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" Turbine à gaz "
Depuis longtemps on s'est attaché à la solution du pro - blème consistant à construire une turbine à gaz utilisant
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directement les calories des gaz de combustion, afin d'é- vite!' du d< v o 1 - TJ8i3iJUL' paL' LW é 11t L' t3 L Cl 1,l,L' do 11',1 j7r' ! 1' F.1 1''Li N ! lier, et un condensear.. comme il en est dans le procédé
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ordinaire d'utilisation d'un générateur de vapeur et dl!ln4 condense ar . Ce :problème a été travaillé de façon très appro- fondie, gu point de vue théorique, ot en p81,tieùliei, dans l'onvrace " Damft -und Gastarbinentt, de Stodola, on t roave les bases du Pr-ouesbLi2 thci'ioàyi1+ii<¯jlie de mise en oeuvre des turbines à gaz.
Dans ces recherches , on a principale- ment adopte deux voiesdifférentes. :Par l'une de ces voies, on a cherché à sa ivre le cycle du moteur à explosion,du fait qu'un mélange gazeux approprié est compresse à une pression déterminée, après quoi des calories lui sont ame- nées à volume constant, grâce à quoi la pression et la tem-
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"" aagmentent. On a alors cherche mettre à profit
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la quantité d'énergie produite ainsi dans une turbine,au
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lieu d'employerlan moteur a. piston . Dans le second système de turbines à. gaz, on a mis à contribution un ProL:é6..ê r1 pression constante, lequel, dans un certain sens, répond au Processus Diesel, dans les ;uotours 1,. (;OlJlbl1;,io;'l.
Du gaz et de l'air sont compressés 8" une certaine pression, après quoi onapporte des calories, sous pression constante. Ainsi, les gaz subissent une expansion, à température crois- sante, grâce à quoi on produit un certain excès de force,
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mis à contribution dans une tu,rbi.le. L'avantage le plus important que e 1 ' o h pe ut réaliser en substituant une tarbine à un moteur à piston réside dans la possibilité d'obtenir des puissances plus élevées, avec des machines relativement légères et peu coûteuses.
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De méme, la turbine à grande vitesse est mieux appro- ,:priée à l'actionnement-de générateurs que le moteur à com- bastion, dont la vitesse de rotation, pour les fortes pais- sances, ne devrait pas dépasser quelques centaines de rota-
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tàons à la minute.
L Tatilîsrtion d'an mote ur à piston exi- ge an générateur Qlas ioâteax, en sorte que les frais de l'installation ao-gmentent.
En ce qui concerne le rendeuant de telles turbinas à gaz, on n'a pas posé d'exigences aassi gr3ndBs Cla.e celles aa.x9.a.el1es on a pu répondre dans un motear à piston,cir- constance que l'on peut expliquer par le fait qae.dans ton groupe de turbiae s, on peut compter sur des frais d'ins- tallation plus faibles. De ce fait, les frais de service, malgré la consommation en combostible plus forte, peuvent
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6tre plus réduits qu'avec an rnoteur 8. piston. les installations 0. 'e x!tPr iwmtat i011 de turbines à. gaz, qui ont été réalisées jas qu'ici, ont donné des résultats décourageants. ilo rrÍoilloLlL' 081::31:l1 a 1 t à e xé c a t en úrpli- quant le -Processus d'explosion, par Holzwartl1.
D'après les
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publications relatives à cet essai, on a atteint un rende-
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ment thermique arrivant jasquqà 13 )1 Avec un autre type de turbines à gaz, les turbines à pression constante, les ré- sultats ont été plus maavais encore. La forme de réalisation
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la plus connae a été constL'L1ite par la Sté Anonyme des Tarbo-Motears, forme de réalisation sur laquelle Barbezat a publié des essais très approfondis, d'après lesquels on a
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atteint un rende ment d'à peine 3 )É, an sujet duquel Stodo- li a observé : " la turbine était peine en mesure de four nir son propre travail de compression!!.
La canse des résul- tats défavorables, dans les installations de turbines à gaz réalisées, ainsi que dans les recherches théoriques, résida
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principalem'''nt dans le fait que l'on a mis à la base une turbine primitive, en vue de l'utilisation des quantités de travail existant dans le mélange gaz81.1..'{ après la combustion.
La présente invention est relative àux turbines à gaz de ce genre, et a pour but la création d'un groupe de tur- bines à gaz, de rendement thermique élevé. L'objet de l'in- ve ntion est un groupe de turbines à gaz comportant une ou
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plusieurs turbines à gaz, entraînant un ou plusieurs compares- stars, en vae de coi>iprir*àr l'air do uoinbastion,les gaz de combustion, ou les deux ieluides, le rendement thermodyna- miqae de l'ensemble du groupe de turbines à gaz atteignant au moins 80 %, et convenablement 85-90 %.
Il ressort des recherches théoriques qui ont été pa.- bliées par différents auteurs que la température du gaz est de grosse importance pour le rendement thermique. Par suite, tous ceux qui ont travaillé le problème se sont
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laissé entraîner à utiliser en une fois, et en un É:k#zx étage, la total-itê de la chate de températare existant dans le mélange gazeux , on dans une partie de celui-ci, afin d'obtenir dans le système d'aabes proprement dit une tem- pératare plus basse que la température de départ.
Toatefois on a alors perdu de vue, que dans les turbines ne possédant
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q)..1.fane seule couronnes d'aabages, les sollicitations ne manifestant dans les rotors et dans les tubes sont très ('levées, le motif en étant dans le fait que l'on doit tra-
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tiller avec des vitesses circonférentnelles élevées.
L'invention réside en oatro dans âne i;arbine à gaz {4ai contient un ou Plusieurs systèmes dl-aubes s d'après le principe de la réaction, avec aa moins quatre rotors, et d'un rendement (lao moins 80 % et convenablement de 85-90.
