INJECTION DIRECTE DES GOUTTELETTES D'EAU DANS LA TURBINE A GAZ
DESCRIPTION
1 - Installation connue de la turbine à gaz:
La turbine à gaz est connue généralement dans les applications aéronautique, marine, industrielle ou domestique. Une installation connue de la turbine à gaz est constituée de compresseurs à gaz basse - haute pression, de la chambre de combustion et des turbines à gaz haute - basse pression (figure 1).
Le compresseur basse pression (2) comprime l'air de l'entrée (1) et guide cet air de la sortie du compresseur à l'entrée (3) du compresseur haute pression (4), ce second compresseur comprime et augmente encore la pression de l'air.
L'air comprimé par le compresseur haute pression est guidé jusqu'à la chambre de combustion via la sortie (5) du compresseur haute pression.
Dans la chambre de combustion (7) a lieu la combustion de cet air comprimé avec le combustible fourni via l'entrée (6).
Après la combustion, le gaz brûlé sort de la chambre et est guidé dans la turbine haute pression via la sortie de la chambre (8).
Le gaz brûlé entraîne la turbine haute pression (9) et la rotation de cette turbine avec son arbre. Comme le compresseur haute pression est couplé avec la turbine haute pression à travers les arbres, le compresseur haute pression est alors entraîné par la turbine haute pression pour comprimer l'air. Le gaz chaud de la sortie (10) de la turbine haute pression est guidé vers l'entrée à la turbine basse pression et induit la rotation de cette turbine (11) avec son arbre.
Comme le compresseur basse pression est couplé avec la turbine basse pression à travers les arbres, le compresseur basse pression est alors entraîné par la turbine basse pression pour comprimer l'air.
La puissance de sortie de l'installation peut être présentée sous différentes formes : poussée aérodynamique (12), puissance mécanique/électrique (14) par l'arbre de turbine (13).
Le gaz chaud à la sortie de la turbine basse pression de l'installation est généralement plus de 500 [deg.]C.
L'énergie résiduelle dans ce gaz chaud est rejetée dans l'atmosphère, expliquant le faible rendement de l'installation de la turbine à gaz et la pollution atmosphérique en hautes et basses altitudes qu'elle induit.
2 - Injection directe des gouttelettes d'eau dans une installation de turbine à gaz:
La présente invention permet d'augmenter le rendement de la turbine à gaz classique par la récupération directe de l'énergie résiduelle dans le gaz brûlé et également de réduire la pollution atmosphérique par l'injection directe d'eau en le pulvérisant dans le gaz brûlé. L'énergie résiduelle dans le gaz brûlé transforme les jt&oS<">o[pound]o[pound] gouttelettes d'eau en vapeur, la masse volumique du mélange du gaz chaud dans la turbine est donc augmentée ainsi que la vitesse du mélange.
La puissance de sortie de l'installation peut être présentée sous différentes formes : poussée aérodynamique, puissance mécanique/électrique par l'arbre de turbine. Cette installation peut être utilisée dans les applications aéronautique, marine, automobile, industrielle ou domestique (figures 2A, 2B, 2C).
L'invention est caractérisée dans le fait que la vapeur d'eau est formée directement dans le gaz chaud par la pulvérisation directe d'eau dans le gaz chaud de la turbine à gaz.
L'énergie résiduelle dans le gaz chaud de la turbine à gaz est récupérée dans la vapeur d'eau, cette vapeur sera mélangée avec le gaz chaud de la turbine à gaz par un mélangeur air - vapeur afin de former un gaz homogène de densité plus grande que de l'air. L'énergie transmise à la vapeur d'eau sera récupérée ensuite dans la turbine.
Le rendement de l'installation sera donc augmenté et la pollution NOx sera donc diminuée.
L'installation de l'injection directe de l'eau dans la turbine à gaz comprend une unité de turbine à gaz, une unité de turbine à vapeur et une unité de l'injection directe de l'eau. Trois configurations de l'installation sont proposées :
A - Injection directe des gouttelettes d'eau à la sortie de la chambre de combustion (figure 2A) :
L'unité de turbine à gaz est construite au moins avec : les compresseurs basse haute pression montés sur les arbres de compresseur basse - haute pression, la chambre de combustion.
