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MEMOIRE DESCRIPTIF déposé à l'appui d'une demande de BREVET d' INTENTION PROCEDE d'EXPLOITATION POUR TURBINES A GAZ ET TURBINE A GAZ POUR LA. REALISA- -TION DE CE PROCEDE%.-
D'après les propositions connues, relatives aux turbines à gaz, le combustible est brûlé dans l'agent de travail de la turbine à gaz avant de traverser la turbine, donc, avant la détente de l'agent de travail, afin que la chaleur développée lors de la combustion puisse être transformée en travail tout en l'utilisant le plus possible.
Ce procédé présente de nombreux inconvénients qui sont éliminés par le procédé d'exploitation faisant objet de l'in vention et par la turbine à gaz respective, de manière qu'au moins une partie du combustible à brûler dans l'agent de travail de la turbine à gaz, est brû- lée dans l'agent de travail de celle-ci après avoir passé la turbine. Ce procédé peut être utilisé pour des turbines munies d'échangeurs de chaleur qui
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réchauffent l'aTent de travail préalablement comprimé avant son entrée dans la turbine d'une manière aussi efficace que possible, tout en utilisant la chaleur de l'agent de travail quittant la turbine.
Si dans le cas de turbines munies de tels échangeurs de chaleur on brûle le combustible-au moins partiellement- dans l'agent de travail, après avoir traversé la turbine mais avant l'échangeur de chaleur, bien que la chaleur produite lors de la combustion ne chauffe plus que les gaz d'échappement quittant la turbine, l'échangeur de chaleur, travaillant de préférence à courant opposé, permet de transmettre cette chaleur à l'agent de travail d'une pression supérieure, entrant dans la turbine, notamment, au point de vue théorique, en raison de la nouvelle disposition, sans pertes particulières, vu que grâce à l'exécution et le dimensionnement appropriés de l'échangeur de chaleur, on peut assurer la transmission pratiquement complète de la quantité de chaleur additionnelle introduite dans le procédé de travail en aval de la turbine,
mais en amont de l'échangeur de chaleur, à l'agent de travail frais. Donc, cette chaleur n'est pas perdue, mais elle peut effectuer du travail, sans que des produits de combustion devraient forcément traverser la turbine. Ce procédé, edest- à dire la turbine à gaz travaillant d'après ce procédé, présente des avantages considérables par rapport aux procédés connus jusqu'ici, en tant qu'il permet aussi l'utilisation de combustibles, dont les gaz de combustion, cendres, etc.. exerceraient une influence défavorable sur les organes de la turbine.
De plus, ce procédé permet que la combustion ait lieu dans l'agent de travail quittant la turbine, donc, d'une pression inférieure -dont la pression est normalement égale à celle de l'atmosphère- au moyen de foyers simples qui rendent possible de brûler même des combustibles de qualité inférieure bon marché, houille, etc.. dans des conditions favorables.
Un avantage ultérieur de ce procédé consiste en ce que dans des cas, lorsque pour obtenir un meilleur rendement, une puissance supérieure , ou pour d'autres raisons, on veut réaliser dans la turbine, autant que possible, une détente isothermique ou une détente, pendant laquelle l'introduction de la chaleur dans l'agent de travail continue dans la turbine, on peut permettre, sans pertes considérables, de brûler le combustible partiellement après le passage par la turbine, ce qui favorise considérablement la réalisation de la détente idéale isothermique.
Enfin ce procédé permet de réaliser aisément la détente précitée, accompagnée de l'introduction de chaleur, même dans le cas de combustibles qui directement ne sont pas appropriés à la réalisation d'une telle combustion, ou dont les gaz de combustion, en raison de leur effet nuisible, ne se prêtent par à traverser la turbine, notamment, de manière qu'un tel combusti-
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-ble est brûlé partiellement après le passage de l'agent de travail dans la turbine et pendant cette combustion on transforme une partie du combustible, soit par distillation, soit par transformations chimiques, gazéification, cracking, etc.,de sorte que le produit obtenu puisse être brûlé sans aucune difficulté ou inconvénient soit en amont de la turbine, soit après avoir traversé la turbine partiellement ou entièrement, ou bien entre les étages de celle-ci.