D'adirés caractéristiques propres à l'invention seront
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données a l'appai des dessins annexés, dans lesquels:
La Figaro 1 montre un groape de tarbines se composant (le deux par t ies ;
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La figare 2 est an groa.pe de tarbines à gaz comportant plasiears turbines s à gaz.
Dans la figure 1, Imontrë' une tarbine radiale , laqael- le, de manière coîinae en soi, se compose dtun rotor de tar- hine portant des aabes dostinoes à ltéuoalcment radial du fluide moteur.
Le fluide moteur pénètre dans une chambre centrale 9 ,
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(1 parcourt le système d'anbes, en direction radiale, jus- (laTà l'échappement situé à l'intérieur du carter de tarbi- n3, poar être conduit par la canalisation 0. réûfiappenJ3 nt 5 ,jusqul<, d'autres points dtatilisation.. Ta turbine 1 est Tentée sur le méme arbre ql.1Tan compresseur 2, lequel pro- @uit la quantité d'air nécessaire aa service da groupe, cet air étant comprimé à haute pression.
Ladite quantité :.'air est éloignée du compresseur 2 Par une canalisation G, et conduite à un appareil d'échaaffement 7 dans lequel
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l'air est anené, grâce à la combustion continue s'effeetnant ,1,0. sein de celai-ci du combustible arrivant par la (.;('1nçlj- i3ation tabulaire 8, à une tempérDture répondant à celle '''onr locJpell0 log turb,r.o 4 v.';1 TY' ur' ont 6 t constrf-dtou, en tenant compte de la résistance des matériaux à l'action '1.9 la chaleur. La canalisation 11 relie l'appareil d t écha uf-
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fement 7 à la chambre centrale 9 de la turb.ix.e .
Dans la turbine 1, une certaine partie de la force vive contenue dans le gaz parcourant la canalisation 11 ou fluide moteur, se trouve consommée. Une partie de la
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force vive restante est encore utilisée dans la turbine 12. La canalisation d'échappement 5 de la turbine 1 est raccordées la canalisation d'admission de la turbine 12.
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Cette turbine l est 6C,,al.erent une talbille radiale, construite sur le principe de la réaction. Cette turbine
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radiale comporte, conformément aux bases connues, stappli- quant aux turbines radiales à double rotation , deux ro-
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tors de turbine tournant en directions opposées, et c'n.aüW1 monté sur an arbre. Sur l'arbre de l'an des rotors de tuer- bine est disposé un compresseur 3, alors qu'un second com- presseur 4 se trouve sur l'arbre de l'autre rotor de tur- bine.
Le compresseur S'est réalisé selon les bases connues, l'air à compresser étant amené par la canalisation d'ad- mission 15, et contraint , par l'action d'aubes montées
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rs 0. iale r n t, de paroourir le ccrapresseur, en subissant une compression, en direction des flèches montrées sur le des- sin. Le ç.;ompr-esseur 3 est an cocipresbear à basse pression, et est en (;ommani0stion,par une canalisation 16, avec le compresseur 4 établi comnt3 compresseur à moyenne pression.
Le compresseur 4 peut être réalisé de manière analogue à celle du compressàar 3, mais sera tonte fois cons.ru.t pour, uno pression plus élevée et nri quantité d'air plus faible. * L'échhppenBi1t du compresseur 4 est en àouimanica- tion, par une canalisation 17, avec le compresseur à haute
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pression 2 que l'on a mentionné plus haac. Ce compresseur 2, peut, comme il en est pour les compresseurs précédemment décrits, e'tre de constr'aotion usuelle, mais ses dimensions se ront mO di fiées .
Tous les ComprE'8,3C'I:trS peavent être poarvoo d'un dispo-
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sitif de refroidissement pour l'air comprime, comme on l'a montré dans le compresseur 3, ou l'effet de refroidisse- ment est obtenu par injection d'eau, au moyen d'une cana- lisation 20.
Après que le fluide moteur a parcouru la turbine à
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gaz 12, et abandonné dans le système daubes de celle-ci une partie de la teneur en force vive restante, il est con-
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duit par la canalisation 1. jusqu'à, une turbine 14 laque- le, dans ce cas, possède la mé'me,. ou approximativement la me'ma construction que la turbine à gaz 12.
La turbine à gaz 14: travaille comme turbine à basse pression. Cette turbine à basse pression possède par suite d'astres dimensions, en raison de la quantité de gaz plus
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importante qui est ane conséquence de l'expans ionayant en lieu, en avant de la turbine 14, dans les t!1rbines 1 et 12. la turbine 14 travaille égalen13nt comme turbine à réac- tion et à contre -pression, et entraîne les générateurs électriques 18 et 19 montés sur ses arbres.
L'ensemble du groupe de turbines à gaz se compose ain- si, principalement, de deux parties parmi lesquelles les turbines 1 et 12, avec les compresseurs 2,3 et 4 actionnés
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par ces turbines, fornant le groupe compresseur, alors que la turbine 14, avec les génératears électriques 18 et 19 - qui lui appartiennent, constituent la partie du group de tarbines a gaz livrant de la puissance effective.
Da fait que l'on Sé"pA CE' l'âne de 1'8 ni; t'e ces x d 1 f ±é - rentes parties du groupe, on Peut régler pOI1r' différentes puissances les turbines à gaz appartenant aax différentes parties, également pour des charges s'écartant de la charge normale . Le groupe ccmpreSS8!1r doit notamment produire, approximat ive n:011.t , une tello quantité de gaz de pression déterminée que la totalité de la teneur en force vive dans
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les gaz, après que ceux-ci ont été échauffés à la tempéra- tare maximum admissible en raison de la résistance du grou-
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pe, réponde à la charge de la partie livrant de la paissan- ce effective.
