Procédé thermique pour la produetiou d'énergie mécanique et turbine pour son application. Si l'on veut qu*une machine thermique. utilisant les changements d*état d'un gaz parfait, fonctionne suivant uni c@-cle de Car not théorique, faut théoriquement que l'in- troduction de' chaleur par la source chaude et la cession de chaleur là la source froide se fassent à température constante et à pres sion variable;
avec en même temps produc tion d'un travail positif ou négatif.
Cela est difficilement réalisable d'une manière rigoureuse dans la pratique. Un peut cependant se rapprocher de ces conditions théoriques en effectuant les échanges de cha leur en plusieurs étages, sous des pressions différentes, avec production de travail entre ces étages.
Les fig. 1 et 4 du dessin 'représentent deux diagrammes entropiques correspondants. dans le cas d'une machine fonctionnant avec titi flux gazeux continu.
Le gaz à fa pression atmosphérique Î o et ü la température ambiante To étant i-epi-ï',- senté par le. point P, on lui fait d'abord subir une compression adiabatique PA qui l'amène à la pression pi et à, la température T.
Le gaz est alors chauffé à la pression constante pi jusqu'à ce qu'il atteigne la teni- pérature T@. Cette transformation, qui ne correspond pas à une production de travail, est représentée sur le diagramme par la courbe AB.
On peut tracer d'avance sur la feuille du diagramme nu réseau de courbes donnant la température cri fonction de l'en tropie < < pression constante. Ces courbes pour diverses valeurs de la pression sont identi ques entre elles, elles sont simplement déca lées parallèlement à l'are des entropies, d'une quantité constante si on les trace pour des valeurs de la pression variant en progression géoiné trique.
Le gaz est ensuite détendu adiabatique- nJCut suivant B C jusqu'à la pression 1)2, de niani@re que la température s'abaisse à la valeur Ti.
Il y a alors production d'une cer taine quantité de travail proportionnelle ir la chute de température T=-Ti. Le gaz est ensuite réchauffé à nouveau de T ix, T=, sui vant<I>CD,</I> à pression constante pL,, détendu jusqu'à Ta, Ti suivant<I>DE,</I> réchauffé à pres sion constante ps jusqu'à Ta suivant <B>E F.</B> (Dans la fig. 1,
on n'a envisagé qu'une com bustion en trois étages, mais il est. bien évi dent due ce nombre d'étages pourrait être différent.) Le gaz est ensuite détendu adiabatique- ment jusqu'à une pression p., correspondant à une certaine température T'o, puis refroidi à pression constante p 'i jusqu'à Ti, suivant r%H. Si T'o était infiniment voisin de T@. le point H viendrait en (_T' et pour continuer suivant le cycle de Carnot théorique,
il fau drait comprimer isothermiqueinent jusqu'à atteindre la pression initiale po. Pratique ment, il sera plus facile d'effectuer nue séi#ie de compressions adiabatiques entre les tem pératures To et T'0, séparées par des échan- (Xes de chaleur à pression constante avec la source froide, suivant HI.I Ii <I>G</I> 1I:4 <I>0 P;</I> on.voit que le diagramme se présente sous la forme d'une série de dents de scie.
Si l'on prend l'ordonnée moyenne des dents de scie relatives à la source chaude, et l'ordonnée moyenne de celles relatives à la source froide, on obtiendra le diagramme rectangu laire d'un cycle de Carnot théorique ayant même rendement thermique que le cycle considéré. On voit que les limites de tem pérature de ce cycle fictif sont approxïniati- vement:
EMI0002.0034
<I>T <SEP> i <SEP> <U>-f <SEP> - <SEP> T <SEP> 2</U></I>
<tb> - <SEP> <U>o</U> <SEP> pour <SEP> la <SEP> source <SEP> chaude <SEP> et <SEP> <U>r#</U><I>, <SEP> _ <SEP> 1 <SEP> _ <SEP> 1"0</I>
<tb> <U>d</U> <SEP> - pour la source froide.