Sur les dessins annexés, la figure 1 représente la turbine destinée à la réalisation du procédé d'exploitation, à titre d'exemple, c'est-à-dire la disposition schématique de l'installation, avec le foyer disposé en aval de la turbine et avec l'échangeur de chaleur de fonctionnement continu. Chacune des figures 5 et 6 en montre une variante. Les figures 2a et 2b sont les plans schématiques d'un autre exemple de réalisation dans le cas de l'emploi de combustibles solides et de la combustion partielle opérée en aval de la turbine. La figure 3 est le plan schématique d'un exemple de réalisation ultérieur, également dans le cas de l'emploi de combustibles solides, où le combustible s'est brûlé en amant de la turbine de manière que les composantes gazéfiables, etc.. de celui-ci sont partiellement brûlées en aval de la turbine.
Enfin les figures 4a et 4b représentent la coupe transversale schématique d'un tel exemple d'exécution ,où nous avons prévu un échangeur de chaleur d'un fonctionnement non continu.
Sur la Fig.l le rotor 2 du compresseur 1 supposé à titre d'exemple comme de passage axial, est entraîné par le rotor 5 de la turbine 4, également représentée comme de passage axial, au moyen de l'accouplement 3, l'autre bout d'arbre de la turbine se raccordant au consommateur d'énergie, au moyen de l'accouplement 6. L'agent de travail-de préférence l'air- entre dans le compresseur à travers l'orifice d'amenée 7 et il le quitte à travers l'orifice de sortie 8.
Entre cet orifice de sortie et l'orifieed'amenée 9 de la turbine 4 se trouve l'échangeur de chaleur 10 qui, dans le cas de cet exemple d'exécution, est de fonctionnement continu et d'un système à courant opposé, A l'orifice de sortie 11 de ladturbine se raccorde, d'une part, la conduite de contournement 13, réglable au moyen du clapet d'étranglement 12, et la conduite 15, réglable au moyen d'un clapet d'étranglement 14. La conduite 15 possède encore le branchement 17 réglable par le clapet d'@étranglement 16, ce branchement débouchant dans la chambre 19 du foyer 18 Be prêtant, à titre d'exemple, à la combustion de combustibles solides.
La conduite 15 se raccorde au foyer 18, notamment, dans l'exemple représenté, sous la grille 20 de celui-ci. Derrière le foyer, la conduite de contournement 13 et la conduite 21 des gaz de combustion du foyer, après s'être rejoints, se raccor- dent à l'échangeur de.chaleur 10.
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Le gaz entre dans l'échangeur de chaleur à travers le caniveau d'amenée 22 de celui-ci et il le quitte à travere le caniveau 23, dans lequel est installé le ventilateur 25 commandé par le moteur électrique 24. Dans le puits 27 du foyer 18 se trouve le combustible solide, amené au moyen de la soupape de dosage 28 et par la porte 29.
Cette installation fonctionne de la manière suivante :
L'agent de travail entre dans le compresseur 1, entraîné par la turbine, à travers l'orifice d'entrée 7 du compresseur et il le quitte à une pression supérieure à celle d'amenée, par exemple à une pressioe 1,5 à 8 fois la pression d'amenée, à travers le caniveau de sortie 8. Ensuite, l'agent de travail traverse l'échangeur de chaleur 10 à courant opposé, dans lequel il est réchauffé à préjudice de la chaleur des gaz d'échappement quittant respectivement la turbine et le¯foyer, par exemple à une température de 450 à 9000 C., puis, il entre dans la turbine 4 à travers l'orifice d'entrée 9. Ici, lors de la détente, sa pression baisse presque jusqu'à la pression d'amenée du compresseur, tout en développant du travail.
Le gaz quittant la turbine par l'orifice de sortie 11 arrive, respectivement à travers la conduite 15 et la conduite de contournement 13, d'une part, dans le foyer 18,et, d'autre part, directement dans le caniveau 21 conduisant à l'échangeur de chaleur. Le gaz entrant dans le foyer provoque la combustion, il se réchauffe et-en tant que c'est nécessaire- la combustion continue dans la chambre 19, tout en utilisant l'air secondaire de mélange, arrivant à travers la conduite 17.