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Le groupe de turbines représenté à, la Fio,. 2 comporte égaler#nt trois compresseurs, 3, 4, et 2, également eonnee- tés en série. L'air à comprimer pénètre, dans ce cas, par une canalisation d'admission 15, et est conduit par
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uno canalisation 16, depuis le compresseur à. basse pression 3 jusqu'au compresseur à moyenne pression 4. Le compresseur à moyenne pression 4 est en communication avec le compres- sear à haute pression 2, au moyen d'une canalisation 17.
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La quantité d'air définitivensnt comprimé quitte le com- presseur 2 par la canalisation 6, et est conduite à un rê- cupérateur ou régénérateur 21, dans lequel l'air comprimé est échauffe d'une manière tl18 l'on décrira par la suite.
Par la uanaljdation 22, le gaz est conduit à l'appa- reil d'échauffement 7 dans lequel, de la façon que l'on a déj' Kent tonnée plus haut, il est porté, par combustion interne, à la température pour laquelle les turbines ont été construites. Par la canalisation 11, le fluide moteur est conduit à une turbine 1 du type à réaction décrit; plus haut, et dans .laquelle le gaz subit à la fois une chute de température, et une expansion, La turbine 1 est montée sur
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le me'me arbre que le compresseur a haute pression 2 qui est entraîné par Par une canalisation 5, le flui- de moteur est conduit depuis la turbine 1 à une turbina 23. Le gaz est d'abord échauffé à nouveau dans l'appareil 24.
Cet appareil de réchauffage est de même construction que l'appareil 7. Le gaz amené par la canalisation corres- pondante brûle en consommant de l'oxygène, dans l'air à échauffer. La combustion dans l'appareil 7 s'effectua avec un excès d'air assez important pour que la teneur totale en oxygène soit suffisante pour entretenir la combustion
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tant dans l'appareil 7 qu'égale nant dans l'appareil 2, L'excès d'air, dans cette forme de réalisation, est assez
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important Pour que 1 t oi g ène contenu dans l'air suffise Pour parma1htre Plusieurs 'réchaaffages du gaz , comme on llàn- cliuera par la suite Après que le fluide moteur a par (; 0/1- ra le rotor 23, il est conduit a, la turbine 3Sa.
Dans la canalisation 25, qui relie l'échappement de la tarbine
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;33 à l'admission de la turbine 23a , est placé un appareil de r6-hauffag3 26. La turbine 23a, comme la tarbine 23, est montée sur le même arbre qa 1 an générate ar 27 entraîné par celles-ci.
Une canalisation 28 relie l'échappement de la tarbine
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23a b, l'admission d'une turbine 29. Un appareil (le réuhùai'- :Cage 30 est également prévu, dans cette canalisation de jonction 28. La turbine 29 entraîne le compreSS6Ql' à moyen- ne pression 4, et ces de QX appare ils 29 et Il sont montés c-tir le rr6me arbre:.
Haa canalisation 31 c,,ondait le gaz depuis la turbine wn 29 jaeqalb. lm turbine 32. Dans la canalisation 31 est éga- lement disposé un appareil de réchaaffage 33 pour le gaz.
La canalisation d'échappement 34 de la turbine 32 est en
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c.omnan3.cat ion tant avec l'admission d'une turbine 35 qu lave celle d 1 une autre turbine 36. Ces de ux tnrb iies sont ainsi des turbines à basse pression, et sont connec-
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tées en parallèle en direction de 1'6c-ouleiront du. fluide rcotear. Ce fluide moteur ne subit pas de réchauffage en avant de cesdeux turbines à basse pression.
La turbine à basse pression 36 est Montée sur le mène arbre qne le compresseur à basse pression 3, entraîné par celle-ci. Les turbines 32 et 35 sont montées sur le même arbre qu'un générateur 37, qu'elles entraînent.
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'!Les échappements des turbines 35 et 36 sont raccordes . une' canalisation 38, qui conduit les gaz d'échappement de ces turbines, au. régénratoo.r oa. r éczpérate ur 21. La part de calories subsistent encore dans les gaz d'échap- pement est,- de manière connue en soi, conduites dans cet
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appareil 21 jusque dans l'air comprimé. L'appareil 21 peut être d'une forme de r éalisat ion quelconque, et former un @échauffeur d'air du type à récupération.
Dans cette forme de réalisation, également, l'ensemble du groape de turbines à gaz constitue deux parties de groa- pe séparées l'une de l'autre, parmi lesquelles l'une des partios du groupo forme lo groupa compresseur, slors que
1 'antre partie du groupe sert à produire de la puissance effective.
Dans ce cas, le groups comporte plusieurs tur- bines de faibles dimensions, a fin que le gaz subisse plu- sieurs échauffements successifs. grâce à quoi on peut réa- làeer une meilleure utilisation de la force vive, Dans cette forme de réalisation également, les différentes par- ties da groupe peuvent être actionnées à des puissances différentes et à des vitesses différentes, de sorte que chaque partie du groupe ne livre que la puissance qui est nécessaire vis-à-vis de l'antre partie;
Conformément aux formes de réalisation ci-dessus dé- crites, on a prévu toutes les turbines comme étant des turbines à réaction.
En utilisant des turbines de ce type, il n'est pas nécessaire de recourir à des températures aus- si élevées qu'on l'a proposé pour les formes de réalisation antérieures; on peut au contraire utiliser des température notablement /inférieures. En particulier lorsque les systèmes d'aubes sont établis pour l'écoulement radial du fluide motear,on peut arriver au rendement élevé des turbines que l'on re- cherche .
Antérieurement, on n'utilisait pas de turbines du ty- pe à réaction, mais on essayait d'utiliser la teneur en force vive d'un me lange gazeux déterminé dans des turbines ne comportant qu'une seule couronne d'aubes, en même temps que l'on proposait de faire travailler ces turbines à des températuresparticulièrement élevées.
