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Dispositif de commande et de contrôle pour turbines et autres appareils à vitesse réglable
L'invention concerne un dispositif servant à commander et à contrôler le fonctionnement d'un appareil dont la vitesse doit être réglée, tel que, par exemple, les turbi- nes à fluide élastique et en particulier dans le cas ou une turbine commande une pompe, un ventilateur ou une machine similaire et où on désire maintenir la vitesse de la turbine en accord avec la valeur ou le rapport des valeurs de fac- teurs variables dans le fonctionnement de l'installation.
Pour faire comprendre clairement l'agencement et Le fonctionnement de l'invention, on a considéré qu'il convenait de la représenter et de la décrire en combi- naison avec une installation de production et d'utilisa- tion de puissance comprenant d'une manière générale un générateur de vapeur, un appareil consommateur de vapeur et divers appareils auxiliaires servant à alimenter le
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générateur de vapeur en Liquide et en éléments de com- Malien,
Le générateur de vapeur spécial de L'exemple en question est du type sans corps cylindrique, à circula- tion forcée, comportant un trajet de circulation du flui- de formé par un ou plusieurs tubes de grande Longueur et de petit diamètre, dans Lequel.
la circulation suivant Le trajet parcouru est provoquée par L'introduction du Liquide sous pression par l'une des extrémités et par la sortie de la vapeur seule par L'autre, ce type étant caractérisé par L'introduction d'une quantité de Liquide normalement plus grande que celle de la vapeur qui sort, et La différence entre ces quantités étant prélevée dans Le trajet précité entre ses extrémités.
M'invention, quoique représentée et décrite spécia- lement en combinaison avec le type de générateur précité sans corps cylindrique et à circulation forcée, ne doit être considérée en aucune manière comme Limitée dans non application à ce type de générateurs de vapeur, ou en fait à des générateurs de vapeur considérés en tant que classe d'appareils. Elle peut s'appliquer également bien à toute installation dans laquelle on utilise La pais sanoe d'une machine à marche régLée à titre de fonction pour réaliser Le contrôle de Ladite machine.
Un des principaux objets de L'invention consiste dans un contrôle sensible à L'action et fonctionnant soue L'action de La puissance d'une machine à marche réglée et destiné à régler La vitesse de la dite machine,
Un autre objet de l'invention consiste dans un contrôle d'une machine à marche réglée, sensible à l'ac- tion de la puissance de Ladite machine ainsi qu'à celle d'autres facteurs variables dans le fonctionnement de cette machine ou d'une autre installation,
L'invention a encore pour objet Le contrôle du fonc-
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tionnement dian générateur de vapeur sans corps oylin drique à circulation forcée opéré de façon à réaliser d'une manière satisfaisante et très rapidement des variation. d'une amplitude considérable dans le taux de dégagement de chaleur en réglant dune manière appropriée
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le débit du courant d'entr6e du liquide et Le débit des éléments de combustion.
Oonformêment à L'invention, dans une installation
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serrant à faire fonctionner et à contrsier Le fonctionne- ment dtun appareil dont la. vitesse est r4gLée, comprenant un appareil consommateur de vapeur, par exemple une
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turbine à fluide élastique et txne pompe à fluide comman- dée par la dite turbine, on a prévu L#8gencement àsnn mécanisme régulateur de vitesse pour la turbine, un
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dispositif réglable pour produire une variation d1ffé rentielle de pression dans le fluide pompé et un disposi- tif fonctionnant sous l'action des variations différen- tielles de pression et ayant pour effet de régler le mécanisme régulateur.
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L*installation faisant l'objet de l'invention com- porte encore d'autres particularités qui seront toutes décrites en détail ci-après.
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L*invention est représentée sur le dessin ci-annexé sur lequel: la figure 1 représente sematiquerent un générateur de vapeur sans corps cylindrique à circulation forcée. combiné avec Itapp4reil nécessaire au contrôle de son fonotionnement. ledit appareil étant représenté d'une manière partiellement schématique.- la figure 2 représente un second exemple de réali- sation de l'invention; la figure 3 représente un troisième exemple de réa- lisation de l'invention; la figure 4 est une coupe verticale d'une soupape
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pilote; la figure 5 est une coupe verticale d'un relais pneumatique; la figure 6 est semblât Le à la figure 5, mais com- porte certaines particularités supplémentaires de construction;.
Sur Les diveiaesfigures, les mêmes pièces portent Les marnes numéros de référence.
Le générateur de vapeur sans corps cylindrique à circulation forade, en combinaison avec lequel L'invention doit être décrite est représente schématiquement sur la figure 1 de façon à indiquer la circulation des gaz, La circulation du fluide moteur et la surface d'absorption de la chaleur. Le trajet de circulation du fluide moteur est formé de tubes de grande longueur et de petit diamètre Intérieur montée ensemble dans des collecteurs appropriée.
Le générateur comporte un économiseur 202 placé à l'ex- trémité froide du passage des Ses et qui est alimenta en liquide par une pompe reliée au réservoir d'eau. chaude ou à nne autre source (non figurée),
En sortant de l'économiseur 202, le Liqnide arrive à un on plusieurs tuyaux de circulation du fluide cons- tituant la section de production de vapeur 302 de l'en- semble, qui comporte les portions situées au plancher,, contre les parois et écran et contre la voûte du foyer.
Les circuits de circulation qui comportent la surface de production de la vapeur pénètrent dans une partie élargie du trajet de circulation du fluide qui a la forme d'une chambre de séparation 232 servant à parta- ger le fluide en liquide et en vapeur, la vapeur arrivant à un surohauffeur 242 et l'excès de liquide étant ex- trait du trajet de circulation du fluide par un tuyau 1 pour arriver dans le réservoir d'eau chaude ou à la décharge. Une évacuation continue normale s'effectue par
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un étranglement a, tandis qatune évacuation variable se fait par L'intermédiaire d'une soupape régulatrice 3.
