Installation de turbines à gaz. L'objet de la présente invention est tune stabilisation de turbines à gaz comprenant au moins deux turbines, dont l'une produit de la puissance utile extérieure, tandis que l'autre entraîne un compresseur aérodynamique ali mentant ces turbines, un dispositif de chauf fage des gaz moteurs :étant disposé avant l'en trée de chacune des turbines.
Dans cette installation, le compresseur pourrait comprendre plusieurs rotors couplés mécaniquement- et. disposés dans des carters reliés en série et/ou en parallèle, et il pour rait en être de même pour chacune des deux turbines de cette installation.
L'installation de turbines à gaz suivant la présente invention est caractérisée en ce que l'alimentation en combustible de chacun des dispositifs de chauffage a lieu par un conduit distinct pourvu d'une soupape de réglage, ces deux soupapes étant commandées au moyen d'un organe de eomrriande commun, le tout étant disposé de façon qu'un déplacement de cet organe de commande à partir de la posi tion correspondant à la puissance maximum de l'installation provoque d'abord une réduc tion progressive de l'alimentation en combus tible du dispositif de chauffage par lequel les gaz passent à la turbine produisant de la puis sance extérieure, tandis que la température à l'entrée de la.
turbine entrainant le compresseur est maintenue au moins aussi élevée que pour le régime de pleine puissance de l'installation, e\ cela jusqu'à ce qu'une puissance réduite soit atteinte, un déplacement subséquent dans le même sens de l'organe de commande à par tir de la position correspondant à ladite puis sance réduite provoquant alors une réduction graduelle de la température à l'entrée de la turbine entraînant le compresseur.
Le dessin représente, à titre d'exemple, deux .formes d'exécution de l'installation sui vant la présente invention.
La fig. 1 montre de façon schématique ime première forme d'exécution dans laquelle les turbines sont disposées en parallèle.
Le fonctionnement de cette installation est représenté par les diagrammes des fig. 2 et 3.
La fig. 2 montre un diagramme établi pour le compresseur 1 et sa. turbine de com mande 2. Les ordonnées représentent le rap port de pression, tandis que les abscisses re présentent la puissance du compresseur (c'est- à-dire le débit de puissance de la turbine 2oui la puissance fournie au compresseur 1, ces puissances étant égales). Dans la fig. 3, qui est établie pour la turbine de puissance 5, les ordonnées représentent le rapport de pres sion et les abscisses le flux de masse de la tur bine de puissance.
La fig. 1a représente de façon schématique la. deuxième forme d'exécution dans laquelle les turbines sont disposées en série.
Le fonctionnement de cette installation est représenté par les diagrammes des fig. 2a et 3a. La fig. 2a montre im diagramme établi pour le compresseur 1 et sa turbine de com mande 2. Les ordonnées représentent la puis sance du compresseur (c'est-à-dire le débit de puissance de la turbine 2 ou la. puissance fournie au compresseur 1, ces puissances étant égales). Les abscisses représentent le flux de masse.
Dans la fig. 3a, qui est établie pour la turbine de puissance 5, les ordonnées repré sentent le rapport de pression pour la tur bine de puissance et les abscisses représentent. le flux de masse.
Dans l'installation de la fig. 1, un com presseur axial ou centrifuge 1 fournit une partie de son débit en air comprimé, par une chambre de combustion 3 dans laquelle le combustible brîde dans l'air d'alimentation, à une turbine 2 qui est accouplée mécanique ment pour entraîner le compresseur 1. Un moteur de démarrage 10 est. aussi accouplé au compresseur 1 et à la turbine 2.
Le reste du débit d'air comprimé du compresseur 1 passe par une chambre de combustion 4, dans la quelle le combustible brûle dans l'air d'ali mentation, et puis à une turbine 5 qui four nit la puissance utile extérieure en entraînant la charge 6, qui peut être constituée par un générateur électrique d'une installation de propulsion d'un bateau. Les gaz d'échappe ment- de la turbine passent par un échangeur de chaleur 7 qui élève la. température de l'air débité par le compresseur 1 avant qu'il passe a.ux chambres de combustion 3 et 4.