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Même avec des températures aussi élevées que 1.200 abs. après la combustion, et 8000 abs., comme température finale, après l'expansion, on ne peut obtenir, avec une turbine ne comportant qu'une couronne d'aubes, qu'on ren- dement thermique ne dépassant pas environ 12 %. Ceci s'en- tend pour une turbine à pression constante sans injection
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d'eau, travaillant b. une pression de compre,ssion de 15 Eg/ cm2. et d'un -rendement de 60 %, et cette dernière valeur
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pouvait à, peine être améliorée, avec une turbine aussi primitive.
Si, au lieu de cela, on prévoit une turbine de premier ordre, d'un renàeiàent dépassant 80 ;ô, et atteignant au mieux 85-90; %, avec une température de départ plis bas- se , on obtient des résultats notablement plas favorables que ceuxci-dessus indiqués, et que l'on donnera plus en détails par la suite.
Il ressort des données de Stodola que le problème
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de la turbine , gaz, antérieurement, n'avait pas été étu- dié en partant du point de vue de l'opportànité de tempéra- ture rolativorfent basses, et d'an rendenant élevé, on iiicirio temps, sans grosse chute de température dans la première -partie de la turbine. A la page 985 da la 5ème édition de
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l'ouvrage 'i Damp:rt' und Gasturb inen Il, on cite par exemple comme données, des turbines ou des compresseurs/, d'un l'en- dement de 55, 60, 65, 70, et 75 %, " pour n'être en aucune façon limité Il.
Attendu que la fatigue, dans une turbine ne comportant seulement qu'une couronne d'a@bes, à, grande vitesse, est notablement plas importante que les efforts dans une t urb i-
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- ne à plusieurs couronnes d'aubes, et vitesse eirconféren- tielle faible, on peut , naturellement, utiliser des tem- pératures d'aubes notàble=3nt plus élevées dans la turbin(3 Plusieurs couronnes d'aubes.
Si toutefois on donne comme condition, dans les deux cas, la même sécurité vis-à-vis
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de la fatigue de la matière, et si la température de départ est calculée en conséquence, une température de départ de
100-200 plas élevée, dans la turbine ne comportant qu'une seule coaronne d'aabes, devrait poavoir être admise dans cette dernière, en raison-de la différence existant entre la température de départ et la température finale dans la turbine.
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Une tarbine qui est partic.alièrement appropriée aux mate températures est la turbine radiale à simple. rota- t ion, spécialement en liaison avec des turbines radiales à simple ou à double rotation connectées en série . On pou-
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ra alors, convenablement, utiliser une tarbme travaillant h plein débit, et qai possédera an rendement d'aa moins 80/0 . La couronne d'aabes la plas rapprochée du centre peut alors, en raison des motifs précédemment donnés, être exécutée avec; an diamètre très petit. Dans une telle tarbi- ne, les gaz chauds pénètrent dans les couronnes d'aubes placées les premières -sur un rayon plus petit, après quoi
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ils s'éuoalent radialem3nt vers l'eWériear, en diminuant de pression et de te mpér at a re .
Le parties inte rnes , qui uont le plus Jortement é\Jh8UJ1'ÓOtJ, .l:>o::Jsoc1ent une vitesse circonférentielle faible, grâue à quoi on arrive à ce
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que les efforts centrifuges soient faibles. Les parties externes, qui sont soumises à des efforts importants, tra-
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vaillent b, température plus basse, et pefavent par suite résister plus aisém3nt aux efforts irortants.
Une turbine partie alièrement bien appropriée aa ser- vice àu gaz possède un indice (indice de Parson) 1¯7 a2 plus h
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grand que 2.CGQ, et convenablement situé entre 2.800 et 4.000, Z a2 désignant la Sor.me du car ré de la vitesse , et h la chute de température.
Avec les tarbines radiales à double rotat ion système
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Ljüngstrm , on a atteint, ces derniers temps, des rende- nents très élevés, en p ar t ie al i e poar les tllr'bj).1es s con- jre-pression (voir V.D.I. du 11 Janvier 1930). Un rende- ment thermodynamique de 9Q )1 n'est en aaiane façon, aa- ,'ourd'hui , une utopie, mais bien pelt être attoint, ,3ans difficulté,, avec une turbine d'ane dimension dOllble ,:e celles mentionnées ci-dessus . Dans les àatbines plus inxottantes encore on peut même arrive).' à des rertdersnts Plus élevés encore.
Dans la suite, on donnera les chiffres calculés pour deux formes de réalisation différentes d'une turbine à pres- sion constante, et ceci, d'une part, sans injection d'eau. et avec une pression de compression de 15 kg/cm2. et d'au.- tre part, avec injection dteau et une pression de 30 kg/cm 2 derrière le compresseur. La température des gaz avant l'ex- pans ion est, dans les deux cas, 800 % abs. températurefiai
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peut être admise sans dii'±1 alté avec le matériel de cons.. truction moderne. Les puissance indiquées valent pour utne quantité d'air de 1 kg. molécule (29 kg,) à la seconde).
Le
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tableau 1 îndique ,. la fois la puissance qui a pu être at- teinte avec une installation de turbines à gaz de ce gen- re ,sans injection d'eau, et le rendement thermique .
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<tb> ¯ <SEP> Tableau. <SEP> I.
<tb>
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Rendement de la türb ine % a0 50 60 70 80 90 Puissance effective kw -3300 -2000 -700 +600 +2000 +3300 'Rendement thetmiqae 7b - - - 4, 12 20
Il ressort de ce tableau que pour un rendement de la tur- bine inférieur à 80 % une telle installation est tout à fait
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défavorable, et que ce n'est C}.D.'à z z6, comme rendement de la t ar bine , que l'installation, pent être utilisée é úonorniÇL1.'1.e ment , La turbine gaz correspondante, ne possédant C}.1.'1.'o.UG couronne dTau7ages seulement, et travaillant a ona tompérstare de 1000 abs. ne donne seulement que 6 % comme rendement thermique et 1300 kW.