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La source de chaleur oomporte un bxfileur à huile 4 alimenté par un tuyau 5 et une vhambre air 6 alimentée par une conduite 7, Tour réaliser l'inflammation initia- le du dispositif brfileur à huile, on a prévu un dispoai. tif brtleur à gaz 8 alimenté par un tuyau 9 par un oou rant de gaz contrSId par une soupape 10 actionnée par un électro-aimant,
Le trajet de circulation du fluide a été représenté sous forme du tube unique en serpentin, dont la section de L'économiseur 202 est alimentée en liquide sons pres-
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sion par un tuyau il venant d'une pompe R89, qui quoique représentée sons forme purement schématique peut être d'un type quelconque approprié.
En sortant de la section de l'économiseur. Le fluide arrive dans la section de production de vapeur et la traverse,, puis se décharge
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dans Le séparateur 833 sortant du séparateur. la vapeur arrive dans 1e surahauetr 848 et le traverse en Le quittant par le tuyau 244 pour arriver à une turbine
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principale la, prise comme exemple d'un appareil aansom mateur de vapeur, Les produits de la combustion passent successivement à travers la section de production de la
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vapeur, le eurahauff.r et l'économiseur et peuvent venir en contact avec une partie ou la totalité du sé-
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parateur.
Une turbine auxiliaire 88fui commande la pompe d*aLi- mentation en liquide a890 un ventilateur ZSS, et une pompe d'alimentation en combustible 490, Quoique ces appareil. aient été représentés lohématiquement et comme s'ils étaient montés de façon à !être commandés par le
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même arbre et à la même vitesse, il doit être bien entene du que les engrenages de réduction nécessaires eu Les
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liaisons de commande entre les divers appareils sep
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connus et seraient établis d*une manière appropriée en ce qui concerne leur vitesse, puissance etc,, relatives et que l'on s'est seulement proposé d'indiquer que la
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turbine auxiLiaire â87 commande les appareils 89, ases et a90 simultanément et en oonoordanoe.
Le débit de L'alimentation en huile combustible du
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braleur 4 est contrôlé d'abord par la vitesse de La pompe à huile 890, mais l'alimentation en huile est encore rdglêe par l'étranglement d'une soupape régulatriae 13 placée dans Le tuyau 5, et Le débit du. courant d'huile est mesuré d'une manière oontinne par un compteur l4.
Le débit de l'alimentation en air servant à entre- tenir la combustion est déterminé d'abord par la vitesse
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dn ventilateur tSS, mais est en outre sous le contrôle dtun registre 15 placé dans La conduite 7 à L'orifice cltentrée du ventilateur, Le débit du courant d'air eue mesuré d'une manière continue par un compteur de débit 16.
Le débit de l'alimentation en Liquide sous pression
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par le tuyau Il est contrglé dtabord par la vitesse de La pompe 889 mais est influencé en outre, par La position
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prise par 'une soupape régulatrice 18 placée dans une dérivation contournant la pompe,
Lorsqu'un générateur de vapeur de ce type fonctionne certains facteurs variables sont mesurés, relevés et uti- lisés pour servir de base au contrôle automatique de L'alimentation en Liquide du dit générateur et de L'aLi- mentation du foyer de chauffage en éléments de combustion.
19 désigne un tube de Bourdon destiné à faire con- naître la valeur instantanée du débit du courant de sortie de la vapeur et à faire prendre une position con- Tenable à une soupape pilote 20 pour le contrôle de la soupape de dérivation 18 et à. un dispositif de commande pneumatique 21 pour faire prendre une position conable
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au registre 15.
22 désigne un tube de Bourdon constituant un élément d'une installation sensible à L'action de la température et destinée à faire connaître La valeur instantanée de la température du courant de sortie de la vapeur et à faire prendre une position convenable à une soupape pi- lote 23 pour le contrôle du registre 24 régulateur de la surchauffe.
A titre d'indicateur de La puissance ou de la charge du générateur de vapeur, on a prévu un compteur de débit 25 pour faire connaître La valeur instantanée du débit du courant de vapeur sortant du surchauffeur 242 et pour faire prendre une position convenable à un pilote a6 de façon à établir nne pression de charge pneumatique dans le relais 27 par l'intermédiaire du tuyau 28.
29 désigne un dispositif fonctionnant sous l'action de la hauteur du niveau du liquide dans le séparateur 232 et constituant une botte sous pression qui renferme un tube en U à moeure réuni en haut et en bas au sépara- teur, Un flotteur est disposé de façon à monter et à descendre avec la surface du meroure dans L'une des branches du tube et amène ainsi dans une position conve- nable un dispositif faisant connaître la hauteur instan- tanée du niveau du Liquide dans le séparateur: il amène simultanément dans une position convenable une soupape pilote 30 pour établir dans le relais 27 une pression de charge pneumatique qui représente la hauteur du niveau du liquide et pour le contrôle de la soupape 3.
Le compteur de débit désigné d'une manière générale par 14 et fournissant une mesure du débit de ltalimenta- tion du foyer en combustible est un appareil fonctionnant sous l'action d'une pression différentielle et disposé de façon à rétablir Les écarta à partir de la proportion- @
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nalité linéaire entre la pression différentielle et le débit, afin que Les déplacements angulaires de son aiguille par rapport à un index soient directement pro- portionnels par quantités différentielles aux variations différentielles du débit. Le contour des pièces entrant dans la construction de L'intérieur du compteur de débit 14 est représenté en pointillé, ce compteur comporte une cloche à.
joint liquide dont Les parois sont en une ma- tière d'épaisseur et de forme appropriées.
Les oompteurs de débit 16 et 25 sont semblables au compteur de débit 14 au point de vue de leur construction et de leur fonctionnement,
De préférence, on aontrSLe d'abord l'alimentation du trajet de circulation du. fluide en liquide et du foyer en éléments de combustion, en faisant varier la vitesse de la turbine auxiliaire @87. et en utilisant comme basa de ce contrôle le débit du courant d'entrée du li- quide, le débit 'du courent de sortie de la vapeur et la hauteur du niveau du liquide dans le séparateur.