<B>T'a</B> sera d'autant plus voisin de To que le nombre d'étages de compression sera plus grand.
Il en résulte une diminution notable dit rapport de travail de compression au travail utile, ce qui présente un avantage considé rable au point de vue du rendement.
La caractéristique de la présente inven tion réside dans le fait que les réchauffages successifs sont réalisés par combustion éta gée, c'est-à-dire que la combustion d'une masse donnée de combustible s'effectue en plusieurs fois dans raie masse d'air donnée, qui peut être notablement supérieure à la proportion habituelle et assurer ainsi une combustion complète.
La présente invention a pour objet éga lement une application de ce procédé à une turbine à combustion, dans laquelle on a cherché à réaliser ce cycle en dents de scie avec combustion étagée, en disposant conve nablement les éléments de turbine sur les quels agit le courant gazeux pour produire la puissance mécanique mise en jeu par les détentes et les compressions successives, et en intercalant entre ces éléments des dispo sitifs pour les échanges de chaleur à pression constante avec la source chaude et avec la source froide.
Aux fig. '? et 3 du dessin ci-joint sont représentées à titre d'exemples, en coupe schématique, deux formes de réalisation de l'objet de l'invention.
Les détentes adiabatiques s'effectuent dans des tuyères ti, <I>12,</I> ts, où les gaz acquièrent prie certaine vitesse transformée cri travail par- les aubages mobiles des roues ri, t du type à action). Ces aubes ne seront sou mises qu'à la température Ti des gaz à la fin de la détente, qui pourra être inférieure à la température du rouge saris entrainer pour le rendement du cycle une valeur inac ceptable.
J'a source chaude est constituée par les chambres de combustion ci, c2, c3 où le com bustible injecté par les conduites ii, i::, i3 vient brûler dans le courant d'air consti tuant le fluide moteur de la turbine, et por ter sa température à la valeur T2. Bien que;
dans les chambres c2 et c3 l'air se trouve mêlé à des gaz brûlés, la combustion s'effec tue cependant facilement en raison du grand excès d'air que le cycle peut comporter tout cri maintenant à la température T2 une va leur assez élevée. Cette valeur sera limitée par les conditions de bonne conservation des revêtements réfractaires des chambres de combustion et des compartiments attenants.
Les tuyères de détente sont constituées dans leur partie antérieure par une matière réfractaire (carborundum, par exemple), et dans leur partie postérieure où la tempéra- tore sera voisine de Ti. par des cubages métalliques donnant ait courant gazeux une direction appropriée par rapport aux cubages mobiles. Les gaz, à la sortie des cubages mobiles, traversent les diffuseurs d,, d-_,. d:; destinés à transformer en pression la plus 'r1ande partie de la vitesse restante.
Le nom bre d'aubages de ehacune des roues dépen dra de leur vitesse périphérique et de la. chute de température T= 1r. <I>Ti,</I> qui déter mine la vitesse des gaz à la sortie des tuyères. l'a présence des diffuseurs di<I>d_</I> d:, permet d*augmenter le rapport entre la vitesse des gaz et la vitesse périphérique.
La perte au joint, due à la différence de pression à l'en trée et à la sortie du diffuseur, n'aura qu'une influence minime sur le rendement.
Les compressions adiabatiques seront réa lisées par titi dispositif inverse de celui des détentes. Les cubages directeurs d'i, d'_, d'4, d':, et d',;
conduisent les gaz sur les am bages des roues r'i, Ï"_, î's, î'4, r':, et r',; qui leur impriment une grande vitesse, transfor- inée en pression dans les cubages diffuseurs t',. t'_. <I>t'a,</I> t'4, t':. et Comme l'écart de tem pérature relatif aux étages de compression est beaucoup plus faible que celui relatif à. la détente, les roues pourront n'avoir cha cune qu'une seule rangée d'aubes.
