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La présente invention concerne un dispositif destiné à améliorer le fonctionnement à charge partielle d'une installation de turbocompresseur.
On.sait qu'on peut obtenir un réglage économique des turbocompresseurs à pression de refoulement constante lorsque le débit aspiré varie, ou également une relation quelconque entre le débit et la pression en réglant la
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vitesse de rotation. Ceci est réalisable par des moyens relativement simples lorsque le compresseur est actionné par une turbine à vapeur. On connaît toutefois également des installations à moteurs électriques qui.rendent possible le réglage de leur vitesse de rotation. Mais ces dispositifs ou bien entraînent des pertes complémentaires importantes annulant l'économie de puissance résultant de la modification de la vitesse de rotation du compresseur, ou bien ils sont très coûteux à l'achat.
Lorsqu'on utilise des moteurs électriques pour actionner les turbocompresseurs, on les fait donc aujourd'hui généralement fonctionner à vitesse constante et on règle le débit, par exemple à l'aide d'un papillon de laminage monté dans le conduit d'aspiration. On connaît toutefois d'autres moyens comprenant par exemple le montage d'une turbine placée en amont du compresseur et couplée à celui-ci et permettant de convertir en travail mécanique l'énergie qui sans cela serait détruite par le laminage. On réalise de cette manière une certaine économie de force, motrice pour l'entraînement du compresseur, mais il n'est pas possible d'étendre le domaine de fonctionnement stable du 'compresseur au delà de celui qu'on peut atteindre en laminant l'aspiration.
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On sait en effet que tout turbocompresseur possède un domaine de régime instable lorsque le volume aspiré est réduit au-dessous d'une certaine limite. Or, si à l'aide d'un organe de laminage placé dans le conduit d'aspiration, on abaisse la pression d'entrée du compresseur, le débit à l'entrée du compresseur augmente dans la même proportion que la pression absolue diminue. Lorsque le volume à l'entrée atteint la limite inférieure du régime de fonctionnement stable du compresseur, le volume aspiré en amont de l'organe de laminage présente une valeur in- férieure en proportion des pressions absolues en aval et en 'amont de l'organe de laminage.
Le laminage dans le conduit d'aspiration permet ainsi de faire fonctionner le compresseur avec un volume aspiré plus faible que si le fluide, tel qu'il se présente en amont de la soupape, était introduit directement dans le compresseur. Le's limites dans lesquelles on peut laminer dépendent de la proportion dans laquelle le taux de compression produit dans le compresseur à la limite du domaine stable dépasse le taux de compression demandé.
Lorsque l'organe de laminage est remplacé par une turbine, le taux de compression obtenu à la limite de stabilité n'est'pratiquement pas modifié depuis l'entrée jusqu'à la sortie du compresseur. Il n'est donc pas possible
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de réduire également la pression à l'entrée du compresseur plus que dans le cas du laminage à l'aspiration.
Le moyen caractéristique de l'invention consiste en ce que, dans une installation de turbocompresseur avec compresseur principal refoulant un fluide gazeux dans un conduit de refoulement, on branche, en dérivation sur ce conduit de refoulement, un compresseur auxiliaire qui est actionné par une turbine fonctionant avec un nombre de tours indépendant de celui du compresseur principal, et en ce qu'il est prévu une conduite de liaison entre le conduit de passage du fluide et cette turbine, laquelle permet à une partie au moins de ce fluide de se détendre dans la turbine, depuis une pression intermédiaire entre la pression d'entrée et la pression de sortie du compresseur principal, jusqu'à une pression inférieure en fournissant du travail.
Par ce moyen, on obtient que, lors de l'entrée en action de ladite turbine, le fluide qui sort du compresseur reçoit une compression complémentaire. Pour une pression finale et déterminée, au moins le dernier étage du compresseur principal atteint ainsi un niveau de pression inférieur.
Il devient par suite, également possible d'abaisser pro- portionnellement le débit sans que le compresseur principal parvienne dans le domaine de fonctionnement instable.
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Sur les figs. 1, 2 et 3 des dessins annexés on a représenté un exemple simplifié d'exécution de l'objet de l'invention, où les diverses formes de réalisation se distinguent dans leurs éléments essentiels, les uns des autres, par l'agencement de la turbine qui actionne le compresseur auxiliaire par rapport au circuit du fluide refoulé.