Oepen- dant pour tenir compte des différences qui peuvent exis- ter dans les caractéristiques des pompes et du ventila- teur, ainsi que des variations dans les conditions de marche, on a prévu des dispositifs de second réglage pour compléter le contrôle primaire du débit des éléments de combustion.
Pour l'air. ce dispositif de second réglage consiste dans le registre 15 placé à l'orifice d'entrée du ventilateur 288 et amené dans une position convenable par le dispositif de commande pneumatique 21, Pour le combustible. le dispositif de second réglage consiste dans La soupape régulatrice 13 située dans le tuyau 5 et amenée dans une position convenable sons Inaction de@ écarts se produisant à partir de la proportion que l'on désire .:entre le débit mesuré du courant de combustible et Le débit mesuré du. courant d'air.
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On règle la vitesse de la turbine auxiliaire en faisant varier l'ouverture des soupapes 31 d'admission de vapeur destinées à alimenter en vapeur la turbine 287.
Cette vapeur peut !être de la vapeur d'échappement ou de soutirage provenant de la turbine la ou de la vapeur à haute pression proyenant directement du générateur de vapeur ou de la vapeur provenant d'une source ou d'une combinaison de sources quelconque, Un dispositif de commande pneumatique 40 amène les soupapes 31 dans une position convenable sous L'infLuenoe dune pression de charge pneumatique établie par un relaie régulateur 41 représenté en détail sur La figure 6,, pour régler Le débit du courant dtentrée du liquide (en faisant varier la vitesse de La pompe à eau), on opère Le réglage de préférence, sous l'action du débit du courant d'entrée du liquide,
du débit du courant de sortie de la vapeur et de la hauteur du niveau du liqui- de dans le séparateur.
Ainsi qu'il a été dit ci-dessus. le compteur de débit 5 fonctionne sous Laotien du débit du courant de sortie de la vapeur et est destiné à amener dans une position convenable dans le sens vertical La tige d'un pilote 26 susceptible d'être alimenté par de L'air comprimé, ainsi que L'indique La petite flèche sur la figure.
L'air comprimé arrive à l'intérieur de la boîte 26 entre Les guides pilotes 44, qui sont séparés sur la tige par un intervalle tel qu'ils se trouvent en coinci- dance avec Les orifioes annulaires étroits 45. Lorsque la tige pilote se déplace suivant son axe dans la boîte, de façon que les guides 44 ce déplacent par rapport aux orifices 45, une pression de charge définie s'établit dans les orifices annulaires, se trouvant dans un rapport
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connu, avec l'amplitude de ce mouvement.
Par exemple, si la tige pilote monte, il existe à l'orifice de sortie supérieur du côté gauche de la botte 26 une pression de charge qui augmente dans un rapport défini avec l'ampli- tude du. dit mouvement, tandis que si la tige pilote descende il existe à 1'orifice de sortie inférieur du coté gauche une pression qui augmente d'une manière définie avec l'amplitude du mouvement,,
Sur le dessin, les tuyaux ou capillaires servant à la transmission de ces pressions de oharge pneumatique sont représentes partout en pointillé pour les distinguer dea connexions électriques ou autres tuyaux ou conduites, Sur la figure 1, 28 désigne un de ces tuyaux servant à. transmettre une pression de charge pneumatique au dispos sitif de relais différentiel 27,
pression qui se trouve dans un rapport connu avec le débit du courant de sortie de la vapeur. Ce relais différentiel est représenté en détail sur la figure 5. D'une manière semblable, l'indi- cateur de niveau d'eau 29 amène dans une position con- venable dans le sens vertical la tige d'un pilote 30 pour établir dans le relais 27 une pression de charge pneuma... tique représentant la hauteur du niveau d'eau.
Si l'on se reporte à la figure 5, on voit que le tayau 28 aboutit à une chambre 50 séparée par un diaphrag- me ou une cloison mobile 52 d'une chambre 51 ouverte à l'air libre. Le diaphragme 52 et le ressort de charge 53 sont fixés tous deux sur une tige 54 à laquelle est également fixé un diaphragme 55, séparant les chambres 56, 57, Le tuyau 46 aboutit à la chambre 56, L'air com- primé peut arriver par le tuyau 58 dans la chambre 57 sous le contrôle d'une soupape 59, L'échappement de la chambre 57 dans l'atmosphère est contrôlé par une soupape 60, La tige 54 est destinée à faire prendre une position
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convenable à un dispositif de commande 61 des soupapes,
soit pour admettre de l'air comprima par la soupape 59 et augmenter ainsi la pression dans la chambre 57,, soit pour faire échapper de l'air dans L'atmosphère par la. soupape 60 et diminuer ainsi la pression dans la chambre 57. La pression dans la chambre 57 est transmise par un tuyau. 62 à un dispositif de commande à diaphragme ohargé par un ressort destiné à. amener dans une position aonve- nable une soupape L7 montre dans la conduite daspiration de la pompe à eau.
On remarquera que Les variations de la pression de charge qui sont transmises par le tuyau 28 ou celles qui sont transmises par le tuyau 46 agissent de façon à. fai- re varier la pression de l'air dans la chambre 57 et par conséquent à amener la soupape 17 dans une position oonvenabLe.
La soupape 17 agit comme un orifice variable au passage duquel se produit une variation différentielle de la pression se trouvant dans un rapport connu avec le débit du Liquide passant par la soupape 17. Les pressions existant sur Les faces opposées de la soupape se trans- mettent par les tuyaux 63, 64 respectivement dans les chambres 65, 66 du relais régulateur 41,
Si L'on se reporte à la figure 6, on voit que le relais régulateur 41 est semblable jusque un certain point au relais 27, mais comporte en plus une dérivation d'échappement à fonctionnement réglable 67 entre Les chambres 56' et 57'.