Les produits de combustion de température élevée, en quittant la chambre 19, se mélangent aven l'agent de travail fourni par la conduite de contourenement 13, en vue d'ajuster la température du courant de gaz chauffant l'échangeur de chaleur, suivant la nécessité, et ils arrivent dans l'échangeur de chaleur 10 à travers le caniveau 21, l'échangeur de chaleur étant traversé en courant opposé par rapport au sens de passage de l'agent à haute pression entrant dans la turbine, tandis que les produits de combustion communiquent leur chaleur à ce dernier d'une manière aussi parfaite que possible. Le ventilateur 25 établit une certaine dépression dans la conduite 21, c'est-à-dire dans le foyer 18 , de sorte que lors de la manoeuvre du foyer, la fuite des gaz chauds n'est pas à craindre, donc, le maniement du foyer ne présente aucun danger.
Les ouganes de réglage 12, 14, 16 ,par exemple des clapets d'étranglement, sont prévus pour le réglage des quantités d'air nécessaires pour satisfaire aux tâches particulières.
Cet exemple d'exécution permet de réaliser la variante du procédé
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d'exploitation suivant l'invention où la totalité du combustible est brûlée en aval de la turbine. A cette exécution, en aval de la turbine et en amont de l'échangeur de chaleur, un tel foyer ou chambre de combustion est inséré dans le courant de l'agent de travail, par lequel passe au moins une partie de l'agent de travail et en vue de régler l'agent de travail traversant la chambre de combustion les organes de réglage, clapets, vannes, etc.. précités sont insérés dans le cou- rant de l'agent de travail.
Au lieu du moteur électrique, le ventilateur 25 peut être commandé par tout autre moyen, par exemple, soit directement par l'arbre de la turbine, soit par une turbine particulière),
A la disposition représentée sur les figures 2a et 2b, ce n'est pas seulement en aval de la turbine, mais aussi dans la turbine, avant la détente et pendant celle-ci que la combustion a lieu. A cette solution, à la conduite de décharge 54 du compresseur 53 commandé par la turbine 52 se raccorde l'échangeur de chaleur 55 à courant opposé. Après avoir passé par l'échangeur de chaleur, le gaz comprimé entre dans la turbine à travers la conduite 56.
De la turbine, le gaz sort par la conduite 57 et il arrive, à travers la conduite 59, dans le foyer 60, ce dernier se prêtant, dans le cas de l'exemple d'exécution représenté, à la combustion de combustibles solides, de manière que le combustible est partiellement brûlé et partiellement gazéifié ou distillé, etc et, en même temps, il se prête au prélèvement du combustible ainsi obtenu du foyer* Dans l'exemple représenté, l'air entrant dans le foyer 60 à travers les orifices 61 se déplace partiellement vers le haut, tandis qu'une partie du combustible y est brûlée avec l'oxygène de l'air* Les gaz entrant dans l'espace 63 à partir du puits 62 du foyer, sont entièrement brûlés avec l'air secondaire arrivant par la conduite 64 et ils entrent dans l'échangeur de chaleur 55 à travers la conduite 65, ensuite,
après avoir passé par l'échangeur de chaleur, ils%réchappent à travers la conduite de sortie 66 de celui-ci* En envisageant la partie de l'agent de travail présentant le circuit exposé, le fonctionnement correspond au prince de fonctionnement de la Fig.l* L'autre partie de l'agent de travail est cependant traité dans cet exemple d'exécution de manière que, grâce à ce traitement, on puisse obtenir un combustible secondaire qu'on peut ramener dans la turbine et y brûler* Cette seconde partie de l'agent de travail, saturé avec l'air frais entrant par les orifices 61, se déplace dans le foyer vers le bas tout en gazéifiant une partie du combustioble. Les gaz combustibles ou les vapeurs des matières combustibles, ainsi produits soient par le caniveau 67 se trouvant au-dessous de la grille.
Le filtre
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ou épurateur 102 (Fig.2) est destiné à éliminer-les impuretés contenues dans le gaz. D'ici le gaz parvient, à travers les conduites 103 et 104 dans les échan- geurs de chaleur à courant opposé 68 et 105, prévus pour cette branche du courant et dans l'échangeur de chaleur 68 il communique sa chaleur au gaz comprimé quittant le compresseur. La conduite 106, branchée sur la conduite de refoulement 54 du compresseur, se raccorde à la conduite d'entrée 107 de l'échaneur de chaleur 105, tandis que la conduite 108 de l'échangeur de chaleur reconduit l'air arrivant à travers la conduite 107, réchauffé par le gaz, par le raccordement à la conduite 56, dans le courant dirigé vers la turbine.