Dans l'exemple selon la fig. 1, un compresseur principal à deux corps formant les étages 1 et 2 est actionné par un moteur électrique 3. Le fluide gazeux est amené à l'étage 1 par une conduite d'aspiration comprenant les éléments 4, 5 et 6. Une conduite de liaison 7, dans laquelle est inséré un réfrigérant intermédiaire 8, amène le fluide qui sort de l'étage 1 à l'entrée de l'étage 2.
A la sortie de cet étage, le fluide gazeux passe dans une conduite de refoulement comprenant les éléments 9, 10 et 11.
Entre les éléments 9 et 10 est intercalé un réfrigérant final 12. En dérivation sur l'élément 10 de la conduite de refoulement est inséré un compresseur auxiliaire 13, dont l'entrée est reliée par une conduite 14 avec un point 15, et dont la sortie est reliée par une conduite 16 avec un point 17 de la conduite de refoulement. Sur l'élément 10 de la conduite de refoulement, monté en parallèle avec le compresseur auxiliaire 13, est intercalée une soupape de retenue 18.
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Le compresseur auxiliaire 13 est actionné par une turbine 19 tournant à une vitesse indépendante de celle du compreusseur principal 1, 2. L'entrée de la turbine 19 communique par un conduit 20 avec un point 21, et la sortie communique par un conduit 22 avec un point 23 de la conduite d'aspiration 4,5, 6 faisant partie du circuit du fluide gazeux. Cette turbine' est ainsi placée en dérivation avec l'élément 5 de la conduite d'aspiration du compresseur principal 1, 2. Dans cette partie de la conduite d'aspiration est en outre intercalé un organe obturateur 24.
Le fonctionnement de l'installation est le suivant;
Lors de la marche à grands débits l'organe obturateur 24 est complètement ouvert. La circulation du fluide dans l'élément 5 de la conduite d'aspiration ne donne lieu partiquement à aucune chute de pression de telle sorte que la turbine 19, montée en,dérivation entre les points 21 et 23 de la conduite d'aspiration, ne subit aucune chute de pression. Elle est donc immobile et, avec elle le compresseur auxiliaire 13. Le fluide refoulé par le compresseur principal 1, 2, après avoir traversé le refrigérant 12, s'écoule donc à travers l'élément 10 de la conduite de refoulement et à travers la soupape de retenue 18 intercalée dans cet élément.
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Lors de la marche à charge partielle, avec faibles débits, l'organe obturateur 24 est, par contre, fermé.
Sous l'effet de l'aspiration du compresseur principal 1, 2, la pression d'entrée de ce compresseur,.et, avec elle aussi, la pression au point 23, est abaissée au-dessous de la pression qui règne au point 21 de la conduite d'aspiration. La pression au point 21 est donc comprise entre la pression d'entrée et la pression de sortie du compresseur principal 1, 2, et la conduite de liaison 20,22 permet au fluide, avant l'entrée dans l'étage 1 du compresseur principal, de se détendre en partant de la pression régnant au point 21 de la conduite d'aspiration, à travers la turbine 19 en fournissant du travail, jusqu'à la pression inférieure régnant au point 23 de la conduite d'aspiration.
La turbine 19 entraîne alors le compresseur auxiliaire 13 qui établit ainsi une chute de pression entre les points 17 et 15 de la conduite de refoulement. La soupape de'retenue '18 empêche le retour du fluide par l'élément de tuyauterie 10.
Le fluide sortant de l'étage'2 du compresseur principal, après refroidissement dans le réfrigérant 12, s'écoule depuis le point 15 de la conduite de refoulement, par la conduite 14, subit une compression, complémentaire dans le
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compresseur auxiliaire 13 et, finalement, est ramené par le conduit 16, au point 17, dans la conduite de refoulement.
Grâce au compresseur auxiliaire 13, le taux de @ compression de l'installation, tel qu'on peut l'obtenir avec le compresseur principal 1, 2 seul, est augmenté.
On peut donc choisir la turbine 19 de façon que, lorsqu'il s'agit d'obtenir une pression finale déterminée dans la conduite de refoulement, la pression régnant dans la conduite d'aspiration 6 du compresseur principal 1, 2 soit plus basse que s'il n'y avait pas de compresseur auxiliaire 13. L'installation de compression est donc en mesure de travailler de façon stable jusqu'à un volume plus faible du fluide, ramené aux conditions régnant dans l'élément 4 de la conduite d'aspiration.