Une pression de charge s'établissant dans la chambre 57' agit par L'intermédiaire d'un tuyau 68 sur un dispositifde commande pneumatique 40 pour faire prendre une position convenable à la soupape d'admission de vapeur 31. Dans ce cas. le rôle de La déri- vation d'échappement 67 à fonctionnement réglable est de
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compléter le aqntrôle primaire de la pression agp6an%
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sur le dispositif de commande 40, par un contre Le secon. daire de La même amplitude ou d'une amplitude différen.. te, consistant par exemple dans une aotion successive on supplémentaire.
empêchant un mouvement excessif et dtosoillation et par laquelle la position prise par Le dispositif de commande 40 ne dépend pas nécessairement et directement de la position prise par La soupape 17.
En général, la position prise par la soupape 17 est déterminée par le débit du. courant de sortie de la vapeur et par la hauteur du. niveau du. liquide dans le séparateur et cette soupape constitue un orifice variable dans La conduite d'aspiration de la pompe à eau, L'appareil 41 qui reçoit la pression différentielle au. passage de la soupape 17 amène dans une position convenable le dispo- sitif de commande 40 et les soupapes 31 de la turbine pour contrôler la vitesse de la pompe à. eau, de façon que la pression différentielle au. passage de la soupape 17 soit maintenue constante, quel que soit le degré d'ou- verture de la soupape 17, et L'arrivée du liquide dans la pompe à. eau est ainsi contrôlée proportionnelleuent à la fois au:;
débit du courant de sortie de la vapeur et à la hauteur du niveau, du liquide .=dans le séparateur,
Si le débit du. courant de sortie de la vapeur augmen- te, le pilote a6, monte proportionnellement., augmentant ainsi proportionnellement la pression de charge transmise par Le tuyau.
28, provoquant un mouvement de descente de la tige 54 et une ouverture correspondante de la sonpape 59, pour admettre une quantité supplémentaire d'air comprimé dans la chambre 57 et augmentant ainsi La pres- sion de charge pneumatique agissant par le tuyau 68 sur la soupape 17, et augmenter le degré d'ouverture de la soupape pour faire arriver une quantité d'eau. plus forte à la pompe à eau proportionnellement à l'augmentation du débit du courant de vapeur sortant du générateur de vapeur.,
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Si le niveau du Liquide dans le séparateur 232 tend à baisser le pilote 30 monte, augmentant ainsi La pression de charge dans La chambre 56 et ouvrant davanta- ge de la même manière la soupape 17 pour augmenter Le débit du liquide entrant dans le générateur de vapeur.
On remarquera que la soupape L7 agit sous forme d'orifice variable dont la position est déterminée par le débit du courant de vapeur sortant du générateur de vapeur et par la hauteur du niveau du Liquide dans le séparateur, tandis que la vitesse de La pompe à eau est déterminée non seulement par ces deux facteurs variables mais encore par le débit de L'eau arrivant à la pompe et la traver- sant. Le dispositif de commande 40 fait varier la vites- se de la turbine auxiliaire de façon à. faire varier Le débit de l'eau passant par la soupape 17, pour maintenir constante la chute de pression au passage de La soupape 17. Cela veut dire évidemment que le débit d'eau est constant pour chaque position de la soupape régulatrice de contrôle.
On voit d'après cela que la vitesse du groupe auxiliaire est réglée de façon à maintenir un dé- bit d'eau défini en accord avec la demande indiquée par le débit de vapeur et par la hauteur du niveau de l'eau.
La figure a représente un autre exemple de réali- sation de L'invention. Une turbine 69 est alimentée en vapeur par un tuyau 70 sous le contrôle d*une soupape 71 actionnée par un diaphragme. La turbine est destinée à commander une pompe à liquide 72 débitant du Liquide dans un tuyau 73 dans lequel est montée une soupape d'é- tranglement 74 manoeuvrée à la main. La soupape d'étran- glement 74 doit être amenée dans la position que 1 on désire à la main soit sur place, soit à distance pour contrôler la quantité de liquide passant par Le tuyau 73.
L'ensemble général oonstitue un contrôle de la vitesse de
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la turbine 69 en concordance et sotie faction du d1f1t
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de Liquide passant dans Le tuyau 73 et dans La soupape 74.
Un relais régulateur 75 semblable au relais 41 est relié au. tuyau 73 de part et d'autre de la soupape 74 par les tuyaux 76, 77 de façon à. être soumis à L'action de la pression différentielle existant au. passage de la soupape 74. La soupape 74 joue le rôle d'un orifice va- riable et le relais 75 constitue en effet un compteur de la variation différentielle de pression au passage de l'orifice variable. Une pression de charge pneumatique est établie par Le relais 75 dans le tuyau. 78, cette pres- sion agissant sur la soupape 71 pour l'amener dans une position convenable.
Lorsqu'on ouvre on ferme la soupape 74 pour l'amener dans une nouvelle position,, la section de passage du. fluide dans cette soupape varie en conséquence, ainsi que la pression différentielle qui agit par les tuyaux 76, 77 sur le relais différentiel régulateur 75. Ce relais est réglé pour une certaine pression différentielle et Lors- que la pression différentielle existante varie dans un sens ou L'autre à partir d'une valeur déterminée. la pression de charge pneumatique, qui agit par le tuyau 78 sur la soupape 71 varie, provoquant un changement dans la position d'étranglement de la soupape 71 et par con- qéquent, un changement dans Le débit de l'alimentation en vapeur de la. turbine 69.
La vitesse de la turbine 69 et de La pompe 72 varient donc dans Le sens et de la quanti- té que 1'on désire jusque ce que le courant de Liquide passant par la soupape 74, dans sa nouvelle position d'ouverture ait fait naître une variation différentielle de la pression du tuyau. 76 au. tuyau 77, et égale ou pro- portionneLLe à La variation différentielle de pression qui existait de l'un de ces tuyaux à L'autre, lorsque la
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soupape 74 occupait sa position d'ouverture antérieure, Le contrôle de la vitesse de la turbine 69 est donc d'ac- cord avec la puissance de la pompe 'la et de la turbine 69.