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trés
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Vrisernblatler.:t, om pourra gaz pL'o-.:h:.1ir.l.sr,:
snt employât.' une température de 10000 abs., que l'on a déjà utilisée dans l'industrie chimique A cette température , et à 80 ou 90 % de rendement pour la turbine, la puissance atteint 4700 ou
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6400 kW, et le rendement thermique 21,5 ou 29 . Si l'on ati- lise un régénérateur, le render#nt est natc.reller.J3nt plus élevé e riL. 0 re .
Four une installation de turbine à gaz avec injection d'eau, on obtient les chiffres correspondants, dans le ta- bleau, II.
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Tableau. <SEP> II.
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Rendement de la tnrbine po 40 50 60 70 80 90 Puissance effective M 40 R400 5000 7500 10200 12800 :{6ndc lII3nt thermiqac ;6 v 4= 9 le 18 zz Il ressort de ce tableau que le rendement de la tarbine,
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en dessous de 80 /0, est pea économique, Ce n'est que lorsque le rende,..eut de la turbine dépasse 8<S % quon arrive à ars rendement thermique ainsi qu'à une puissance effective saffi- samment élevés pour rendre une telle installation susceptible
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de concaeceu"'8, dans des bats déterminés, par exemple pour des gr OI1JeS co uvrant les pointes de charge.
Si, en effet, on examine les frais d'installation et d'établissement d'une telle réalisation, on voit que ceux-ci sont notablement Plus réduits
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que ceux dIane installation de fourniture de force,oorrespon- dante, marchant à la vapeur. Q,n en délitait qu'une 1mstation d3 ,¯+ " . ,/g;#¯ "#.iY . turbines à gaz est plus avantageuse, lorsqu'elle travaille* ?en- dant des temps d'utilisation plus réduits.
Dans.les formes de réalisation décrites ici, le groupe de turbines à gaz se compose de portions de groupe séparées l'une de l'antre, l'une des parties da groupe étant exclusi- vement destinée à fournir de la puissance effective, et l'antre
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exclusivement destinée à l'utilisation en vue de l'actionae- ment de compresseurs.
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Naturellement, lo partie du gr oa-pe qui doit principalement
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livrer de la puissance effective peut aussi comporter des compresseurs, de même que la partis du groupe (lui doit princi- pale ment actionner des compresseurspeut aussi comporter des générateurs en vue de la fourniture de puissance effective,mais
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les formes de réalisation ci-dès s os décrites peuvent être con- sidérées comme les Plus avantageuses, particulièrement dans les cas où les groupes trava illent avec des besoins de force variables.
Dans les groupes de turbines à gaz où le beso in de force doit être couvert à vitesse de rotation constante des turbines appartenant la partie da groupe, de la forme de réa-
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lisation ci-dessus décrite, la puissance du. groupe ùompressear peut âtre modifiée en faisant varier la vitesse de rotation des turbines 1:1 à. gaz appnrtpnont nudit c;r 0 L1T'E1 Ù om-pro f:1 :10LH' .
On a exposé plas haa.t pourquoi les turbines à gaz des 8;;:S- tèmes jusqu'à présent connus ne pouvaient être économiques.
Ce n'est seulement qu'à l'aide de la turbine proposée, d'on rendement économique élevé, puisque son rendement propre dé-
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-passe 8#) %1 gafil est devenu possible de mettre des turbines gaz en concurrence avec les centrales de force à vapeur, et ceci en premier, )lieu. Pour les centrales de force dont le temps d'utilisation est rédait, mais également poar d'autres bats lorsque, dans l'avenir, on aara établi des matériaux suffi- samment résistants, pour la constraction des tarbines à gaz.
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" Gas turbine "
For a long time, we have focused on the solution of the problem consisting in building a gas turbine using
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directly the calories of the combustion gases, in order to avoid! ' du d <v o 1 - TJ8i3iJUL 'paL' LW é 11t L 't3 L Cl 1, l, L' do 11 ', 1 j7r'! 1 'F.1 1''Li N! bind, and a condensear .. as it is in the process
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ordinary use of a steam generator and dl! ln4 condenses ar. This problem has been worked on very thoroughly, from a theoretical point of view, ot in p81, tieùliei, in the onvrace "Damft -und Gastarbinentt, of Stodola, on t roave the bases of Pr-ouesbLi2 thci'ioàyi1 + ii <¯jlie of implementation of gas turbines.
In this research, we mainly adopted two different paths. : By one of these routes, we sought to his drunk the cycle of the internal combustion engine, because a suitable gas mixture is compressed to a determined pressure, after which calories are supplied to it at constant volume, whereby the pressure and the time
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"" agree. We then tried to take advantage of
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the amount of energy thus produced in a turbine, at
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place of use of the motor a. piston. In the second turbine system to. gas, we used a ProL: é6..ê r1 constant pressure, which, in a certain sense, responds to the Diesel Process, in; uotours 1 ,. (; OlJlbl1 ;, io; 'l.
Gas and air are compressed 8 "to a certain pressure, after which calories are added, under constant pressure. Thus, the gases undergo an expansion, at increasing temperature, thanks to which a certain excess of force is produced.
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put to contribution in a tu, rbi.le. The most important advantage that e 1 'o h can achieve by substituting a tarbine for a piston engine resides in the possibility of obtaining higher powers, with relatively light and inexpensive machines.
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Likewise, the high-speed turbine is better suited to the operation of generators than the combustion engine, whose speed of rotation, for high densities, should not exceed a few hundred. rota-
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tàons per minute.
L Tatilîsrtion of piston motor requires a Qlas ioâteax generator, so that the costs of the installation increase.
As far as the rendering of such gas turbines is concerned, we have not set any requirements aassi gr3ndBs Cla.e those aa.x9.a.el1es we could meet in a piston motear, circumstance that the this can be explained by the fact that in your group of turbiae s, we can count on lower installation costs. As a result, the service charges, despite the higher fuel consumption, may
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Be smaller than with a piston 8. motor. installations 0. 'e x! tPr iwmtat i011 of turbines at. gas, which have been carried out here, have given discouraging results. ilo rrÍoilloLl '081 :: 31: l1 a 1 t to e xé c a t by úrpliquing the -Process of explosion, by Holzwartl1.