Etant donné que la turbine doit détendre un débit relativement important par rapport à celui du compresseur 13, elle est, dans le mode de réalisation représenté sur la fig. 1, à double flux. Au besoin il est également possible d'actionner le compresseur auxiliaire 13 par un nombre d'éléments de turbines supérieur à deux, traversés en parallèle par le fluide. Pour obtenir un dimensionnement avantageux de la turbine et du compresseur auxiliaire, on peut également intercaler, entre eux, un multiplicateur, le compresseur auxiliaire tournant alors plus rapidement que la turbine qui l'actionne.
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L'organe obturateur 24 monté dans l'élément 5 de la conduite d'aspiration est, de préférence, un organe de laminage qu'on peut immobiliser dans une position intermédiaire quelconque ne laissant passer qu'une partie du fluide total à travers l'élément 5, l'autre partie passant par la turbine 19. En modifiant convenablement la position de l'organe de laminage, on peut régler à volonté et dans des limites déterminées, le rapport entre la quantité de fluide passant à travers la turbine et la quantité totale du fluide refoulé. Lorsque l'organe de laminage est réglable entre l'ouverture complète et la fermeture complète, il devient possible de modifier à volonté ce rapport entre zéro et une valeur quelconque.
Dans l'exemple de la fig. 2, le compresseur principal comporte trois étages 25,26, 27 connectés en série et actionnés par un moteur électrique 28. Lors du fonctionne- ment à grand débit, la fluide entrant par la conduite d'aspira- tion 29 dans l'étage 25 passe, en sortant de cet étage de compression, dans une conduite 30 qui l'amène à l'entrée de l'étage suivant 26. La sortie de cet étage 26 communique à son tour avec l'entrée de l'étage 27 par un conduit 31. A la sortie de l'étage 27, le fluide refoulé passe dans une conduite de refoule¯ment comprenant les éléments 32, 33 et 34; dans chacune des conduites 30 et 31 est intercalé un réfrigérant intermédiaire, respectivement 35 et 36.
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Un compresseur auxiliaire 37 est branché en dérivation avec l'élément 33 de la conduite de refoulement. L'entrée du compresseur auxiliaire '37 communique par une conduite
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1, 38 avec un,point 39, tandis que la sortie communique par une conduite 40 avec un point 41 de la conduite de refoulement.
Dans l'élément 33, monté en parallèle avec le compresseur - auxiliaire 37, est intercalée une soupape de retenue 42.
Dans la conduite d'aspiration 38 du compresseur complémentaire 37, est en outre intercalé un réfrigérant intermédiaire 43.
Le compresseur auxiliaire 37 est encore actionné par une turbine 44 dont la vitesse de rotation est indépendante de celle du compresseur principal 25,26, 27. Cette turbine communique, par une conduite 45, avec le circuit du fluide refoulé. Dans ce cas particulier, la conduite de liaison 45 est raccordée en un point 46 de la conduite 30, entre les deux étages 25 et 26 du compresseur principal. La conduite 45 sert au prélèvement du fluide nécessaire au fonctionnement de la turbine 44, fluide comprimé par l'étage 25 du compresseur principal.
La conduite 45 est munie d'un organe obturateur 47, tandis qu'un organe de laminage 48 est intercalé, dans la conduite 30, entre le point de prélèvement 46 et l'entrée de l'étage suivant 26 du compresseur principal.
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Lors du fonctionnement à grand débit, l'organe obturateur 47 est complètement fermé. Le fluide aspiré dans l'atmosphère par le compresseur 25 traverse successive-, ment les étages 25,26 et 27 du compresseur principal, et passe par l'élément 32, l'élément 33, la soupape de retenue 42, dans l'élément 34 de la conduite de refoulement.
La turbine 44 ne reçoit donc aucune puissance et le compresseur auxiliaire 57 ne refoule pas.
Par contre, lorsque l'installation doit fonctionner à faible débit, on ouvre l'organe obturateur 47 et l'on ferme suffisamment le papillon 48 pour qu'une différence de pression soit maintenue entre le point de prélèvement 46 et l'entrée de'l'étage suivant du compresseur principal.
La partie du fluide passant par la conduite 45 peut alors se détendre en fournissant du travail dans la turbine 44, en partant de la pression régnant au point 46 de la conduite de liaison 30, comprise entre la pression d'entrée et la pression de sortie du compresseur principal 25, 26, 27, jusqu'à la pression d'aspiration de ce compresseur principal, c'est-à-dire, dans ce cas, jusqu'à la pression atmosphérique.