Il doit être bien entendu que dans oe dispositif de oon- trôle, tous les facteurs variables, tels que les carac- téristiques d'écoulement de la soupape fil,, des tuyères d'admission, etc. de la turbine 69, les variations de température, pression, étende la vapeur admise par le tuyau 70, etc,* ainsi que les caractéristiques de la tur- bine et de la pompe n'interviennent pas et que le résul- tat finalement obtenu est un débit par le tuyau 73 oor- respondant d'une manière définie à la position occupée par la tige de la soupape 74.
Cette tige de soupape peut 'être oalibrée avec précision en fonotion du débit de Il eau par rapport au trajet de la tige de soupape et cette relation reste exacte quelle que soit la valeur de l'un quelconque des facteurs variables précités on d'autres qui pourraient influencer d'une autre manière la marche de la turbine et de la pompe.
La figure 3 représente encore un autre exemple de réalisation de l'invention, dans lequel un ventilateur 79 est commande par une turbine à vapeur 80 sous le contrôle d'un mécanisme 84 à commande pneumatique, L'air sortant du ventilateur 79 passe à travers un tuyau ou conduite 82 pour arriver à un foyer 83 et y fournir l'air servant à entretenir la combustion d'un combustible tel que de l'huile combustible amende par un tuyau 84 à un brûleur 85, Le dispositif établit la proportion convenable entre l'air et le combustible soit directement, soit par échelons anivant ce qu'on désire,
Dans le tuyau d'alimentation en huile 84 est placé un orifice on autre étranglement 86 produisant une varia- tion différentielle.
Un compteur de débit 87 est monté
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de façon à être sensible à la variation diff4ren';elle
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de pression au passage de l'orifice 86 et est d'un type semblable à celui du compteur de débit 14 dont il a été question antérieurement. Le compteur de débit 87 est destiné à faire prendre une position convenable à un pi- lote 88 pour établir une pression de charge pneumatique dans le dispositif de commande pneumatique 89 servant à faire prendre une position convenable au. registre 90, Le registre ou clapet 90 est monté dans la conduite sa* de façon à former un orifice variable servant à mesurer le débit du courant d'air refoulé dans le foyer.
La chute de pression au passage du registre 90 est transmise par les tuyaux 91, 92 à un relais régulateur 93, du type re- présenté sur la figure 6, Ce relais régulateur établit une pression de charge agissant sur le dispositif de commande pneumatique 81 servant à contrôler la vitesse de la turbine 80.
En général, le contrôle de l'alimentation en huile combustible par le tuyau 84 peut se faire à la main ou sous Inaction d'un facteur variable quelconque dans le fonctionnement du foyer ou de tout autre procédé.,
Le débit est mesuré par le compteur 87 qui établit une pression de charge servant à faire prendre une posi- tion convenable au dispositif de commande 89 et au regis- tre 90 (orifice variable),, Cette variation différentielle de pression au passage du registre 90 établit une pres- sion de charge servant au contrôle des soupapes d'admis- sion de la vapeur de la turbine 80,
de façon à faire varier la vitesse de la turbine et du ventilateur 79 dans le sens et de La quantité convenable pour maintenir constante la variation différentielle de pression qui agit sur le relais 93, Par conséquent, il existe pour chaque valeur du débit d'huile combustible une position définie du registre 90 et la vitesse de la turbine 80
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sera atltomatiqlrtenent oontr$Lee de façon à maintenir
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constante la variation différentielle de pression au passage du registre 90,et par suite à faire varier et à régler le débit d'air vers le foyer dans la proportion que lion désire par rapport au débit d'huile combustible.
Les gtxidea du pilote 88 peuvent reoevoir une forme telle que le débit d'air soit directement proportionnel. au débit d'huile combustible pour toutes les allures de fonctionnement, ou qutil puisse augmenter avec le débit de l'alimentation en huile combustible ou qu'il puisse diminuer avec ce débit ou qu'il ait la valeur que 1?on désire.
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Command and control device for turbines and other devices with adjustable speed
The invention relates to a device for controlling and controlling the operation of an apparatus the speed of which is to be regulated, such as, for example, elastic fluid turbines and in particular in the case where a turbine controls a pump. , a fan or a similar machine and where it is desired to maintain the speed of the turbine in accordance with the value or the ratio of the values of variable factors in the operation of the installation.
In order to make the arrangement and operation of the invention clearly understood, it has been considered that it should be represented and described in combination with an installation for the production and use of power comprising of a generally a steam generator, a steam consuming device and various auxiliary devices used to supply the
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Steam generator in Liquid and Malian components,
The special steam generator of the example in question is of the type without cylindrical body, with forced circulation, having a flow path for the fluid formed by one or more tubes of great length and of small diameter, in which.
the following circulation The path traveled is caused by the introduction of the liquid under pressure by one of the ends and by the exit of the vapor only by the other, this type being characterized by the introduction of a quantity of liquid normally greater than that of the steam coming out, and the difference between these quantities being taken in the aforementioned path between its ends.
The invention, although shown and described especially in combination with the aforementioned type of generator without cylindrical body and with forced circulation, should not be considered in any way as limited in its application to this type of steam generator, or in fact. to steam generators considered as a class of apparatus. It can also be applied well to any installation in which the thickness of a machine running regulated as a function is used for carrying out the control of said machine.
One of the main objects of the invention consists in a control sensitive to the action and operating on the action of the power of a regulated machine and intended to regulate the speed of said machine,
Another object of the invention consists in the control of a controlled machine, sensitive to the action of the power of said machine as well as to that of other variable factors in the operation of this machine or of other factors. 'another installation,
Another subject of the invention is the control of the
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Operation dian steam generator without oylin drique body with forced circulation operated so as to achieve in a satisfactory manner and very quickly variations. of a considerable amplitude in the rate of heat release by appropriately adjusting
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the flow rate of the liquid inlet stream and the flow rate of the combustion elements.
In accordance with the invention, in an installation
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tightening to operate and check The operation of a device whose. speed is regulated, comprising a device consuming steam, for example a
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elastic fluid turbine and a fluid pump controlled by said turbine, provision has been made for the arrangement of a speed regulating mechanism for the turbine, a
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adjustable device for producing a differential pressure variation in the pumped fluid and a device operating under the action of differential pressure variations and having the effect of adjusting the regulating mechanism.