Si l'organe de réglage 110, se trouvant dans la conduite 103, est entièrement fermé, le gaz arrivant par la conduite 67 traverse l'échangeur de chaleur 105 en sa totalité et in y est refroidi presque à la température finale du compresseur, ensuite par la conduite 119 Il arrive à cette température dans l'échangeur de chaleur 68, branché en série avec l'échangeur de chaleur 105 dans le sens du courant de gaz.
Dans l'échangeur de chaleur 68 et dans l'installation d'épuration et de refroidissement 111, branchée en aval de celui-ci, il est refroidit encore, et en tant que c'est nécessaire, il est aussi purifié.L'Installation de refroidissement 111 est alimentée en eau de refrdidissement à travers la conduite 112 et l'eau la quitte par la conduite 113, Après avoir passé l'installation de refroidissement, le gaz arrive, à travers la conduite 114, dans le compresseur 70, commandé par le moteur électrique 71 ou par tout autre moyen, le cas échéant, directement par la turbine. Dans le compresseur la pression du gaz s'élève au moins à la valeur qui règne au point du procédé du travail, c'est-à-dire de la turbine 52, où on a l'intention d'introduire le gaz.
Le gaz quittant le compresseur 70 se réchauffe en traversant l'échangeur de chaleur 68 à courant opposé et ensuite il arrive, à travers les branchements 73, 73' de la conduite 72, dans les chambres de combustion disposées respectivement en amont de la turbine et entre les étages de celle-ci. A l'exemple d'exécution représenté, en amont de la turbine et en aval d'une partie de celle-ci se trouvent les chambres de combustion 48,49, dans lesquelles débouchent en plusieurs endroits, les brûleurs d'amenée de combustible 50 et 51. Les chambres de combustion sont exécutées de manière qu'une partie de l'agent de travail de la turbine y entre et le combustible introduit y est brûlé.
La combustion peut se propager même dans la turbine et il est aussi possible que la combustion ne soit entièrement terminée q@@après avoir traversé la turbine, ce qui permet d'établir dans la turbine une détente reliée à l'introduction de chaleur. Les clapets de réglage 110 et 116 sont destinés pu réglage de la partie du gaz quittant le foyer par la
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conduite 67 et traversant l'échangeur de chaleur 105, tandis que le clapet de réglage 109 est prévu pour régler la quantité d'air comprimé, traversant l'échan- geur de chaleur 105.
Une partie du gaz entre, àhtravers le tuyau 59 branché sur le tuyau 57 et ensuite à travers la conduite 74 se raccordant au tuyau 59, dans la chemise 75 du foyer 60, en vue de réduire les pertes de chaleur dans le foyer, ensuite, après avoir traversé la chemise, il rejoint le courant du caniveau 65, à travers le tuyau 76, se raccordant à la chemise. Au tuyau 57 se raccorde la conduite de contournement 77, dans laquelle, au moyen des organes de réglage, vannes ou clapets, etc.. 78,79, disposés dans la voie de l'agent de travail de la turbine, la quantité de l'agent de travail, amenée au foyer, peut être réglée suivant la charge de la machine, etc.. Le clapet de réglage 80 est prévu pour régler la quantité de l'air de mélange secondaire et le clapet 81 pour régler la quantité de gaz traversant la chemise du foyer.
Le combustible est amené dans l'espace du foyer à travers la porte 82, le puits de remplissage 84 et la soupape 83. Le maniement du foyer est grandement facilité par le fait qu'il n'y a pas de surpression, étant donné que le ventilateur 86, commandé par le moteur électrique 85 ou par tout autre moyen, y exerce un effet aspirant:
Afin d'empêcher l'échauffement excessif du gaz traversant le foyer 60, de préférence, on introduit dans le foyer aussi de l'eau ou de la vapeur d'eau A cet effet, on a prévu le serpent tubulaire 117, qui, à cet exemple d'exécution, est disposé dans la conduite du gaz d'échappement; toutefois, il peut être disposé à n'importe quel endroit.