L'unité de turbine à vapeur est construite au moins avec :
les conduites eau vapeur, les pompes, les échangeurs de chaleur, les turbines à vapeur haute - basse pression montées sur les arbres haute - basse pression, le condenseur de vapeur.
L'unité de pulvérisation circonférentielle directe des fines gouttelettes est construite au moins avec : les injecteurs des gouttelettes transformant l'eau en vapeur, le mélangeur vapeur - gaz.
Le compresseur à gaz haute pression (4) est entraîné par la turbine à vapeur haute pression (9). Le compresseur à gaz basse pression (2) est entraîné par la turbine à vapeur basse pression (11 ).
Cela veut dire que la turbine à vapeur, entraînée par le mélange vapeur - gaz, entraîne le compresseur à gaz pour comprimer l'air.
L'air atmosphérique (24) est chauffé à travers des échangeurs de chaleur (25) dans le condenseur (18) avant d'être ramené à l'entrée (1) du compresseur à gaz basse pression (2).
Le compresseur à gaz basse pression (2) comprime l'air de l'entrée (1) et guide cet air via la sortie à l'entrée (3) du compresseur à gaz haute pression (4) pour augmenter encore la pression. J[lambda]oo<¯>/oLo[pound]
L'air haute pression est ensuite ramené à la chambre de combustion via la sortie (5) du compresseur à gaz haute pression (4).
Dans la chambre de combustion (7), la combustion de cet air comprimé avec le combustible fourni via l'entrée (6) a lieu.
Après la combustion, le gaz brûlé sort de la chambre de combustion (7).
La pulvérisation circonférentielle directe de l'eau par les injecteurs (15) pulvérise l'eau surpressée en fines gouttelettes dans le gaz brûlé chaud à la sortie (21) de la chambre de combustion. Par conséquent, les fines gouttelettes d'eau sont transformées en vapeur d'eau.
La vapeur d'eau et le gaz brûlé chaud sont amenés au mélangeur (16) via la sortie (22) afin de former un mélange homogène de vapeur - gaz brûlé chaud. Le mélange ainsi formé est amené à l'entrée de la turbine à vapeur haute pression (9) via la sortie (8).
Le mélange vapeur - gaz brûlé chaud entraîne la turbine à vapeur haute pression (9) et induit sa rotation autour de son arbre.
Comme le compresseur à gaz haute pression (4) est entraîné par la turbine à vapeur haute pression (9), le compresseur à gaz haute pression peut comprimer l'air pour augmenter la pression.
Le mélange vapeur - gaz brûlé chaud à la sortie (10) de la turbine à vapeur haute pression arrive à l'entrée de la turbine à vapeur basse pression (11) et induit la rotation de ce dernier autour de son arbre. Comme le compresseur à gaz basse pression (2) est entraînée par la turbine à vapeur basse pression (11 ), le compresseur basse pression peut comprimer l'air de son entrée d'air pour augmenter la pression dans l'air.
Le mélange vapeur - gaz brûlé à la sortie de la turbine à vapeur basse pression arrive ensuite dans les conduites de vapeur (17) puis dans le condenseur (18).
Les échangeurs de chaleur (25) dans le condenseur servent à chauffer l'air atmosphérique (24) pour l'air à l'entrée (1) du compresseur à gaz basse pression (2). L'eau condensée dans le condenseur (18) est pompée à travers les conduites d'eau (20) par les pompes (19) et à travers les conduites d'eau (23) aux injecteurs (15). Les pompes (19), le condenseur (18), les échangeurs de chaleur (25), les conduites de vapeur (17) et les conduites d'eau (20,23) forment un circuit fermé eau - vapeur.
Le rendement de cette installation est supérieur à celui de l'installation classique.
La puissance de sortie de l'installation peut être présentée sous différentes formes : poussée aérodynamique (12), puissance mécanique/électrique (14) par l'arbre de turbine (13).
B - Injection directe des gouttelettes d'eau à la sortie de la turbine à gaz haute pression (figure 2B) :
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L'unité de turbine à gaz est construite au moins avec : les compresseurs basse haute pression montés sur les arbres de compresseur basse - haute pression, la chambre de combustion, la turbine à gaz haute pression montée sur l'arbre de turbine à gaz haute pression.