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The installation forming the subject of the invention also comprises other features which will all be described in detail below.
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The invention is shown in the accompanying drawing in which: FIG. 1 shows a semi-automatic steam generator without a cylindrical body with forced circulation. combined with Itapp4reil necessary to control its functioning. said apparatus being shown in a partially schematic manner; FIG. 2 shows a second exemplary embodiment of the invention; FIG. 3 represents a third exemplary embodiment of the invention; Figure 4 is a vertical section of a valve
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pilot; Figure 5 is a vertical section of a pneumatic relay; Figure 6 is similar to Figure 5, but includes certain additional construction features ;.
On Les diveiaesfigures, the same coins bear Les marnes reference numbers.
The steam generator without cylindrical body with forade circulation, in combination with which the invention is to be described is shown schematically in Figure 1 so as to indicate the circulation of gases, the circulation of the driving fluid and the absorption surface of the gas. heat. The circulation path of the working fluid is formed of tubes of great length and of small interior diameter mounted together in suitable manifolds.
The generator comprises an economizer 202 placed at the cold end of the Ses passage and which is supplied with liquid by a pump connected to the water tank. hot or from another source (not shown),
Leaving the economizer 202, the Liqnide arrives at one or more fluid circulation pipes constituting the steam production section 302 of the assembly, which comprises the portions located on the floor, against the walls and screen and against the vault of the fireplace.
The circulation circuits which include the steam producing surface enter an enlarged portion of the fluid circulation path which is in the form of a separation chamber 232 for dividing the fluid into liquid and vapor, the vapor. arriving at a superheater 242 and the excess liquid being withdrawn from the path of circulation of the fluid by a pipe 1 to arrive in the hot water tank or at the discharge. Normal continuous evacuation is performed by
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a throttling a, while a variable discharge is effected through a regulating valve 3.
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The heat source includes an oil spinner 4 supplied by a pipe 5 and an air chamber 6 supplied by a pipe 7. In order to carry out the initial ignition of the oil burner device, provision has been made for a device. tif gas burner 8 supplied by a pipe 9 by a gas flow contrSId by a valve 10 actuated by an electromagnet,
The fluid flow path has been shown as the single serpentine tube, the section of economizer 202 of which is supplied with liquid under pressure.
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sion by a pipe coming from a pump R89, which although shown in purely schematic form may be of any suitable type.
Coming out of the economizer section. The fluid arrives in the steam production section and passes through it, then discharges
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in the separator 833 coming out of the separator. the steam arrives in 1e surahauetr 848 and crosses it leaving it by the pipe 244 to arrive at a turbine
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main la, taken as an example of an apparatus for suppressing steam, The products of combustion pass successively through the production section of the
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steam, the heater and the economizer and may come into contact with part or all of the
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parator.
An auxiliary turbine 88 which drives the liquid feed pump a890, a ZSS blower, and a fuel feed pump 490. have been represented lohematically and as if they were mounted so as to be controlled by the
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same shaft and at the same speed, it must be understood that the necessary reduction gears
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control links between the various devices sep
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known and would be established in an appropriate manner with regard to their relative speed, power, etc., and that it was only proposed to indicate that the
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auxiliary turbine â87 controls the devices 89, ases and a90 simultaneously and in oonoordanoe.
The flow rate of the fuel oil supply to the
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Burner 4 is controlled first by the speed of the oil pump 890, but the oil supply is further regulated by the throttling of a regulating valve 13 placed in the pipe 5, and the flow of the. Oil flow is measured continuously by a counter 14.
The flow rate of the air supply for sustaining combustion is first determined by the speed
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The fan tSS, but is further controlled by a damper 15 placed in the duct 7 at the inlet of the fan. The flow rate of the air stream has been continuously measured by a flow meter 16.
The flow rate of the pressurized liquid supply
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by the hose It is first controlled by the speed of the pump 889 but is also influenced by the position
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taken by a regulating valve 18 placed in a bypass bypassing the pump,
When a steam generator of this type is in operation certain variable factors are measured, recorded and used as a basis for the automatic control of the liquid supply to said generator and of the heating furnace supply of elements. combustion.
19 denotes a Bourdon tube intended to make known the instantaneous value of the flow rate of the output stream of steam and to make a pilot valve 20 take a position for the control of the bypass valve 18 and to. a pneumatic control device 21 for taking a conable position
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in register 15.
22 designates a Bourdon tube constituting an element of an installation sensitive to the action of temperature and intended to make known the instantaneous value of the temperature of the steam outlet current and to make a valve take a suitable position. - lot 23 for checking the overheating regulator register 24.
As an indicator of the power or the load of the steam generator, a flow meter 25 has been provided to indicate the instantaneous value of the flow rate of the steam stream leaving the superheater 242 and to make a suitable position for a pilot a6 so as to establish a pneumatic charge pressure in the relay 27 through the pipe 28.
29 designates a device operating under the action of the height of the level of the liquid in the separator 232 and constituting a pressure boot which contains a U-shaped tube joined at the top and bottom to the separator. A float is arranged to way to go up and down with the surface of the meroure in one of the branches of the tube and thus bring in a suitable position a device making known the instantaneous height of the level of the Liquid in the separator: it simultaneously brings into a suitable position a pilot valve 30 to establish in the relay 27 a pneumatic charge pressure which represents the height of the liquid level and for the control of the valve 3.
The flow meter generally designated by 14 and providing a measure of the flow rate of the fuel supply to the fireplace is an apparatus operating under the action of a differential pressure and arranged so as to restore the deviations from the proportion- @
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linearity between the differential pressure and the flow, so that the angular displacements of its needle relative to an index are directly proportional by differential quantities to the differential variations of the flow. The outline of the parts entering into the construction of the interior of the flow meter 14 is shown in dotted lines, this meter has a bell.
liquid seal whose walls are of a material of suitable thickness and shape.