Une soupape d'étranglement 9, normalement toute ouverte, et. une soupape de décharge 8, norma lement fermée sont intercalées dans les posi tions représentées, la soupape 9 étant arran gée dans la branche -du tuyau de refoulement du compresseur 1 conduisant à la chambre de combustion 4, et la soupape 8 étant montée en amont de la soupape 9.
Un levier à main de commande unique 16 actionne par l'inter médiaire de l'arbre à cames 17 et des cames 3a, <I>4a</I> des soupapes de réglage 3b, 4b, dont la première est intercalée dans un tronçon de conduite d'alimentation allant de la con duite de combustible 18 à la chambre de com bustion 3 et dont la seconde est intercalée dans un tronçon de conduite allant de la con- duite 18 à la chambre de combustion 4. La soupape de décharge 8 et la soupape d'étran glement 9 sont aussi commandées par le même levier 16 au moyen des cames 8a et. 9a portées par l'arbre 17.
Au lieu d'un volant ou levier à main, on peut. -utiliser toute forme connue d'un vérin hydraulique ou pneumatique ou d'engrenage actionné de façon mécanique ou électrique (non représenté dans le dessin). Dans la conduite de combustible allant à la chambre de combustion 3 est. intercalée entre la. soupape 3b et cette chambre une soupape de réglage supplémentaire 19 commandée par -une capsule thermostatique 20 qui est. connec tée par une conduite 21 avec le conduit qui relie la chambre de combustion 3 à la turbine 2 du compresseur 1.
Il est clair que la capsule 20 pourrait être remplacée par tout autre dispositif -connu sensible à la. température. La pression des gaz variant en général simultanément avec la tem pérature, ce dispositif peut prendre la. forme d'un dispositif sensible à la pression.
Le fonctionnement de l'installation mon trée à la fig. 1. sera maintenant expliqué à l'aide des diagrammes des fig. 2 et 3.
A la fig. 2, la ligne en traits mixtes AO est1a ligne limite pour le fonctionnement sta ble du compresseur, et les lignes<I>AC, BD</I> et KF représentent chaeluie une caractéristique de vitesse constante du compresseur. Les lignes GH et JK sont. des lignes de tempéra tures constantes de l'admission pour la tur bine 2 du compresseur, qui peuvent être dé terminées par expérimentation.
La ligne GH représente -une température plus élevée que la ligne JK. Dans la fig. 3, les lignes<I>MI, NO</I> et PQ sont des lignes de températures cons tantes d'admission pour la. turbine de puis sance 5, la ligne MI étant celle de la tempé rature la plus élevée; les lignes RS, <I>TU</I> et V W sont des lignes d'un débit. de puissance constante. Les points X en fig. ? et X' en fig. 3 indiquent la puissance maximum pour laquelle l'installation est construite.
Dans cette installation, -une diminution de la température d'admission de la turbine 2 a pour effet d'augmenter la quantité de gaz pouvant passer par cette turbine et, par con séquent, la puissance fournie par elle au com presseur 1, de sorte qu'à vitesse constante, la pression fournie par ce compresseur aug mente. Cette augmentation de pression a pour effet. de changer la. répartition du débit d'air entre les turbines 2 et 5, de telle manière que 1e. quantité d'air fournie à la turbine 2 aug mente plus fort encore que la capacité d'ab sorption de cette dernière, ce qui accroit le danger de pompage.
On remarquera donc que, dans le but. de maintenir une opération stable du compres seur 1 à des puissances réduites, il est néces saire d'assurer que la. température d'admis sion de la turbine 2 du compresseur ne dimi nue au plus que très légèrement à partir de la température constante représentée par la ligne GH qui est écartée de la ligne limite de pompage A0.
Afin d'être sûr de ne pas fran chir la ligne de pompage AO vers la ligne de température plus basse JK qui est déjà au régime instable de pompage, cette .tempéra ture d'admission est maintenue constante ou même légèrement augmentée lorsque la puis sonce est diminuée. Evidemment, des tempé ratures excessivement, hautes doivent être évi tées.