According to the
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publications relating to this trial, we have achieved a
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thermal ment arriving soon 13) 1 With another type of gas turbines, constant pressure turbines, the results were even worse. The embodiment
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the most well-known has been constructed by the Sté Anonyme des Tarbo-Motears, an embodiment on which Barbezat has published very in-depth essays, according to which we have
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achieved an efficiency of barely 3) É, on which Stodoli observed: "the turbine was hardly able to perform its own compression work !!.
The canse of the unfavorable results, in the gas turbine installations carried out, as well as in the theoretical research, resided
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mainly in the fact that a primitive turbine was initially put, with a view to using the quantities of work existing in the gas mixture81.1 .. '{after combustion.
The present invention relates to gas turbines of this type, and its object is to create a group of gas turbines with high thermal efficiency. The object of the invention is a group of gas turbines comprising one or
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several gas turbines, driving one or more comparator stars, in flow of coi> iprir * with the air of the uoinbastion, the combustion gases, or both ieluides, the thermodynamic efficiency of the whole group of turbines gas to at least 80%, and suitably 85-90%.
It emerges from the theoretical research which has been published by various authors that the temperature of the gas is of great importance for the thermal efficiency. Consequently, all those who have worked on the problem have
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allowed to train to use at once, and in one É: k # zx stage, the totality of the temperature range existing in the gas mixture, one in a part of it, in order to obtain in the system d 'aabes proper one tem- peratare lower than the starting temperature.
So often we have lost sight of the fact that in turbines not having
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q) .. 1.fane single crowns of aabages, the stresses not manifesting in the rotors and in the tubes are very ('raised, the reason being in the fact that one must cross
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tiller with high circumferential speeds.
The invention resides in oatro in donkey i; gas arbine {4ai contains one or more dl-vane systems according to the principle of the reaction, with aa minus four rotors, and a yield (lao minus 80% and suitably 85-90.
Adheres characteristic of the invention will be
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given in accordance with the accompanying drawings, in which:
Figaro 1 shows a groape of tarbines consisting of (the two parts;
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Figare 2 is a groa.pe of gas tarbines comprising plasiears gas turbines.
In FIG. 1, a radial tarbine is shown, which in itself consists of a tarbine rotor carrying ostinoes flaps to the radial element of the working fluid.
The driving fluid enters a central chamber 9,
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(1 runs through the system of anbes, in a radial direction, up to the exhaust located inside the tarbi- n3 housing, to be led by pipe 0. réûfiappenJ3 nt 5, until <, other sta- tion points .. Your turbine 1 is tempted on the same shaft with compressor 2, which produces the quantity of air necessary for the service of the unit, this air being compressed at high pressure.
Said quantity:. The air is removed from the compressor 2 by a pipe G, and led to a scaffolding device 7 in which
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the air is released, thanks to the continuous combustion effeetnant, 1.0. within this fuel arriving by the (.; ('1nçlj- i3ation tabular 8, at a temperature corresponding to that' '' onr locJpell0 log turb, ro 4 v. '; 1 TY' ur 'have 6 t constrf -dtou, taking into account the resistance of the materials to the action of heat. Pipe 11 connects the appliance to the heater.
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fement 7 to the central chamber 9 of the turb.ix.e.
In the turbine 1, a certain part of the live force contained in the gas flowing through the pipe 11 or working fluid, is consumed. A part of the
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The remaining live force is still used in the turbine 12. The exhaust pipe 5 of the turbine 1 is connected to the inlet pipe of the turbine 12.
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This turbine is 6C ,, al.erent a radial talbille, built on the principle of reaction. This turbine
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radial comprises, in accordance with the known bases, applying to double rotation radial turbines, two
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Turbine tors rotating in opposite directions, and c'n.aüW1 mounted on an shaft. A compressor 3 is placed on the shaft of the killer rotors, while a second compressor 4 is on the shaft of the other turbine rotor.
The compressor is produced according to the known bases, the air to be compressed being supplied by the inlet pipe 15, and constrained, by the action of mounted vanes.
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rs 0. iale r n t, to go through the ccrapressor, undergoing compression, in the direction of the arrows shown on the drawing. The ç.; Ompr-esseur 3 is an cocipresbear at low pressure, and is in (; ommani0stion, by a pipe 16, with the compressor 4 established as a medium pressure compressor.
The compressor 4 can be made in a similar way to that of the compressàar 3, but will be all times cons.ru.t for a higher pressure and a lower quantity of air. * The exhaust of compressor 4 is in motion, via pipe 17, with the compressor at high
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pressure 2 that was mentioned more haac. This compressor 2 can, as it is for the compressors described above, be of usual construction, but its dimensions will be modified.
All Included'8,3C'I: very can be provided with an available
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A cooling device for the compressed air, as has been shown in compressor 3, where the cooling effect is obtained by injecting water, by means of a pipe 20.
After the working fluid has passed through the turbine to
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gas 12, and left in the stew system thereof a part of the remaining live force content, it is con-
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through line 1. to a lacquered turbine 14, in this case, has the same. or approximately the same construction as the gas turbine 12.
The gas turbine 14: works as a low pressure turbine. This low pressure turbine has consequently other dimensions, due to the quantity of gas more
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This is a consequence of the expansion taking place in front of the turbine 14, in the turbines 1 and 12. the turbine 14 also works as a reaction and backpressure turbine, and drives the generators electrics 18 and 19 mounted on its shafts.
The whole group of gas turbines thus consists mainly of two parts among which the turbines 1 and 12, with the compressors 2, 3 and 4 actuated
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by these turbines, fornant the compressor group, while the turbine 14, with the electric generatears 18 and 19 - which belong to it, constitute the part of the group of gas tarbines delivering effective power.