The flow meters 16 and 25 are similar to the flow meter 14 from the point of view of their construction and operation,
Preferably, we aontrSLe first the feed to the circulation path. fluid to liquid and from the hearth to combustion elements, by varying the speed of the auxiliary turbine @ 87. and using as a basis for this control the flow rate of the liquid inlet stream, the rate of the vapor outlet stream and the height of the liquid level in the separator.
However, to take into account the differences which may exist in the characteristics of the pumps and the fan, as well as variations in the operating conditions, second adjustment devices have been provided to complete the primary control of the flow rate of the pumps. combustion elements.
For air. this second adjustment device consists of the register 15 placed at the inlet of the fan 288 and brought into a suitable position by the pneumatic control device 21, for the fuel. the second adjustment device consists of the regulating valve 13 located in the pipe 5 and brought into a suitable position under the influence of deviations occurring from the desired proportion between the measured flow rate of the fuel stream and The measured flow of. air flow.
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The speed of the auxiliary turbine is adjusted by varying the opening of the steam inlet valves 31 intended to supply steam to the turbine 287.
This steam can be exhaust or draw-off steam from the turbine or high pressure steam coming directly from the steam generator or steam coming from any source or combination of sources, A pneumatic control device 40 moves the valves 31 to a suitable position under the influence of a pneumatic charge pressure established by a regulator relay 41 shown in detail in Figure 6, to adjust the flow rate of the incoming liquid stream (by making vary the speed of the water pump), the setting is preferably carried out under the action of the flow rate of the liquid inlet stream,
the flow rate of the steam outlet stream and the height of the liquid level in the separator.
As has been said above. the flow meter 5 operates under Laotian of the flow rate of the output stream of steam and is intended to bring into a suitable position in the vertical direction the rod of a pilot 26 capable of being supplied by compressed air, thus as indicated by the small arrow in the figure.
Compressed air arrives inside the box 26 between the pilot guides 44, which are separated on the rod by a gap such that they coincide with the narrow annular holes 45. As the pilot rod comes together. moves along its axis in the box, so that the guides 44 this move relative to the orifices 45, a defined load pressure is established in the annular orifices, being in a ratio
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known, with the amplitude of this movement.
For example, if the pilot rod rises, there is at the upper outlet port on the left side of the boot 26 a charging pressure which increases in a defined ratio with the amplitude of the. said movement, while if the pilot rod descends there is at the lower outlet port on the left side a pressure which increases in a defined manner with the amplitude of the movement ,,
In the drawing, the pipes or capillaries used for the transmission of these pneumatic oharge pressures are shown everywhere in dotted lines to distinguish them from electrical connections or other pipes or conduits. In Figure 1, 28 denotes one of these pipes used for. transmit a pneumatic charge pressure to the differential relay device 27,
pressure which is in a known relation to the flow rate of the steam outlet stream. This differential relay is shown in detail in Fig. 5. In a similar fashion, the water level indicator 29 moves the rod of a pilot 30 to a suitable position in the vertical direction to set in. the relay 27 a pneumatic charge pressure ... representing the height of the water level.
Referring to Figure 5, we see that the channel 28 leads to a chamber 50 separated by a diaphragm or a movable partition 52 from a chamber 51 open to the air. The diaphragm 52 and the load spring 53 are both attached to a rod 54 to which is also attached a diaphragm 55, separating the chambers 56, 57, The pipe 46 terminates in the chamber 56, Compressed air can come in. through the pipe 58 into the chamber 57 under the control of a valve 59, The exhaust from the chamber 57 into the atmosphere is controlled by a valve 60, The rod 54 is intended to take a position
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suitable for a valve control device 61,
either to admit compressed air through valve 59 and thus increase the pressure in chamber 57 ,, or to release air into the atmosphere through the. valve 60 and thereby decrease the pressure in the chamber 57. The pressure in the chamber 57 is transmitted through a pipe. 62 to a diaphragm control device oharged by a spring intended for. bring into a suitable position a valve L7 in the suction line of the water pump.
It will be noted that the variations of the charge pressure which are transmitted by the pipe 28 or those which are transmitted by the pipe 46 act so as to. varying the air pressure in the chamber 57 and consequently bringing the valve 17 to an oonvenable position.
The valve 17 acts as a variable orifice through which there is a differential variation of the pressure which is in a known relation to the flow rate of the liquid passing through the valve 17. The pressures existing on the opposite faces of the valve are transmitted. via pipes 63, 64 respectively in chambers 65, 66 of the regulator relay 41,
Referring to Figure 6, it can be seen that the regulator relay 41 is similar to a certain extent to the relay 27, but additionally comprises an adjustable operation exhaust bypass 67 between the chambers 56 'and 57'.
A charge pressure building up in chamber 57 'acts through pipe 68 to a pneumatic control device 40 to cause the steam inlet valve 31 to assume a suitable position. the role of the exhaust bypass 67 with adjustable operation is to
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complete primary pressure control agp6an%
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on the control device 40, by a counter Le secon. daire of the same amplitude or a different amplitude .. te, consisting for example in a successive or additional aotion.
preventing excessive movement and oscillation and whereby the position taken by the control device 40 does not necessarily and directly depend on the position taken by the valve 17.
In general, the position taken by the valve 17 is determined by the flow rate of the. steam output current and by the height of. level of. liquid in the separator and this valve constitutes a variable orifice in the suction line of the water pump, the apparatus 41 which receives the differential pressure at. passage of valve 17 brings into a suitable position the control device 40 and the valves 31 of the turbine to control the speed of the pump. water, so that the differential pressure at. passage of valve 17 is kept constant, regardless of the degree of opening of valve 17, and the arrival of liquid in the pump. water is thus controlled proportional both to :;
flow rate of the steam outlet stream and at the level of the liquid. = in the separator,
If the flow of. Steam output current increases, the pilot a6 rises proportionately, thus proportionally increasing the charge pressure transmitted by the pipe.