A cet effet, les cames 3ca et 4a sont con formées et. calées de façon que lorsque le le vier 16 se déplace à partir de la position cor respondant à la puissance maximum de l'ins tallation, cela a pour effet de réduire d'abord l'alimentation en combustible de la, turbine de puissance 5, ce qui réduit la température à. son entrée et ainsi son débit de puissance, tandis qu'en même temps l'alimentation en combustible vers la chambre de combustion 3 de la turbine 2 du compresseur reste telle que la température à l'entrée de la. turbine 2 du compresseur reste ou bien constante ou bien s'élève d'une faible valeur encore admissible.
Lc levier 16 .étant déplacé progressivement dans le sens correspondant à une réduction de puissance, ce processus continuera jusqu'à ce que l'alimentation en combustible de la chambre de combustion 4 ait été réduit à zéro. Le fonctionnement de la turbine de commande 2 pendant cette étape de réglage est repré- senté par l'étendue XY sur la ligne isothermi- que GH à la fig. 2.
La ligne X'Y', à la fig. 3, représente la réduction du débit de puissance de la turbine de puissance 5, du débit. maximum RS à un débit de puis sance plus bas (entre les lignes <B><I>TU</I></B><I> et</I> VyY) et, en même temps la réduction de la tempé rature d'admission à la turbine de puissance de l'isotherme MI à une température plus basse (entre les isothermes<I>NO</I> et PQ). Les points Y et Y' représentent le régime dans lequel aucun combustible n'est admis dans la chambre de combustion 4 de la turbine de puissance 5.
La turbine 5 est alors alimentée par l'air comprimé adiabatiquement par le compresseur 1 et chauffé dans l'échangeur 7 par les gaz d'échappement de la turbine 2, et son débit de puissance est à peu près 20 % du maxi mum.
Si maintenant., à partir de cette puissance réduite, on continue à déplacer le levier 16 dans le même sens, ceci provoque une réduc tion ultérieure du débit de puissance de la turbine de puissance 5, du fait que mainte nant le déplacement du levier 16 fait dimi nuer la température @à l'entrée de la turbine 2 en réduisant l'alimentation en combustible de la chambre de combustion 3. Cette réduc tion continuera jusqu'à ce que toute réduc tion ultérieure comporte un danger de pom page du compresseur 1. Les lignes YZ et Y'Z' représentent les régimes correspondants de l'installation.
On remarquera que le point Z est très près de la ligne de pompape du com presseur 1 et correspond à une limite qui ne doit pas être franchie. Si on continue à dé placer le levier 16 dans le même sens à partir de la position correspondant aux points Z et Z', les cames 8ca et 9ca entreront en action, les soupapes de décharge 8 et d'étranglement 9 étant alors respectivement ouverte et fermée graduellement jusqu'à l'obtention de la charge zéro lorsque la soupape de décharge est pres que complètement ouverte et la soupape d'étranglement presque complètement fermée si l'on désire que la turbine 5 continue à tour ner à vide,
ou bien complètement ouverte et fermée, respectivement, si l'on désire que la turbine 5 soit complètement arrêtée.
Les soupapes 8 et 9, étant disposées dans les positions montrées dans la fig. 1, c'est- à-dire en amont de la chambre de combustion 4, elles sont soumises seulement à la tempéra ture relativement basse du gaz sortant de l'échangeur de chaleur 7 et entrant dans la chambre de combustion 4.
La came 3a a. une forme telle que, pour les régimes de l'installation entre les points X, Y et X', Y' des fig. 2 et 3, la soupape 3b reste entièrement ouverte, l'alimentation en combustible de la chambre de combustion 3 étant réglée pour ces régimes par la soupape 19 commandée par la capsule thermostatique 20 en fonction de la température à l'entrée de la turbine 2, de façon que cette tempéra ture reste constante. Pour les régimes de l'installation entre les points Y, Z et Y', Z', la came 3a réduit, pro gressivement l'ouverture de la soupape 3b, à mesure que l'on déplace le levier 16 pour ré duire le débit de puissance de l'installation.
Pour ces régimes, la came 4a maintient la sou pape 4b en position fermée. La température des gaz à l'entrée de la turbine 2 du compres seur étant de ce fait. inférieure à celle main tenue constante pour les régimes entre les points<I>X, Y</I> et<I>X', Y',</I> la capsule thermostati- que 20 maintient alors la. soupape 19 dans s a position de pleine ouverture et n'intervient plus dans le réglage de l'alimentation.