Due to the fact that we se "pA CE 'the ass of 1'8 ni; te these xd 1 f ± e - erent parts of the group, we can adjust for different powers the gas turbines belonging to different parts. , also for loads deviating from the normal load. The ccmpreSS8! 1r unit must in particular produce, approximately n: 011.t, such a quantity of gas of pressure determined that the totality of the live force content in
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gases, after they have been heated to the maximum permissible temperature owing to the resistance of the
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eg, responds to the load of the part delivering the actual grazing.
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The group of turbines represented at, the Fio ,. 2 has equal # nt three compressors, 3, 4, and 2, also in series. The air to be compressed enters, in this case, through an intake pipe 15, and is conducted by
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uno pipe 16, from the compressor to. low pressure 3 to the medium pressure compressor 4. The medium pressure compressor 4 is in communication with the high pressure compressor 2, by means of a pipe 17.
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The definitively compressed air quantity leaves the compressor 2 through line 6, and is conducted to a recuperator or regenerator 21, in which the compressed air is heated in a manner which will be described below. .
Through the channel 22, the gas is led to the heating device 7 in which, as we have already mentioned above, it is brought, by internal combustion, to the temperature for which the turbines were built. Through line 11, the working fluid is led to a turbine 1 of the reaction type described; above, and in which the gas undergoes both a drop in temperature and an expansion, Turbine 1 is mounted on
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the same shaft as the high pressure compressor 2 which is driven by a pipe 5, the engine fluid is led from the turbine 1 to a turbine 23. The gas is first reheated in the apparatus 24.
This heating device is of the same construction as the device 7. The gas supplied by the corresponding pipe burns while consuming oxygen, in the air to be heated. The combustion in the device 7 was carried out with an excess of air large enough for the total oxygen content to be sufficient to maintain combustion.
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both in apparatus 7 and in apparatus 2, the excess air, in this embodiment, is sufficiently
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important So that 1 t oi g ene contained in the air is sufficient to parma1htre Several 'reheating of the gas, as we will later include After the working fluid has by (; 0 / 1- will the rotor 23, it is leads to the turbine 3Sa.
In line 25, which connects the exhaust of the tarbine
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; 33 at the inlet of the turbine 23a, is placed a r6-hauffag3 device 26. The turbine 23a, like the tarbine 23, is mounted on the same shaft qa 1 year generator ar 27 driven by them.
A pipe 28 connects the exhaust of the tarbine
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23a b, the admission of a turbine 29. An apparatus (the réuhùai'-: Cage 30 is also provided, in this junction pipe 28. The turbine 29 drives the compreSS6Ql 'at medium pressure 4, and these of QX devices 29 and They are mounted on the rr6me shaft :.
Haa pipe 31 c ,, flowed gas from the turbine wn 29 jaeqalb. Turbine 32. In line 31 is also disposed a rewiring apparatus 33 for gas.
The exhaust pipe 34 of the turbine 32 is in
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c.omnan3.cat ion both with the admission of a turbine 35 and washing that of another turbine 36. These two tnrb iies are thus low pressure turbines, and are connected.
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tees in parallel in the direction of 1'6c-ouleiront. rcotear fluid. This motive fluid does not undergo reheating in front of these two low pressure turbines.
The low pressure turbine 36 is mounted on the drive shaft qne the low pressure compressor 3, driven by it. The turbines 32 and 35 are mounted on the same shaft as a generator 37, which they drive.
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The exhausts of the turbines 35 and 36 are connected. a 'pipe 38, which leads the exhaust gases of these turbines, to. regenerratoo.r oa. r eczperat ur 21. The proportion of calories still remaining in the exhaust gases is, - in a manner known per se, carried out in this
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device 21 into the compressed air. The apparatus 21 may be of any embodiment, and form a recovery type air heater.
In this embodiment, too, the whole of the gas turbine groape constitutes two parts of the groove separated from each other, among which one of the partios of the groupo forms the groupa compressor, while
The other part of the group is used to generate effective power.
In this case, the group comprises several small turbines, so that the gas undergoes several successive heating. whereby a better use of the live force can be made. Also in this embodiment the different parts of the group can be operated at different powers and at different speeds, so that each part of the group delivers only the power that is necessary vis-à-vis the other party;
In accordance with the embodiments described above, all turbines have been designed to be reaction turbines.
In using turbines of this type it is not necessary to resort to such high temperatures as has been proposed for the prior embodiments; on the contrary, significantly lower temperatures can be used. Particularly when the vane systems are set up for the radial flow of motear fluid, the high efficiency of the turbines that is sought can be achieved.
Previously, turbines of the reaction type were not used, but an attempt was made to use the live force content of a determined gas mixture in turbines comprising only one ring of blades, at the same time. time that it was proposed to operate these turbines at particularly high temperatures.
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Even with temperatures as high as 1,200 abs. after combustion, and 8000 abs., as final temperature, after expansion, it is not possible to obtain, with a turbine comprising only a ring of blades, that a thermal efficiency not exceeding about 12%. This applies to a constant pressure turbine without injection.
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of water, working b. a compression pressure of 15 Eg / cm2. and an efficiency of 60%, and the latter value
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could hardly be improved with such a primitive turbine.
If, instead, a first-rate turbine is provided, with a yield exceeding 80%, and reaching 85-90 at best; %, with a low starting temperature, considerably less favorable results are obtained than those indicated above, and which will be given in more detail below.
Stodola data shows that the problem
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of the turbine, gas, previously, had not been studied starting from the point of view of the advisability of temperature rolativorfent low, and of making it high, on iiicirio time, without big drop in temperature in the first part of the turbine. On page 985 of the 5th edition of
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the work 'i Damp: rt' und Gasturb inen Il, one cites for example as data, turbines or compressors /, with an en- dement of 55, 60, 65, 70, and 75%, " not to be in any way limited He.