Ce serpent de chauffage qui peut être exécuté aussi comme une simple cuve de chauffage, de manière que son espace de vapeur se raccorde à la conduite, est traversé par 1$eau qui s'y vaporise et en arrivant par la conduite 118, se mélange avec l'air arrivant au foyer. Ainsi de la vapeur d'eau est amenée au foyer et cette vapeur, en se dissociant dans la chambre de combustion, réduit la température qui y règne.
Une partie du gaz produit peut être brûlée dans l'espace 63, en amont de l'échangeur de chaleur 55 et l'autre partie qui part à travers le tuyau 67, est brûlée de la manière décrite en ce qui précède*
L'installation décrite peut être exploitée aussi de manière que pour la conduite d'amenée 107 de l'échangeur de chaleur 105, absorbant la chaleur du gaz combustible, quittant le foyer, l'air comprimé n'est pas prélevé du branchement 106, mais la conduite 107 est raccordée à la conduite 120, tout en fermant le branchement 106. Dans ce cas, c'est déjà l'air ayant passé l'échangeur de chaleur 55, donc, fortement réchauffé, qui entrera dans l'échangeur de chaleur 105
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à travers la conduite 120, de sorte que la température du gaz comprimé, entrant dans l'échangeur de chaleur 68 et sortant de celui-ci, sera supérieure.
Ce proc6- dé peut être favorable au point de vue de la combustion du gaz et à cet effet, la quantité d'air comprimé traversant l'échangeur de chaleur 105 peut être ajustée au moyen de l'organe de réglage 124. On peut cependant régler la température du gaz combustible sortant de l'échangeur de chaleur 68 à travers le tuyau 72 en ajustant les clapets de réglage 110 ou 116. L'installation décrite peut être aussi exécutée et exploitée de manière qu'on ferme le caniveau 65 entièrement au moyen du clapet d'étranglement 115 ou par tout autre moyen, de sorte qu'on ne prélève du foyer 60 que de la matière, du gaz combustible, de sorte que celui-ci fonctionnera comme un gazogène.
Dans ce cas, l'allure du procédé de travail est telle que la combustion se propage de la turbine, à travers les caniveaux 57,77, partiellement encore dans l'échangeur de chaleur aussi et se termine dansce dernier.
Dans ce dernier cas, il est particulièrement avantageux d'introduire de la vapeur d'eau dans la zone de combustion de la manière et dans le but connus dans le domaile des gazogènes. Ceci sera encore plus justifié pour le dispositif décrit, car l'air frais qui y entre, se trouve également à une température élevée d'environ 350 à 500 C. et ainsi il est encore plus nécessaire d'empêcher le sur- échauffement du foyer. En tant que des gaz combustibles quittant le foyer 60 à travers la conduite 67, du liquide ou de la matière combustible se condenseraient au cours du refroidissement du gaz dans les échangeurs de chaleur 105 et 68, la décharge de ces matières peut être opérée à travers le tuyau 121 ou 122 au moyen de la pompe 123 de système quelconque.
Le combustible ainsi obtenu peut être introduit dans les chambres de combustion 48 et 49 précitées et y brûler au moyen de dispositifs appropriés.
L'exemple d'exécution décrit est destiné à la réalisation d'une telle alternative du procédé d'exploitation faisant l'objet de l'invention, dans laquelle on brûle une partie du combustible dans un foyer parcouru par au moins une partie de l'agent de travail et disposé en aval de la turbine, on en produit des gaz combustibles, c'est-à-dire une matière combustible par gazéification , distillation, cracking, etc.. on l'amène en amont de la turbine ou après les étages de la turbine, le cas échéant, dans des chambres de combustion particulières, eù la combustion a lieu. En ramenant ainsi les combustibles obtenus dans le foyer par distillation, gazéification, etc , dans la turbine on peut y réaliser une détente reliée avec l'introduction de chaleur.
Au point de vue de la détente dans la turbine attachée à l'intro-
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-duction de chaleur, -ce qui est favorable pour plusieurs raisons- grâce à l'exécution des chambres de combustion, c'est-à-dire au mode d'introduction du combustible, on peut en effet obtenir que la combustion du combustible continue pendait le passage à travers la turbine.