Elles pour ront être du type à action, de manière à réduire le nombre d'étages pour titi rapport de compression donné. Pour la. dernière com pression, qui doit être adiabatique, la roue i-',; pourra comporter plusieurs cubages, l'é cart de température T, à Tu étant assez élevé. Entre les différents étages de com pression, les gaz passeront par des réfrigé rants RR.., qui peuvent être constitués, par exemple, par des faisceaux tubulaires avec circulation d'eau, ou par titi système de jets d'eau, produits par un jeu de pompes ap proprié.
En raison de l'augmentation du volume spécifique des gaz par les détentes succes sives, la section des cubages ira en augmen tant à mesure que la pression diminue. Le rapport des sections extrêmes sera d'autant plus grand que la détente sera poussée plus loin. Si l'on veut (lue les divers éléments de la turbine aient un rendement satisfaisant, il faudra autant que possible réaliser l'ad mission totale à. tous les étages.
Dans ce but, si le degré de détente est très élevé (ce ,lui constitue un avantage au point de vue du rendement), il y aura intérêt à diviser la turbine en deux parties de vitesses et de diami'Ires différents, accouplées par engre nages ou électriquement de marnière à avoir aux étages à haute pression une proportion satisfaisante entre la section des distribu teurs et la surface de la roue.
C'est la for- nie de réalisation due représente la fig. 3 du dessin ci-joint, dans lequel la turbine est divisée en deux parties, renfermant chacune une partie des étages de détente et une par tie des étages de compression.
Les deux portions de la turbine sont accouplées à l'aide d'engrenages L, par exemple.
Si les étages de compression et de dé tente de la turbine 11i sont convenablement choisis, l'organe d'accouplement n'aura it transmettre qu'une faible fi-action de la puis sance totale. D'autre part, les ambages mo biles de la turbine ZI_ seront torrs à basse température.
L'intérêt du degré de détente au point de vue du rendement est mis en évidence sur le diagramme de la fig. -l, qui repré sente le cycle thermo-d' vnamique, cri tenant compte des pertes d'énergie des différents éléments de la turbine. Les détentes et com pressions adiabatiques ne s'effectuent pas en réalité suivant une droite parallèle à l'axe des T, ruais suivant une courbe plus oui moins inclinée. La chaleur fournie est représentée par les surfaces cernées d'un trait plein.
La chaleur cédée à la source froide est repré sentée par la surface cernée d'un trait mixte, oit les régions hachurées doivent être comp tées deux fois. On obtiendra par différence la quantité de chaleur transformée en tra vail.
()n voit immédiatement sur ce dia- granrine que l'importance relative de la perte d'énergie <I>a</I> G <I>c</I> d dans la dernière détente et e j' <I>y h.</I> dans la dernière compression diminue si la distance des abcisses extrêmes du cycle augmente, c'est-à-dire si le degri@ de détente @ici,
inente. La pression ininiina pourra être inférieure à la pression atuios- phérique. On ne sera limité dans ce sens que par les conditions d'encombrement de la turbine. La pression maxima sera détermi née par des conditions de résistance inéca- nique.
La pression atmosphérique peut corres pondre à celle d'un étage quelconque. les valeurs relatives des pressiuiis des différents étages étant conservées. autrement dit les pressions étant toutes modifiées dans le iné- me rapport. Le diagramme ne serait pas changé, il serait simplement déplacé paral lèlement à l'axe des entropies. La quantité de chaleur à introduire dans les chambre de combustion serait modifiée en proportion de la pression.
Il en résulte que l'on aura un moyen très simple de régler la pnissauce entre des limites très étendues, sans changer la vitesso de rotation ni modifier sensiblement la répar tition des températures, le rendement de la turbine restant à peu prés constant ît tou tes charges.
