.
Le dessin schématique en annexe représente un exemple d'exécution de l'invention ;
Sur le schéma on prévoit la surchauffe intermédiaire de la vapeur par de la vapeur à haute pression tirée entre le surchauffeur préalable et le surchauffeur final; pour ne pas limiter le degré de surchauffe intermédiaire, on intercale la turbine en série - à cause de l'importante chute de la quantité de chaleur qui s'y produit = du côté de haute pression de ce surchauffeur inter- médiaire.
L'eau d'alimentation passe par un réchauffeur 1 vers la chaudière 2, et la vapeur qui s'y produit traverse un surchauffeur préalable 4, un surchauf- feur final 6, la turbine principale 7 avec le surchauffeur intermédiaire 8 et passe au condenseur 9. De là, l'eau d'alimentation est conduite à travers une pompe de condensat 10, un refroidisseur intermédiaire du compresseur 21 et un groupe de réchauffeurs 3 à la pompe d'alimentation de la chaudière 11 qui ramène l'eau d'alimentation par une pompe additionnelle 12 dans la chaudière 2. Entre le surchauffeur préalable et le surohauffeur final (4 ou respectivement 6) se trouvent des vannes de dérivation 23 et 24 : dérivation sur la vanne 23 se trouve le surchauffeur intermédiaire 8, en dérivation de 24, la turbine en série 5.
Sur le même axe que la turbine en série 5 se trouve l'étage de compresseur 13 et le générateur 19, qui commande la pompe additionnelle 12 et les moteurs auxiliaires ou qui;. inversement, est alimenté en courant du réseau 22 en même temps que ces moteurs.
L'air comprimé de l'étage du compresseur 13 passe en marche nor- male par le refroidisseur intermédiaire 21,¯l'étage de compresseur 14, un réchauf- feur d'air 15 et une turbine à air 16 vers le foyer (conduite-17). La turbine à air 16 commande ainsi l'étage de compresseur 14 et un générateur 18.
Lors du démarrage de l'installation ou en cas d'arrêt de la turbine à air 16, l'air passe par les vannes de dérivation 25 et 26.