L'unité de turbine à vapeur est construite au moins avec : les conduites eau vapeur, les pompes, les échangeurs de chaleur, la turbine à vapeur basse pression montée sur l'arbre de turbine à vapeur basse pression, le condenseur de vapeur.
L'unité de pulvérisation circonférentielle directe des fines gouttelettes est construite au moins avec : les injecteurs des gouttelettes transformant l'eau en vapeur, le mélangeur vapeur - gaz.
Le compresseur à gaz haute pression (4) est entraîné par la turbine à gaz haute pression (9).
Le compresseur à gaz basse pression (2) est entraîné par la turbine à vapeur basse pression (11 ). Cela veut dire que la turbine à vapeur basse pression, entraînée par le mélange vapeur - gaz, entraîne le compresseur à gaz basse pression ; la turbine à gaz haute pression, entraînée par le gaz brûlé, entraîne le compresseur à gaz haute pression pour comprimer l'air.
L'air atmosphérique (24) est chauffé à travers des échangeurs de chaleur (25) dans le condenseur (18) avant d'être ramené à l'entrée (1) du compresseur à gaz basse pression (2).
Le compresseur à gaz basse pression (2) comprime l'air de l'entrée (1) et guide cet air via la sortie à l'entrée (3) du compresseur à gaz haute pression (4) pour augmenter encore la pression, l'air haute pression est ensuite ramené à la chambre de combustion via la sortie (5) du compresseur à gaz haute pression (4).
Dans la chambre de combustion (7) a lieu la combustion de cet air comprimé avec le combustible fourni via l'entrée (6). Après la combustion, le gaz brûlé sort de la chambre de combustion (7).
Le gaz brûlé chaud arrive à l'entrée (21) de la turbine à gaz haute pression et entraîne sa rotation autour de son arbre.
Comme le compresseur à gaz haute pression (4) est entraîné par la turbine à gaz haute pression (9), ledit compresseur à gaz haute pression (4) peut comprimer l'air pour augmenter la pression.
La pulvérisation circonférentielle directe de l'eau par les injecteurs (15) pulvérise l'eau surpressée en fines gouttelettes dans le gaz brûlé chaud à la sortie (22) de la turbine à gaz haute pression (9), en conséquence les fines gouttelettes d'eau sont transformées en vapeur d'eau.
La vapeur d'eau et le gaz brûlé chaud sont amenés au mélangeur (16) pour bien mélanger via la sortie (8) et dans le mélangeur (16) afin de former un mélange homogène de vapeur - gaz brûlé chaud à l'entrée de la turbine à vapeur basse pression (11) via la sortie (10).
Le mélange vapeur - gaz brûlé chaud entraîne la turbine à vapeur basse pression (11), et induit la rotation de celui-ci autour de son arbre. Comme le compresseur à gaz basse pression (2) est entraîné par la turbine à vapeur basse pression (11 ), le compresseur à gaz basse pression (2) peut comprimer l'air pour augmenter la pression. O fT/[theta]o [theta] Q
Le mélange vapeur - gaz brûlé à la sortie de la turbine à vapeur basse pression (11) arrive ensuite dans les conduites de vapeur (17) puis dans le condenseur (18).
Les échangeurs de chaleur (25) dans le condenseur servent à chauffer l'air atmosphérique (24) pour l'entrée d'air (1) du compresseur à gaz basse pression (2). L'eau condensée dans le condenseur (18) est pompée à travers les conduites d'eau (20) par les pompes (19) et à travers les conduites d'eau (23) aux injecteurs (15). Les pompes (19), le condenseur (18), les échangeurs de chaleur (25), les conduites de vapeur (17) et les conduites d'eau (20,23) forment un circuit fermé eau - vapeur.
Le rendement de cette installation est alors augmenté.
La puissance de sortie de l'installation peut être présentée sous différentes formes : poussée aérodynamique (12), puissance mécanique/électrique (14) par l'arbre de turbine (13).
C - Injection directe des gouttelettes d'eau à la sortie de la turbine à gaz basse pression (figure 2C) :
L'unité de turbine à gaz est construite au moins avec : les compresseurs basse haute pression montés sur les arbres de compresseur basse - haute pression, la chambre de combustion, la turbine à gaz haute pression montée sur l'arbre de turbine à gaz haute pression, la turbine à gaz basse pression montée sur l'arbre de turbine à gaz basse pression.