Dans une variante de cette installation, la soupape 19 et le dispositif thermostatique 20, 21 pourraient être supprimés. Dans ce cas, la came 3a aura une forme telle que, pour toutes les positions du levier 16 correspondant aux régimes de l'installation entre les points<I>X, Y</I> <I>et X', Y',</I> la soupape 3b règle le débit de com bustible à la. chambre 3 de manière à mainte nir constante la température à l'entrée de la turbine 2.
Ce mode de réglage est applicable pour des conditions de fonctionnement telles, qu'il suffit, pour régler ladite température, de tenir compte des variations de régime in troduites par le réglage du débit de combusti- blé à la chambre 4, au moyen du levier 16, de la came 4ca et de la soupape 4b.
Dans l'installation représentée à la fig. 1a, le compresseur 1 débite son air comprimé par une chambre de combustion 4, dans laquelle le combustible brûle dans l'air d'alimentation, dans la turbine 5, qui fournit la puissance utile extérieure en entraînant la charge 6. Cette charge 6 peut. être cpnstituée par exem ple par le générateur d'une installation de propulsion électrique d'un bateau. Les gaz d'échappement de la. turbine 5 passent par l'autre chambre de combustion 3, dans la quelle le combustible brûle dans les gaz mo teurs, dans la turbine 2, qui est accouplée mé caniquement pour.entraîner le compresseur 1.
Un moteur de démarrage 10 est accouplé éga lement au compresseur 1 et à la. turbine 2. Les gaz d'échappement de la turbine 2 passent<B>,</B> Far un échangeur de chaleur 7 qui élève la température de l'air débité par le compresseur 1 avant que cet air passe à la chambre de com- bu.stion 4. Une soupape d'étranglement 9 qui, en général reste toute ouverte et une soupape de décharge 8, en général fermée, sont dis posées dans les positions représentées entre le compresseur 1 et la chambre de combustion 4. Une soupape de dérivation 11, en général fer mée, est arrangée dans un passage branché entre le compresseur 1 et la soupape 8 et con duisant directement- vers la chambre de com bustion 3.
Le levier de commande unique 16 actionne un arbre à cames 17 portant des ca mes 11a, 8U, 9a., 4a et 3a pour actionner la soupape de dérivation 11, la. soupape de dé compression 8, la soupape d'étranglement 9, ainsi que les soupapes de réglage 4b et 3b qui commandent respectivement des conduits d'ali mentation en combustible allant. du conduit de combustible 18, respectivement aux cham bres de combustion 4 et 3.
L'installation représentée à la. fis. la fonc tionne de la. façon suivante représentée aux fig. 2a et 3a: A la fig. 2a, la ligne !10 en traits mixtes est la ligne limite de pompa.pe du compres seur 1, et les lignes AC,<I>BD</I> et EF sont cha cune une caractéristique de vitesse constante du compresseur. Les lignes OH et<B>JE</B> sont des lignes de température d'admission constante pour la turbine 2 du compresseur, qui peu vent être déterminées par expérimentation.
La ligne GH représente une température plus élevée que la ligne JK. Le point X représente le régime de puissance maximum de l'instal lation et les points Y et Z représentent. des régimes à puissance réduite. Les points X', Y', Z' au diagramme de la fig. 33 représen tent les régimes correspondants pour la tur bine de puissance 5. Les lignes XYZ et X'Y'Z' cnt été déterminées par expérimentation.
La capacité d'absorption de la turbine 2 diminuant lorsque sa température d'admission augmente, on voit que dans -ce cas un fonc tionnement stable du compresseur 1 n'est pos sible qu'aux régimes correspondant à une di- trinution de cette température par rapport à la ligne de pompage A0, c'est-à-dire aux ré- gimes représentés à la fig. 21- par des points situés à droite de cette ligne.
Pour les faibles puissances, la ligne de pompage AO coupe les lignes d'égale température d'admission, en sorte qu'il ne suffit, pas, lorsqu'on diminue la puissance, de maintenir constante cette tem pérature pour éviter le pompage.