Il suffira pour cela de munir les diffé rents étages de compression de vannes<I>a., a, a...</I> <I>et b, b,</I> b... (fig. 3), permettant de les mettre en relation, d'une part, avec l'atmosphère et, d'autre part, avec la conduite d'évacuation G des gaz brûlés.
Ces vannes seront fermées à tous les étage:, sauf ir celui dans lequel on veut établir une pression égale à la pres sion atmosphérique. ,Si, par exemple, on met en communication avec l'atmosphère un étage où la pression à la charge normale est de kg par cm2@ toutes les pressions des dif férents étages seront diminuées de moitié.
Si l'on réduit égaleraient de JO o o l'admission de combustible, de manière à, conserver les mêmes limites de température, la puissance de la turbine sera la moitié de la puissance normale et le rendement sera le inéme qu'à pleine charge. La construction et la manoeu- vre des vannes ne présentera pas de diffi cultés, puisqu'elles seront à la température ambiante et n'auront à supporter que des différences de pression de l'ordre de gran deur de la pression atmosphérique.
La varia tion de la puissance entre deux échelons de pression successifs s'obtiendra en modifiant l'admission de combustible; la répartition des températures sera légèrement modifiée, sans altérer sensiblement le rendement. Ce mode de réglage de la puissance par variation pro portionnelle des pressions dans tous les éta ges permettra de donner à la turbine une capacité de surcharge considérable, qui rie sera limitée due par les conditions de résis tance mécanique aux pressions mises en jeu.
Thermal process for the production of mechanical energy and turbine for its application. If you want a thermal machine. using the changes of state of an ideal gas, works according to a theoretical Car not c @ -cle, theoretically the introduction of heat by the hot source and the transfer of heat there by the cold source must take place. at constant temperature and variable pressure;
with at the same time production of positive or negative labor.
This is hardly achievable in a rigorous way in practice. One can, however, come closer to these theoretical conditions by carrying out the heat exchanges in several stages, under different pressures, with production of work between these stages.
Figs. 1 and 4 of the drawing represent two corresponding entropy diagrams. in the case of a machine operating with titi continuous gas flow.
The gas at atmospheric pressure and ü the ambient temperature To being i-epi-ï ', - felt by the. point P, it is first subjected to an adiabatic compression PA which brings it to the pressure pi and to the temperature T.
The gas is then heated at constant pressure pi until it reaches the temperature T @. This transformation, which does not correspond to a production of labor, is represented on the diagram by the curve AB.
We can draw in advance on the sheet of the diagram a network of curves giving the cry temperature as a function of the excess <<constant pressure. These curves for various values of the pressure are identical to each other, they are simply shifted parallel to the area of the entropies, by a constant quantity if they are plotted for values of the pressure varying in geometric progression.
The gas is then expanded adiabatic-nJCut along B C up to the pressure 1) 2, so that the temperature drops to the value Ti.
There is then production of a certain quantity of work proportional to the drop in temperature T = -Ti. The gas is then reheated again to T ix, T =, following <I> CD, </I> at constant pressure pL ,, expanded to Ta, Ti following <I> DE, </I> reheated to constant pressure ps up to Ta following <B> E F. </B> (In fig. 1,
we only considered a three-stage combustion, but it is. of course due to this number of stages could be different.) The gas is then expanded adiabatically to a pressure p., corresponding to a certain temperature T'o, then cooled at constant pressure p 'i to Ti, according to r% H. If T'o was infinitely close to T @. the point H would come in (_T 'and to continue following the theoretical Carnot cycle,
it would be necessary to compress isothermally until reaching the initial pressure in. In practice, it will be easier to perform a series of adiabatic compressions between the temperatures To and T'0, separated by constant pressure heat exchanges with the cold source, according to HI.I Ii < I> G </I> 1I: 4 <I> 0 P; </I> we see that the diagram is presented in the form of a series of saw teeth.