L'unité de tuyère à vapeur de turbine est construite au moins avec :
les conduites d'eau, les pompes, les échangeurs de chaleur, la tuyère à vapeur de turbine.
L'unité de pulvérisation circonférentielle directe des fines gouttelettes est construite au moins avec : les injecteurs des gouttelettes transformant l'eau en vapeur, le mélangeur vapeur - gaz.
Le compresseur à gaz haute pression (4) est entraîné par la turbine à gaz haute pression (9). Le compresseur à gaz basse pression (2) est entraîné par la turbine à gaz basse pression (11 ).
Cela veut dire que la turbine à gaz basse pression, entraînée par le gaz brûlé, entraîne le compresseur à gaz basse pression ; la turbine à gaz haute pression, entraînée par le gaz brûlé, entraîne le compresseur à gaz haute pression pour comprimer l'air.
L'air atmosphérique (24) est chauffé à travers des échangeurs de chaleur (17) autour des turbines et de la tuyère de turbine (25) avant d'être ramené à l'entrée (1) du compresseur à gaz basse pression (2).
Le compresseur à gaz basse pression (2) comprime l'air de l'entrée (1) et guidé cet air via la sortie à l'entrée (3) du compresseur à gaz haute pression (4) pour augmenter encore la pression, l'air haute pression est ensuite ramené à la chambre de combustion (7) via la sortie (5) du compresseur à gaz haute pression (4).
Dans la chambre de combustion (7) a lieu la combustion de cet air comprimé avec le combustible fourni via l'entrée (6).
Après la combustion, le gaz brûlé sort de la chambre de combustion (7). Le gaz brûlé chaud arrive à l'entrée (21) de la turbine à gaz haute pression et entraîne la turbine à gaz haute pression (9) causant sa rotation autour de son arbre.
Comme le b&i <=¯ /oµ c< compresseur à gaz haute pression (4) est entraîné par la turbine à gaz haute pression (9), ledit compresseur à gaz haute pression (4) peut comprimer l'air pour augmenter la pression.
Le gaz chaud de la sortie de la turbine à gaz haute pression (9) arrive à l'entrée (22) de la turbine à gaz basse pression (11) et entraîne la turbine à gaz basse pression (11), causant sa rotation autour de son arbre. Comme le compresseur à gaz basse pression (2) est entraîné par la turbine à gaz basse pression (11), le compresseur à gaz basse pression (2) peut comprimer l'air pour augmenter la pression.
La pulvérisation circonférentielle directe de l'eau par les injecteurs (15) pulvérise l'eau surpressée en fines gouttelettes dans le gaz brûlé chaud à la sortie (10) de la turbine à gaz basse pression (11).
Par conséquent les fines gouttelettes d'eau sont transformées en vapeur d'eau. La vapeur d'eau et le gaz brûlé chaud sont amenés au mélangeur (16) via la sortie (8) et dans le mélangeur (16) afin de former un mélange homogène de vapeur - gaz brûlé chaud à l'entrée de la tuyère de turbine à vapeur basse pression (25).
La tuyère de la turbine à vapeur (25) augmente de la vitesse du mélange gaz vapeur à la sortie (12).
Le rendement de cette installation est alors augmenté. Les échangeurs de chaleur (17) autour des turbines à gaz et de la tuyère de turbine (25) sont pour réchauffer l'air atmosphérique (24) pour l'entrée d'air (1) du compresseur basse pression (2). L'eau est pompée à travers les conduites (20,23) par les pompes (19) aux injecteurs (15).
Les pompes (19), les échangeurs de chaleurs (17) et les conduites d'eau (20,23) forment le circuit d'eau.
Le rendement de cette installation est alors augmenté. La puissance de sortie de l'installation peut être présentée sous différentes formes : poussée aérodynamique (12), puissance mécanique/électrique (14) par l'arbre de turbine (13).
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DESCRIPTION DES FIGURES
Figure 1 représente l'installation connue de la turbine à gaz.
Figure 2A représente l'installation de l'injection directe des gouttelettes d'eau à la sortie de la chambre de combustion.
Figure 2B représente l'installation de l'injection directe des gouttelettes d'eau à la sortie de la turbine à gaz haute pression.
Figure 2C représente l'installation de l'injection directe des gouttelettes d'eau à la sortie de la turbine à gaz basse pression.