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La présente invention concerne d'une façon générale un groupe de force motrice comprenant une turbine à gaz, notamment un agencement compact pour un groupe de force motrice à turbine à gaz plus particulièrement destiné à fonctionner dans un espace restreint, comme c'est nécessaire par exemple dans les locomotives ou les bateaux.
Un but de l'invention est donc de créer un ensemble dont l'encombrement est réduit au minimum et qui comprend une turbine à gaz, un compresseur et un échangeur de chaleur coopérant les uns avec les autres.
Un autre but de l'invention est de créer un ensemble nerfectionné comprenant une turbine à gaz et un compresseur avec
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un agencement spécial des aubes transmettant un minimum de poussée axiale au rotor de la turbine et du compresseur d'air.
Un autre but de l'invention est de créer un bloc à tur- bine et compresseur combinés comportant un seul rotor monté dans des paliers disposés dans une zone de faible température et non exposés aux actions nuisibles de la zone de fonctionnement à haute température.
Ces buts et d'autres buts ressortiront mieux de la description ci-après en regard du dessin annexé., sur lequel la figure unique est une vue schématique en coupe axiale d'un groupe à turbine à gaz çonstruit selon l'invention.
Cette figure montre schématiquement un ensemble compre- nant un compresseur, une turbine et un échangeur de chaleur combinés logés dans une enveloppe extérieure 10 d'une forme sensi- blement cylindrique. La turbine 14 et le compresseur axial 18 sont montés sur un rotor commun creux 27 muni de fusées 22 qui reposent dans des paliers extérieurs 26. Ce rotor est entouré d'un échangeur de chaleur 50 centré sur son axe. Les paliers 26 reposent à leur tour sur des supports 28 fixés sur un socle 30 ou sur une autre base principale. Etant donné que le fonctionnement de la turbine et du compresseur n'engendre aucune pou,ssée axiale sensible, les- supports, peuvent être de simples montants uniquement destinés à maintenir les paliers 26 dans l'alignement axial.
L'enveloppe extérieure 10 est portée, indépendamment du rotor 27, par des moyens tels qu'ils sont indiqués en 32 et 34, ce qui permet au rotor de tourner librement autour de son axe sans être gêné par les organes qui. l'entourent. Un dispositif d'accouplement 25 permet d'utiliser en un lieu quelconque la force motrice développée dans la turbine, mais ceci ne fait pas partie de l'invention.
Le otor 27 est essentiellement constitué par une pièce cylindrique creuse présentant à une extrémité 23 des orifices d'admission 36 par lesquels l'air peut entrer dans la chambre 35 menagée à l'intérieur du rotor. Cet air entrant dans la chambre
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s'écoule Salement jusque la rangée périphérique d'orifices 38 à travers lesquels cet air est aspiré par le compresseur 18 dont les aubes 42B le refoulent dans le collecteur 44. L'air aspiré directement en 37 'à l'extrémité gauche du rotor 27 est refoulé par une série d'aubes 42A dans le même collecteur 44, et les aubes 42A et 42B sont à cet effet inclinées dans des sens opposés.
L'air comprimé passe du collecteur 44 dans un récupérateur ou échangeur de chaleur 50, ensuite dans un distributeur circulaire 51 qui communique avec une chambre d'allumage 52. Dans cette chambre 52, l'air comprimé assure 'allumage d'un carburant injecté par des tuyères 54. Les produits gazeux de combustion passent de la chambre d'allumage 52 dans une chambre de combustion 63 qui les distribue dans la turbine à gaz 14 où leur détente fait tourner le rotor autour de son axe. Les gaz de combustion sortant de la turbine repassent dans l'échangeur de chaleur 50 pour céder leur chaleur résiduelle à l'air de combustion. Les gaz de combustion ainsi refroidie sont évacués à l'air libre par un orifice 58 de l'envelop- pe extérieure 10.
La turbine 14 comprend deux groupes égaux d'aubes 46A et 46B inclinées dans des sens opposés, disposées de part et d'au- tre de la fente périphérique d'admission 15. Les gaz entrant dans la turbine par cette fente 15 se détendent dans les deux groupes 46A et 46B en direction des deux fentes d'échappement 17A et 17B, et passent ensuite dans les compartiments à gaz de l'échangeur de :chaleur 50 pour sortir finalement par l'orifice 58.
Axialement espacés des orifices 38, il y a dans le rotor, d'autres orifices 39 disposés en rangée périphérique et permettant le passage d'une certaine quantité d'air vers l'entrée d'un com- presseur auxiliaire 41. Après une légère compression, ce compresseur auxilia.ire refoule l'air froid dans la fente d'échappement 17A où cet air se mélange avec les gaz de combustion pour abaisser leur température. Des orifices 43 pratiqués dans le flasque en bout 45 sur le côté droit du rotor 27 permettent le passage de l'air
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froid de la chambre 35 entre les aubes 47, où la. force centr@@age de ces aubes refoule cet air légèrement comprime dans la fente d'échappe-lent 17B en vue de l'abaissement de la température des gaz de combustion chauds.