If we take the average ordinate of the sawtooths relating to the hot source, and the average ordinate of those relating to the cold source, we will obtain the rectangular diagram of a theoretical Carnot cycle having the same thermal efficiency as the cycle considered. We see that the temperature limits of this fictitious cycle are approximately:
EMI0002.0034
<I> T <SEP> i <SEP> <U> -f <SEP> - <SEP> T <SEP> 2 </U> </I>
<tb> - <SEP> <U> o </U> <SEP> for <SEP> the <SEP> source <SEP> hot <SEP> and <SEP> <U>r#</U> <I> , <SEP> _ <SEP> 1 <SEP> _ <SEP> 1 "0 </I>
<tb> <U> d </U> <SEP> - for the cold source.
<B> T'a </B> will be closer to To the greater the number of compression stages.
This results in a notable reduction in the so-called compression work-to-useful work ratio, which presents a considerable advantage from the point of view of efficiency.
The characteristic of the present invention lies in the fact that the successive reheating are carried out by staged combustion, that is to say that the combustion of a given mass of fuel is carried out in several times in the mass line of fuel. air given, which may be significantly higher than the usual proportion and thus ensure complete combustion.
The present invention also relates to an application of this process to a combustion turbine, in which an attempt has been made to carry out this sawtooth cycle with staged combustion, by suitably arranging the turbine elements on which the current acts. gas to produce the mechanical power brought into play by the successive expansion and compressions, and by interposing between these elements devices for the exchange of heat at constant pressure with the hot source and with the cold source.
In fig. '? and 3 of the attached drawing are shown by way of example, in schematic section, two embodiments of the object of the invention.
The adiabatic expansions take place in nozzles ti, <I> 12, </I> ts, where the gases acquire a certain speed transformed into work by the movable blades of the wheels ri, t of the action type). These blades will only be subjected to the temperature Ti of the gases at the end of the expansion, which may be lower than the temperature of the red without causing an unacceptable value for the efficiency of the cycle.
The hot source is made up of the combustion chambers ci, c2, c3 where the fuel injected through the pipes ii, i ::, i3 burns in the air stream constituting the driving fluid of the turbine, and increase its temperature to the value T2. Although;
in chambers c2 and c3 the air is mixed with the burnt gases, combustion is however easily carried out due to the large excess of air that the cycle can include while screaming now at the temperature T2 a fairly high value . This value will be limited by the conditions of good conservation of the refractory linings of the combustion chambers and adjoining compartments.
The expansion nozzles are formed in their anterior part by a refractory material (carborundum, for example), and in their posterior part where the temperature will be close to Ti. by metallic cubages giving the gas flow an appropriate direction with respect to the mobile cubages. The gases leaving the mobile cubicles pass through the diffusers d ,, d-_ ,. d :; intended to convert the greater part of the remaining speed into pressure.
The number of blades on each of the wheels will depend on their peripheral speed and the. temperature drop T = 1r. <I> Ti, </I> which determines the speed of the gases at the outlet of the nozzles. the presence of the diffusers di <I> d_ </I> d :, increases the ratio between the speed of the gases and the peripheral speed.
The loss at the seal, due to the pressure difference at the inlet and outlet of the diffuser, will have only a minimal influence on the efficiency.
The adiabatic compressions will be carried out by means of a reverse device to that of the detents. The directing cubages of i, of_, of 4, of :, and of ,;
conduct the gases on the am bages of the wheels r'i, Ï "_, î's, î'4, r ':, and r' ,; which impart a high speed to them, transformed into pressure in the diffusing cubages t ' ,. t'_. <I> t'a, </I> t'4, t ':. and As the temperature difference relating to the compression stages is much smaller than that relating to. expansion, the wheels may have only one row of vanes each.