Whereas the fatigue, in a turbine comprising only a ring of a @ bes, at, high speed, is notably greater than the efforts in a turbine.
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- with several vane crowns, and low eirconference speed, one can, of course, use significantly higher vane temperatures = 3nt in the turbine (3 Several vane crowns.
If, however, we give as a condition, in both cases, the same security vis-à-vis
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fatigue of the material, and if the starting temperature is calculated accordingly, a starting temperature of
100-200 high plasma, in the turbine having only one abes coaronne, should be allowed in the latter, due to the difference between the starting temperature and the final temperature in the turbine.
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One impeller which is particularly suitable for low temperatures is the single radial impeller. rotation, especially in conjunction with single or double rotation radial turbines connected in series. We can
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Then, suitably, use a tarbme working at full flow, and qai will have an efficiency of aa minus 80/0. The crown of aabes close to the center can then, because of the reasons given above, be executed with; very small diameter. In such a tarbi- ne, the hot gases enter the crowns of blades placed first - on a smaller radius, after which
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they move radially towards eWériear, decreasing in pressure and in temperature.
The internal parts, which have the most e \ Jh8UJ1'ÓOtJ, .l:> o :: Jsoc1ent a low circumferential speed, thanks to which one arrives at this
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that the centrifugal forces are low. The external parts, which are subjected to significant stresses,
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are worth b, lower temperature, and consequently more easily resist irortant efforts.
A perfectly suitable part turbine aa gas service has an index (Parson's index) 1¯7 a2 plus h
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greater than 2.CGQ, and suitably situated between 2.800 and 4.000, Z a2 designating the Sor.me of the speed value, and h the drop in temperature.
With radial double-rotation system tarbines
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Ljüngstrm, very high yields have been attained lately, in part al i e poar les tllr'bj). The con-pressure (see V.D.I. of January 11, 1930). A thermodynamic efficiency of 9Q) 1 is not in a way, aa-, 'today, a utopia, but can be attained,, 3 without difficulty ,, with a turbine of one dimension dOllble,: e those mentioned above. In the more inxative atbines still one can even arrive). ' at even higher rertdersnts.
In the following, the figures calculated for two different embodiments of a constant pressure turbine will be given, and this, on the one hand, without water injection. and with a compression pressure of 15 kg / cm2. and on the other hand, with water injection and a pressure of 30 kg / cm 2 behind the compressor. The temperature of the gases before the expansion is, in both cases, 800% abs. temperature
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can be admitted without dii '± 1 altered with modern building materials. The power indicated is valid for a quantity of air of 1 kg. molecule (29 kg,) per second).
The
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Table 1 shows,. both the power that could be achieved with a gas turbine installation of this kind, without water injection, and the thermal efficiency.
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<tb> ¯ <SEP> Table. <SEP> I.
<tb>
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Türb ine efficiency% a0 50 60 70 80 90 Effective power kw -3300 -2000 -700 +600 +2000 +3300 'Efficiency thetmiqae 7b - - - 4, 12 20
It emerges from this table that for an efficiency of the turbine of less than 80% such an installation is quite
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unfavorable, and that it is not C} .D. 'to z z6, as efficiency of the t ar bine, that the installation, can be used é úonorniÇL1.'1.e ment, The corresponding gas turbine, not having C} .1.'1.'o.UG crown dTau7ages only, and working at a temperature of 1000 abs. only gives 6% thermal efficiency and 1300 kW.
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very
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Vrisernblatler.:t, om will gas pL'o - .: h: .1ir.l.sr ,:
snt employed. ' a temperature of 10,000 abs., which has already been used in the chemical industry At this temperature, and at 80 or 90% efficiency for the turbine, the power reaches 4700 or
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6400 kW, and thermal efficiency 21.5 or 29. If a regenerator is used, the render # nt is natc.reller.J3nt higher than riL. 0 re.
Oven a gas turbine installation with water injection, the corresponding figures are obtained in table, II.
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<tb>
Board. <SEP> II.
<tb>
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Efficiency of the tnrbine po 40 50 60 70 80 90 Effective power M 40 R400 5000 7500 10200 12800: {6ndc lII3nt thermiqac; 6 v 4 = 9 le 18 zz It emerges from this table that the efficiency of the tarbine,
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below 80/0, is pea economical. It is only when the output of the turbine exceeds 8 <S% that the thermal efficiency as well as an effective power is sufficiently high to render such an installation likely
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concaeceu "'8, in determined bats, for example for gr OI1JeS co uvant charge peaks.
If, in fact, we examine the installation and establishment costs of such an achievement, we see that they are significantly more reduced
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than those of an installation for the supply of adequate, steam-driven force. Q, n was only 1mstation d3, ¯ + "., / G; # ¯" # .iY. gas turbines are more advantageous when they work with shorter uptime.
In the embodiments described herein, the gas turbine group consists of group portions separate from each other, one of the group parts being exclusively intended to provide effective power, and the den
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exclusively intended for use in operating compressors.
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Naturally, the part of the group which must mainly
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to deliver effective power may also include compressors, as well as the party of the group (it must primarily operate compressors may also include generators for the delivery of effective power, but
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the embodiments described above may be considered the most advantageous, particularly in cases where the groups work with varying strength requirements.
In groups of gas turbines where the need for force must be met at constant rotational speed of the turbines belonging to the part of the group, of the form of reaction.
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lisation described above, the power of. ùompressear group can be changed by varying the speed of rotation of the turbines 1: 1 to. gas supply nudit c; r 0 L1T'E1 Ù om-pro f: 1: 10LH '.
We have explained earlier why the gas turbines of the 8 ;;: systems hitherto known could not be economical.
It is only with the help of the proposed turbine, of high economic efficiency, since its own efficiency decreases.
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-pass 8 #)% 1 gafil has become possible to put gas turbines in competition with steam power plants, and this in the first place,). For power stations with shorter operating times, but also for other battles when, in the future, sufficiently resistant materials have been established for the construction of gas springs.