28, causing a downward movement of the rod 54 and a corresponding opening of its valve 59, to admit an additional quantity of compressed air into the chamber 57 and thus increasing the pneumatic charge pressure acting through the pipe 68 on the valve. valve 17, and increase the degree of opening of the valve to bring in a quantity of water. higher at the water pump in proportion to the increase in the flow rate of the steam stream leaving the steam generator.,
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If the level of Liquid in separator 232 tends to drop the pilot 30 rises, thereby increasing the charge pressure in chamber 56 and similarly opening valve 17 to increase the flow rate of liquid entering the generator. steam.
It will be noted that the valve L7 acts in the form of a variable orifice whose position is determined by the flow rate of the steam stream leaving the steam generator and by the height of the level of the liquid in the separator, while the speed of the pump at Water is determined not only by these two variable factors but also by the flow rate of Water arriving at and passing through the pump. The controller 40 varies the speed of the auxiliary turbine so as to. varying the flow of water passing through valve 17, to keep the pressure drop constant as it passes through valve 17. This obviously means that the flow of water is constant for each position of the control regulator valve.
It can be seen from this that the speed of the auxiliary unit is regulated so as to maintain a defined water flow rate in accordance with the demand indicated by the steam flow rate and by the height of the water level.
Figure a shows another exemplary embodiment of the invention. A turbine 69 is supplied with steam through a pipe 70 under the control of a valve 71 actuated by a diaphragm. The impeller is intended to control a liquid pump 72 delivering liquid through a pipe 73 in which is mounted a manually operated throttle valve 74. The check valve 74 must be moved to the desired position by hand either on site or remotely to control the amount of liquid passing through the pipe 73.
The general assembly constitutes a control of the speed of
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the turbine 69 in concordance and exits faction of the d1f1t
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of liquid passing through pipe 73 and valve 74.
A regulator relay 75 similar to relay 41 is connected to. pipe 73 on either side of valve 74 through pipes 76, 77 so as to. be subjected to the action of the existing differential pressure. passage of the valve 74. The valve 74 acts as a variable orifice and the relay 75 in fact constitutes a counter for the differential variation in pressure when the variable orifice passes. A pneumatic charge pressure is established by relay 75 in the pipe. 78, this pressure acting on the valve 71 to bring it into a suitable position.
When opening the valve 74 is closed to bring it to a new position ,, the passage section of the. fluid in this valve varies accordingly, as does the differential pressure which acts through pipes 76, 77 on the regulator differential relay 75. This relay is set for a certain differential pressure and when the existing differential pressure varies in either direction or The other from a determined value. the pneumatic charge pressure, which acts through the pipe 78 on the valve 71 varies, causing a change in the throttle position of the valve 71 and consequently a change in the flow rate of the steam supply to the valve. . turbine 69.
The speed of the turbine 69 and of the pump 72 therefore vary in the direction and in the amount desired until the current of liquid passing through the valve 74, in its new open position, has given rise to a differential variation of the pipe pressure. 76 to. pipe 77, and equal or proportional to the differential pressure variation which existed from one of these pipes to the other, when the
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valve 74 was in its previous open position. The control of the speed of the turbine 69 is therefore in accordance with the power of the pump 1a and of the turbine 69.
It should be understood, of course, that in this control device, all variable factors, such as the flow characteristics of the wire valve, of the inlet nozzles, etc. of the turbine 69, the variations in temperature, pressure, spreads the steam admitted by the pipe 70, etc., * as well as the characteristics of the turbine and of the pump do not intervene and that the result finally obtained is a flow through the pipe 73 corresponding in a defined manner to the position occupied by the stem of the valve 74.
This valve stem can be calibrated with precision according to the flow rate of the water with respect to the path of the valve stem and this relation remains exact whatever the value of any of the aforementioned variable factors or others which could influence the operation of the turbine and the pump in another way.
Figure 3 shows yet another exemplary embodiment of the invention, in which a fan 79 is driven by a steam turbine 80 under the control of a pneumatically operated mechanism 84, the air exiting from the fan 79 passes through a pipe or pipe 82 to reach a hearth 83 and supply therein the air serving to support the combustion of a fuel such as fine fuel oil through a pipe 84 to a burner 85, The device establishes the appropriate proportion between the air and the fuel either directly or in steps according to what you want,
In the oil supply pipe 84 is placed an orifice or other throttle 86 producing a differential variation.
A flow meter 87 is mounted
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so as to be sensitive to the diff4ren 'variation; it
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pressure through port 86 and is of a type similar to that of flow meter 14 discussed previously. The flow meter 87 is intended to cause a pilot 88 to assume a suitable position to build up a pneumatic charge pressure in the pneumatic controller 89 for causing the pilot to assume a suitable position. register 90, The register or valve 90 is mounted in the line sa * so as to form a variable orifice serving to measure the flow rate of the air flow discharged into the hearth.
The pressure drop when passing the register 90 is transmitted through the pipes 91, 92 to a regulator relay 93, of the type shown in FIG. 6. This regulator relay establishes a load pressure acting on the pneumatic control device 81 serving controlling the speed of the turbine 80.
In general, control of the supply of fuel oil through pipe 84 can be done by hand or under the influence of any variable factor in the operation of the fireplace or any other process.
The flow rate is measured by the meter 87 which establishes a load pressure serving to make the control device 89 and the register 90 (variable orifice) take a suitable position, This differential variation in pressure when passing the register 90 establishes a charge pressure to control the steam inlet valves of the turbine 80,
so as to vary the speed of the turbine and of the fan 79 in the direction and of The suitable quantity to maintain constant the differential variation of pressure which acts on the relay 93, Consequently, there exists for each value of the oil flow fuel a defined position of the register 90 and the speed of the turbine 80
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will be atltomatiqlrtenent oontr $ Lee in order to maintain
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constant the differential pressure variation when passing the register 90, and consequently to vary and adjust the air flow to the hearth in the desired proportion to the fuel oil flow.
The gtxidea of pilot 88 may receive a shape such that the air flow is directly proportional. fuel oil flow rate for all stages of operation, or that it can increase with the flow rate of the fuel oil feed or that it can decrease with this flow rate or be as desired.