La turbine 44 actionne alors le compresseur auxiliaire 37, et celui-ci intervient de la manière décrite en référence à la fig. 1 pour comprimer complémentairement le fluide sortant du dernier étage du compresseur principal, et pour
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refouler ce fluide dans l'élément 34 de la conduite de refoulement en contournant. la soupape de retenue 42.
Pour une pression finale donnée à l'avance, l'action, du compresseur auxiliaire réduit la pression-de sortie du dernier étage 27 du compresseur principal. Les deux étages 26 et 27 fonctionnent donc à un niveau de pression réduit et peuvent, par suite, travailler à faible débit, en restant dans le domaine de régime stable.
Par un réglage approprié de l'organe obturateur 48, constitué sous la forme d'un organe de laminage, il est possible d'abaisser la pression d'entrée de l'étage 26 du compresseur principal jusqu'àla pression d'aspiration de l'étage 25, dans ce cas, jusqu'à la pression atmosphérique.
L'installation que montre la fig. 2 comporte également une conduite 50 partant d'un point 49 de la conduite 30, aboutissant à l'atmosphère et munie d'une soupape de retenue 51. Dans ce cas, le papillon 48 peut être complètement fermé pour le fonctionnement à charge partielle, de sorte que la totalité du débit de l'étage 25 du compresseur principal est forcée de se détendre dans la turbine 44.
L'étage suivant 26 de compression aspire alors directement dans l'atmosphère. Dans ces conditions, le compresseur auxiliaire 37 doit être calculé de façon qu'il compense le taux de compression de l'étage 25, ainsi perdu pour la compression totale.
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Dans la disposition que montre la fig. 2, le domaine de régime de fonctionnement stable est étendu davantage vers les faibles débits par rapport à la disposition @ représentée sur la fig. 1. En effet, il faut .remarquer que le premier étage 25 du compresseur principal refoule un poids de fluide plus important que les étages suivants 26, 27 du compresseur principal. La turbine 44 dispose donc d'une plus grande puissance que si elle détendait une quantité de fluide égale à celle à comprimer dans,le compresseur auxiliaire 37. Il peut donc être assigné au compresseur auxiliaire 37 un taux de compression plus élevé.
On peut même obtenir ici que, par exemple par une quantité de fluide refoulé dans la conduite 34 réduite de moitié, on obtienne que le compresseur principal puisse -fonctionner exactement dans les mêmes conditions qu'à plein débit. Pour prendre un exemple, on suppose que les étages 25,26 et 27 du compresseur principal sont respectivement établis pour un taux de compression de 1;2, de telle sorte que le taux de compression total atteigne 1;8. Lorsqu'on demande le même taux de compression total pour un débit réduit de moitié, on ferme complètement l'organe de laminage 48. L'étage 26 de compression aspire alors dans l'atmosphère par la conduite 50.
Sa pression à l'entrée est réduite de moitié et il refoule dans les mêmes conditions,
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c'est-à-dire avec la moitié du débit en poids pour un même volume à l'entrée. Les ét ges 26 et 27 'maintiennent leur taux de compression de 1: de sorte qu'ils compriment ' le fluide avec un taux de compta scion total de 1:4. Si le compresseur auxiliaire 37 est dimensionné pour un taux de compression 1;2, les étages 26, 27 du compresseur principal et le compresseur auxiliaire 37 réGablissent ensemble le taux de compression de 1:8. Or, étant donné que l'étage 25 aspire toujours à la même pression, il comprime également la même quantité avec le taux de 1:2, exactement comme pendant le fonctionnement à pleine charge.
Lorsque l'organe obturateur 47 est ouvert, cette quantité se détend dans la turbine 44 avec un rapport de pressions égal au taux de compression à obtenir dans le compresseur auxiliaire 37.
La turbine disposant alors d'une quantité multipliée par deux est donc en mesure d'actionner encore le compresseur auxiliaire 37, même si l'ensemble du groupe¯44, 37 ne fonctionnait plus qu'avec un rendement de 50%.
Par un réglage approprié des organes obturateurs 47 et 48, il est non seulement possible d'obtenir les cas limites de fonctionnement décrits de l'installation de compression, mais encore de satisfaire à toute condition intermédiaire. Pour le réglage de la quantité de fluide passant à travers l'étage 25 du compresseur principal,
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il est également possible d'intercaler un papillon complémentaire dans la conduite d'aspiration 29. D'autre part, au lieu d'intercaler l'organe de fermeture ou de laminage 47 dans la conduite de prélèvement 45, on peut également le prévoir à la sortie de la turbine 44.