They can be of the action type, so as to reduce the number of stages for a given compression ratio. For the. last compression, which must be adiabatic, the wheel i- ',; may include several cubages, the temperature range T, à Tu being quite high. Between the different stages of com pressure, the gases will pass through refrigerants RR .., which may be constituted, for example, by tube bundles with water circulation, or by a system of water jets, produced by a suitable pump set.
Due to the increase in the specific volume of the gases by the successive expansions, the section of the airspace will increase as the pressure decreases. The ratio of the extreme sections will be all the greater as the trigger is pushed further. If it is desired to obtain satisfactory efficiency from the various elements of the turbine, it will be necessary, as far as possible, to achieve full supply to all stages.
For this purpose, if the degree of expansion is very high (this constitutes an advantage for it from the point of view of efficiency), it will be advantageous to divide the turbine into two parts of different speeds and diameters, coupled together. swims or electrically marnière to have at the high pressure stages a satisfactory proportion between the section of the distributors and the surface of the wheel.
This is the embodiment due to fig. 3 of the attached drawing, in which the turbine is divided into two parts, each containing a part of the expansion stages and a part of the compression stages.
The two portions of the turbine are coupled using L gears, for example.
If the compression and expansion stages of the turbine 11i are suitably chosen, the coupling member will only have to transmit a small fi-action of the total power. On the other hand, the moving ambages of the ZI_ turbine will be tor at low temperature.
The interest of the degree of expansion from the point of view of efficiency is shown in the diagram of fig. -l, which represents the thermo-vnamic cycle, cry taking into account the energy losses of the various elements of the turbine. The adiabatic expansion and compression does not actually take place along a straight line parallel to the T axis, but rather along a more or less inclined curve. The heat supplied is represented by the areas surrounded by a solid line.
The heat transferred to the cold source is represented by the area surrounded by a dotted line, where the hatched regions must be counted twice. The difference will be the amount of heat transformed into work.
() n sees immediately on this diagrine only the relative importance of the loss of energy <I> a </I> G <I> c </I> d in the last trigger and ej '<I> y h. </I> in the last compression decreases if the distance of the extreme abscissas of the cycle increases, that is to say if the degri @ of expansion @here,
inente. The ininiina pressure may be lower than the atmospheric pressure. We will only be limited in this sense by the space requirements of the turbine. The maximum pressure will be determined by conditions of non-mechanical resistance.
The atmospheric pressure can correspond to that of any stage. the relative values of the pressiuiis of the different stages being preserved. in other words the pressures being all modified in the same report. The diagram would not be changed, it would simply be moved parallel to the entropy axis. The quantity of heat to be introduced into the combustion chambers would be modified in proportion to the pressure.
As a result, there will be a very simple means of regulating the pressure between very wide limits, without changing the speed of rotation or appreciably modifying the temperature distribution, the efficiency of the turbine remaining more or less constant at all times. charges.
To do this, it will suffice to equip the various compression stages with valves <I> a., A, a ... </I> <I> and b, b, </I> b ... (fig. 3 ), making it possible to put them in relation, on the one hand, with the atmosphere and, on the other hand, with the exhaust pipe G of the burnt gases.
These valves will be closed at all stages :, except the one in which we want to establish a pressure equal to atmospheric pressure. If, for example, a stage where the pressure at the normal load is kg per cm2 is placed in communication with the atmosphere, all the pressures of the different stages will be halved.
If the fuel inlet would be reduced by 0 0 0, so as to keep the same temperature limits, the power of the turbine will be half of the normal power and the efficiency will be the same as at full load. The construction and operation of the valves will not present any diffi culties, since they will be at ambient temperature and will only have to withstand pressure differences of the order of the magnitude of atmospheric pressure.
The variation in power between two successive pressure steps will be obtained by modifying the fuel inlet; the temperature distribution will be slightly modified, without significantly altering the yield. This mode of power regulation by proportional variation of the pressures in all the stages will make it possible to give the turbine a considerable overload capacity, which will be limited due to the conditions of mechanical resistance to the pressures brought into play.