Le rotor 27 est entouré d'un cylindre concentrique 61 formant une chambre annulaire 40 par laquelle l'air comprimé et les gaz de combustion chauds sont refoulés dans l'échangeur de chaleur 50. Ce cylindre 61 est entouré d'un deuxième cylindre 63 et forme avec celui-ci une chambre annulaire intermédiaire 57, qui est remplie d'une matière mauvaise conductrice de la chaleur ayant tendance à isoler la zone du gaz à haute température du récupéra- teur pour maintenir l'air aspiré à une température relativement basse.
Un joint de dilatation 62 prévu sur le pourtour de l'en- veloppe extérieure 10 permet la dilatation ,axiale de cette enveloppe @ sans contrarier l'alignement axial des paliers 26. '
Pendant le fonctionnement, l'air aspiré entre par la fente 37 et passe directement dans les aubes 42A qui le compriment et le refoulent dans le collecteur 44. Une certaine quantité d'air comprimé est également refoulée dans le collecteur 44 par les aubes 42B qui reçoivent l'air par les orifices 38 et les orifices d'entrée 36 du rotor. Cet air comprimé passe du collecteur 44 à travers l'échangeur de chaleur 50 où il absorbe la chaleur des gaz de combustion chauds avant d'entrer dans la chambre d'allumage 52 pour assurer l'allumage du carburant injecté par la tuyère 54.
Après l'allumage, les produits gazeux de combustion passent dans la fente d'admission 15 de la turbine et sont divisés en deux courants qui s'écoulent dans des directions opposées entre les aubes 46A et 46B de la turbine, en se détendant pour fournir l'énergie nécessaire à l'entraînement du rotor autour de son axe.
Pendant la rotation du rotor, le compresseur axial 41 et le compresseur centrifuge 47 aspirent une faible quantité d'air,dans la chambre 35 pour la re- fouler à l'encontre de la faible pressa des gaz de combustion
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dans les fentesd'échappement 17A et 17B. L'air compr@mé plus froid réduit la température des gaz d'échappement de la turbine avant leur passage dans les compartiments à gaz de l'échangeur de chaleur 50. Après la transmission d'une grande partie de leur chaleur à l'air entrant, dans l'échangeur de chaleur 50, les gaz de combustion refroidie passent par l'orifice 58 dans la cheminée.
Tout effet de propulsion résultant d'un jet d'échappement de la turbine est efficacement neutralisé par un jet d'échappement similaire orienté dans une direction opposée. De plus, ainsi qu'il a été indiqué précédemment, le compresseur est divisé en deux parties refoulant dans des directions opposées, de sorte que toute poussée axiale transmise par le compresseur au rotor est encore efficacement neutralisée au point d'origine.
Il résulte de ce nouvel agencement des aubes de la turbine et du compresseur que la poussée axiale résiduelle se présentant pendant le fonctionnement normal est sensiblement réduite à zéro, ce qui élimine entièrement la tendance du rotor de la turbine et du compresseur à se déplacer vers les paliers. Ces paliers du groupe décrit sont disposés à l'extérieur du cylindre dans lequel tourne le rotor, dans une zone de basse température où ils ne subissent pas l'action de la chaleur interne ni l'action corrosive des gaz'chauds.
L'abaissement de la température des gaz de combustion chauds sortant de la turbine, par une injection d'air froid de la manière précédemment décrite, fournit des gaz chauds pour l'échan geur de chaleur,ces gaz ayant cependant une températureet une pression un peu inférieures à celles des gaz d'échappement. Grâce à cette réduction de la température, le récupérateur et ses con- duits de raccordement peuvent être construits en alliage ne résis- tant qu'à des températures relativement faibles.
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The present invention relates generally to a motive power unit comprising a gas turbine, in particular a compact arrangement for a gas turbine motive power unit more particularly intended to operate in a confined space, as required by example in locomotives or boats.
An object of the invention is therefore to create an assembly the size of which is reduced to a minimum and which comprises a gas turbine, a compressor and a heat exchanger cooperating with one another.
Another object of the invention is to create an improved assembly comprising a gas turbine and a compressor with
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a special arrangement of the blades transmitting a minimum of axial thrust to the rotor of the turbine and the air compressor.
Another object of the invention is to create a combined turbine and compressor unit comprising a single rotor mounted in bearings arranged in a low temperature zone and not exposed to the harmful actions of the high temperature operating zone.
These and other objects will emerge better from the description below with reference to the accompanying drawing, in which the single figure is a schematic view in axial section of a gas turbine unit constructed according to the invention.
This figure shows schematically an assembly comprising a combined compressor, turbine and heat exchanger housed in an outer shell 10 of substantially cylindrical shape. The turbine 14 and the axial compressor 18 are mounted on a common hollow rotor 27 provided with rockets 22 which rest in external bearings 26. This rotor is surrounded by a heat exchanger 50 centered on its axis. The bearings 26 in turn rest on supports 28 fixed on a pedestal 30 or on another main base. Since the operation of the turbine and compressor does not generate any substantial axial strain, the supports may be simple uprights only intended to keep the bearings 26 in axial alignment.