Afin de rester écarté de la ligne AO de pompage sur toute l'étendue du régime pen dant la réduction de puissance de la turbine 5 jusqu'à zéro, les différentes cames 3a, 4a, Sa., 9a et 11a sont conformées et calées de fa çon que le fonctionnement ait. lieu comme suit Lorsque le levier 16 est dans la posi tion correspondant à la puissance maximum, le combustible n'est fourni pratiquement qu'à la. chambre de combustion 4 de la turbine de puissance 5, la quantité de combustible four nie à la chambre de combustion 3 étant né gligeable.
Le déplacement du levier 16 de la position correspondant à la puissance maxi mum provoque une réduction graduelle de l'alimentation de la chambre 4, et la puis sance de la turbine 5 diminue graduellement. Ce réglage se poursuit jusqu'à ce que le ré gime correspondant aux points Y et Y' soit atteint aux trois quarts de la puissance maxi- rnum.
La réduction de l'alimentation du combus tible de la chambre 4 produit une réduction de la température d'entrée à la turbine de puissance 5, ce qui cause une réduction de la proportion des pressions p2/pl de chacune des turbines 2 et 5 en série, dont résulte une ré duction de la perte de température dans la turbine de puissance 5.
Cela, en combinaison avec la température d'entrée réduite de la tur bine 5, a pour effet que la température de dé charge de la turbine de puissance 5, qui est la température d'admission de la. turbine2 en série avec la turbine 5, reste à peu près constante, et ne tombe en tout cas pas au-dessous de la tem pérature correspondant à la puissance maxi mum.
La ligne XY à la fig. 23 est donc une iso- thernie. Pendant la réduction de puissance de X' à Y', la came 3a n'agit pratiquement pas sur la soupape 3b.
Si maintenant. on continue à déplacer le levier 16 dans le même sens à partir de la position correspondant au régime Y, Y', l'ali mentation en combustible de la chambre de combustion 4 de la turbine de puissance 5 continue à diminuer, mais la came 3a entre en action pour augmenter graduellement l'ali mentation de la chambre de combustion 3 de la turbine du compresseur. Ce processus, re présenté par la ligne YZ dans la fig. 2a et Y', Z' dans la fig. 311, continue jusqu'à ce que l'alimentation en combustible de la chambre de combustion 4 de la turbine de puissance soit réduite à zéro.
De Y à Z, l'augmentation progressive de l'alimentation de la chambre de combustion 3 de la turbine 2 est toutefois telle que la température à l'entrée de cette turbine 2 diminue progressivement. Les points Z et Z' représentent les conditions existant quand l'alimentation en combustible de la chambre de combustion 4 de la turbine de puissance a été réduite à zéro.
Si maintenant on continue à déplacer le levier 16 dans le même sens à partir de la position correspon dant aux points Z et Z' pour réduire encore la puissance, la came 3a agit sur la soupape 3b pour réduire progressivement l'alimenta tion en combustible de la chambre de com bustion 3 de la turbine 2 du compresseur, jus qu'à ce que malgré cette réduction, les condi tions de fonctionnement s'approchent trop près de la ligne limite de pompage du com presseur.
Un déplacement ultérieur du levier 16 dans le même sens à partir de la position correspondante a- alors pour effet. de fermer graduellement la soupape d'étranglement 9 et simultanément, suivant la. forme donnée aux cames 8a. et 11a, d'ouvrir la soupape de dé charge 8 ou la soupape de dérivation 11. Par la soupape 8, l'air en excès est déchargé à l'atmosphère, et par la soupape 11, il va à la. chambre de combustion 3 sans passer par la turbine de puissance 5.
La. puissance fournie par l'installation au moment où l'alimentation en combustible de la chambre de combustion 4 est réduite à. zéro est environ 15 % de la puissance maximum (point Z et Z').
Dans les installations décrites, l'alimenta tion en combustible de la chambre de combus tion de la turbine de puissance est complète ment coupée dans certaines conditions de fonctionnement. Il sera préférable dans la pratique de maintenir dans ces installations une faible alimentation en combustible de cette chambre de combustion en tout temps, de manière à ne pas exiger lin nouvel allu mage lorsque les conditions de fonctionnement sont changées. Une telle alimentation faible, cependant, n'a pas d'influence matérielle sur la. nature du fonctionnement. de l'installation.