Dans l'installation représentée à la fig. 3 les mêmes éléments que ceux désignés dans la fig. 2 par les références 25 à 43 sont de nouveau prévus, de même que l'organe de laminage 48 et la tuyauterie 50 avec sa soupape de retenue 51. Cependant, une conduite de prélèvement 53, partant d'un point 52 de la conduite de liaison 30 en amont du papillon 48, est divisée en deux branches 54 et 55. La turbine actionnant le compresseur auxiliaire 37 comprend dans ce cas deux éléments 56 et 57.
La branche 54 du conduit de prélèvement, dans laquelle est intercalé un organe obturateur 58, aboutit à l'entrée de l'élément 56 de la turbine. La sortie de cet élément de turbine communique par une conduite 59 avec la chambre d'aspiration du compresseur principal, dans ce cas avec l'atmosphère. La sortie de l'élément 57 de la turbine communique par contre, par une conduite 60, avec un point 61 de la conduite de liaison 30 en aval du papillon 48.
Les deux éléments 56 et 57 de la turbine laissent passer en parallèle le fluide arrivant par la conduite de prélèvement 53. L'élément de turbine 57 reçoit de la
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puissance dès que le papillon 48, précédernment complètement ouvert,'est partiellement ferme, tandis que l'élément de turbine 56 reçoit de la puissance dès que l'organe obturateur 58 est ouvert. Cet agencement augmente donc les possibilités d'adaptation de l'installation aux différentes conditions de fonctionnement. En ce qui concerne la compression en partant de la pression de sortie de l'étage 25, l'in- s-tallation comprenant les étages 26,27 et le compresseur auxiliaire 37 correspond àce que montre la fig. 1 lorsque ce compresseur est actionné par l'élément de turbine 57.
Revendications :
1.- Dispositif destiné à améliorer le fonctionnement à charge partielle d'une installation de turbocompresseur comprenant un compresseur principal refoulant un fluide gazeux dans un conduit de refoulement, caractérisé par un compresseur auxiliaire connecté en dérivation avec la conduite de refoulement et actionné par une turbine fonctionnant à une vitesse de rotation indépendante de celle du compresseur principal, tandis qu'une conduite de liaison est prévue entre le circuit du fluide et cette turbine pour permettre au moins à une partie de ce fluide de se détendre dans cette turbine, en fournissant du travail, en partant d'une pression comprise entre la pression d'entrée et la pression de sortie du compresseur principal, jusqu'à une pression plus basse.
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2. - Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que dans l'élément de la conduite de refoulement connectée en parallèle avec le compresseur auxiliaire est intercalée une soupape de retenue.
3,- Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que la turbine est au moins à deux flux.
4.- Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'entre la turbine et le compresseur auxiliaire est intercalé un multiplicateur de vitesse.
5. - Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que la turbine est montée en dérivation avec une partie de la conduite d'aspiration du compresseur principal dans laquelle est intercalé un organe obturateur.
6. - Dispositif selon la revendication 5, caractérisé en ce que l'obturateur se présente sous la forme d'un organe de laminage permettant de régler à volonté, et entre deux limites déterminées, la quantité de fluide traversant la turbine par rapport au débit total de l'installation.
7. - Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que le compresseur principal comprend au moins deux étages connectés en série, et l'entrée de la-turbine est reliée par une conduite de prélèvement à la conduite de liaison entre les deux étages, tandis qu'un organe de
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laminage est intercalé dans la conduite de liaison entre le point de prélèvement et l'entrée de l'étape suivant, @ pour le maintien d'une différence de pression entre le point de prélèvement et l'entrée de cet étage suivant.
8.- Dispositif selon la revendication 7, caractérisé en ce que la turbine comprend deux éléments à travers lesquels le fluide circule en parallèle, la sortie d'un élément de turbine étant reliée à un point de la conduite de liaison situé en aval de l'organe de laminage, tandis que la sortie de l'autre élément de turbine débouche dans la chambre d'aspiration du compresseur principal.
9. - Dispositif selon la revendication 7, caractérisé en ce que la partie de la conduite de liaison en aval de l'organe de laminage communique à travers une soupape de retenue avec la chambre d'aspiration du compresseur principal, de sorte que, lorsque la pression régnant à l'entrée de l'étage suivant du compresseur principal tombe au-dessous de la pression d'aspiration de-ce compresseur, il arrive au moins une partie du fluide refoulé dans l'étage suivant l'organe de laminage, en faisant passer cette partie du fluide en dérivation avec l'étage précédent du compresseur principal.