The outer casing 10 is carried, independently of the rotor 27, by means as indicated at 32 and 34, which allows the rotor to rotate freely around its axis without being hampered by the members which. surround it. A coupling device 25 allows the driving force developed in the turbine to be used anywhere, but this does not form part of the invention.
The rotor 27 is essentially constituted by a hollow cylindrical part having at one end 23 inlet orifices 36 through which air can enter the chamber 35 formed inside the rotor. This air entering the room
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Dirtly flows as far as the peripheral row of orifices 38 through which this air is drawn in by the compressor 18, the vanes of which 42B return it to the manifold 44. The air drawn in directly at 37 'at the left end of the rotor 27 is forced by a series of blades 42A into the same manifold 44, and the blades 42A and 42B are for this purpose inclined in opposite directions.
The compressed air passes from the manifold 44 into a recuperator or heat exchanger 50, then into a circular distributor 51 which communicates with an ignition chamber 52. In this chamber 52, the compressed air ensures the ignition of an injected fuel. by nozzles 54. The gaseous combustion products pass from the ignition chamber 52 into a combustion chamber 63 which distributes them in the gas turbine 14 where their expansion causes the rotor to rotate around its axis. The combustion gases leaving the turbine pass back through the heat exchanger 50 to transfer their residual heat to the combustion air. The combustion gases thus cooled are discharged into the open air through an orifice 58 of the outer casing 10.
The turbine 14 comprises two equal groups of blades 46A and 46B inclined in opposite directions, arranged on either side of the peripheral inlet slit 15. The gases entering the turbine through this slit 15 expand in the two groups 46A and 46B in the direction of the two exhaust slots 17A and 17B, and then pass through the gas compartments of the heat exchanger 50 to finally exit through the orifice 58.
Axially spaced from the orifices 38, there are in the rotor other orifices 39 arranged in a peripheral row and allowing the passage of a certain quantity of air towards the inlet of an auxiliary compressor 41. After a slight compression, this auxilia.ire compressor delivers cold air into the exhaust slot 17A where this air mixes with the combustion gases to lower their temperature. Holes 43 made in the end flange 45 on the right side of the rotor 27 allow the passage of air
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cold of the chamber 35 between the blades 47, where the. central force of these vanes forces this slightly compressed air into the exhaust slit 17B with a view to lowering the temperature of the hot combustion gases.
The rotor 27 is surrounded by a concentric cylinder 61 forming an annular chamber 40 through which the compressed air and the hot combustion gases are discharged into the heat exchanger 50. This cylinder 61 is surrounded by a second cylinder 63 and forms therewith an intermediate annular chamber 57, which is filled with a poor heat conductor material which tends to isolate the high temperature gas zone of the recuperator to maintain the aspirated air at a relatively low temperature.
An expansion joint 62 provided around the periphery of the outer casing 10 allows the axial expansion of this casing without interfering with the axial alignment of the bearings 26. '
During operation, the air drawn in enters through the slot 37 and passes directly into the vanes 42A which compress it and discharge it into the manifold 44. A certain quantity of compressed air is also discharged into the manifold 44 by the vanes 42B which receive air through ports 38 and inlet ports 36 of the rotor. This compressed air passes from the manifold 44 through the heat exchanger 50 where it absorbs the heat from the hot combustion gases before entering the ignition chamber 52 to ensure the ignition of the fuel injected by the nozzle 54.
After ignition, the gaseous products of combustion pass through the inlet slot 15 of the turbine and are divided into two streams which flow in opposite directions between the blades 46A and 46B of the turbine, expanding to provide the energy required to drive the rotor around its axis.
During the rotation of the rotor, the axial compressor 41 and the centrifugal compressor 47 suck a small quantity of air into the chamber 35 to return it against the low pressure of the combustion gases.
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in the exhaust slots 17A and 17B. The colder compressed air reduces the temperature of the turbine exhaust gases before they pass through the gas compartments of the heat exchanger 50. After transmitting a large part of their heat to the air entering the heat exchanger 50, the cooled combustion gases pass through the orifice 58 in the chimney.
Any propelling effect resulting from a turbine exhaust jet is effectively neutralized by a similar exhaust jet pointing in an opposite direction. In addition, as previously indicated, the compressor is divided into two parts discharging in opposite directions, so that any axial thrust transmitted by the compressor to the rotor is still effectively neutralized at the point of origin.
As a result of this new arrangement of the turbine and compressor blades, the residual axial thrust occurring during normal operation is substantially reduced to zero, which entirely eliminates the tendency of the turbine rotor and compressor to move towards them. bearings. These bearings of the group described are arranged outside the cylinder in which the rotor turns, in a low temperature zone where they are not subjected to the action of internal heat or the corrosive action of hot gases.
Lowering the temperature of the hot combustion gases leaving the turbine, by injecting cold air in the manner previously described, provides hot gases for the heat exchanger, these gases however having a temperature and a pressure of slightly lower than those of the exhaust gases. By virtue of this reduction in temperature, the recuperator and its connection pipes can be made of an alloy which is resistant only to relatively low temperatures.