Or, vu que le passage dans la turbine n'exige 'qu'une très courte durée, environ 1/100 seconde, il serait très difficile de régler la combustion dans la turbine de manière qu'elle soit déjà terminée lors de la sortie de la turbine, Le procédé constituant l'objet de l'invention, suivant lequel la combustion peut continuer même après le passage dans la turbiney facilite considérablement la réalisation de la détente reliée à l'introduction de chaleur*
En déviant de l'exécution décrite du foyer 60, on peut encore utiliser des installations de combustion, de distillation ou de gazéification, d'exécution différente qu'on doit choisir en tenant compte du combustible et d'autres exigences.
Vu que les organes d'amenée de combustible 50, 51, se rac- cordant à des endroits de la turbine, ayant des pressions différentes, au lieu du compresseur 70 et de l'échangeur de chaleur 68, on peut en utiliser plusieurs suivant les pressions différentes, dans ce cas ces appareils fonctionnent en parallèle.
A l'exemple de réalisation représenté sur la figure 3, une partie du gaz comprimé sortant du compresseur 88, entraîné par la turbine 87, à travers la conduite 89 et traversant l'échangeur de chaleur 90, entre dans le foyer 94 en une quantité déterminée par les organes de réglage 91, 92, à travers la con- duite 93 une partie du combustible étant brûlé dans le foyer 94, tandis que l'au- tre partie y est gazéifiée, distillée, etc..La gaz amené au foyer, d'une part, partiellement réchauffé par suite de la combustion, arrive à la tubulure d'ame- née 96 de la turbine à travers la conduite 95 et l'épurateur 125, et d'autre part il est amené avec les produits combustibles, obtenus du combustible primaire à travers la conduite 97, l'épurateur 126 et ensuite à travers la conduite 98 aux brûleurs 99,99. Le gaz détendu,
quittant la turbine arrive à l'orifice d'amenée de l'échangeur de chaleur 90 à travers le caniveau 100, ensuite il quitte l'é- changeur de chaleur à travers le caniveau de sortie 101. A cette variante dtexé- cution, il est également utile d'introduire de la vapeur d'eau dans le foyer..
C'est à cet effet que le réservoir d'eau 127 est disposé autour de la conduite
93, étant .alimenté à travers le tuyau 128. De l'espace de vapeur de ce réservoir. la vapeur produite entre dans la chambre de combustion du foyer à travers le tuyau 129.
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A cette exécution il est également possible d'exécuter le foyer de manière qu'il fonctionne seulement comme gazogène, tout en brûlant le gaz produit dans la turbine ou partiellement après la turbine en vue d'obtenir la détente reliée à l'introduction de chaleur. Dans ce cas, en amont de la turbine on utilise un foyer traversé par l'agent de travail, dans lequel le combustible est partiellement brûlé et partiellement soumis à la gazéification, etc.. et le gaz combustible produit, c'est-à-dire la matière combustible, est brûlé au moins partiellement soit en amont de la turbine, soit durant le passage partiel des étages de la turbine, ou bien après ce passage, tandis qu'une autre partie du gaz ou du combustible n'est entièrement brûlée qu'après avoir passé la turbine, finalement en amont de l'échangeur de chaleur.
Cette disposition a pour but que dans le cas d'un tel combustible, dont la combustion directe dans la turbine ne permet pas de réaliser dans la turbine la détente reliée à l'introduction de chaleur, grâce au combustible gazeux obtenu par la voie de gazéification,de la distillation, etc.., une telle détente puisse être réalisée, en particulier, de manière que la combustion puisse être continuée même en aval de la turbine.
A l'exemple d'exécution représenté sur les figures 4a et 4b, entre la turbine 30 et le compresseur 31 commandé par la turbine, c'est-à-dire entre la tubulure de sortie 32 du compresseur et la tubulure d'amenée 33 de la turbine, se trouve inséré l'échangeur de chaleur régénérateur 34, également à courant opposé et fonctionnant d'une manière intermittente. A l'exemple d'exécu- tion représenté, cet échangeur de chaleur comporte trois unités (35, 35t et 35") dont chacune est munie, au côté froid, des organes d'amenée commandés 36, 36', 36 et des organes de sortie commandés 37, 37', 37". Au côté chaud du régénérateur, il y a également des organes d'amenée et de sortie commandés, notamment, les organes d'amenée 39, 39', 39" et les organes de sortie 38, 38t et 38".
A l'exé- cution représentée à titre d'exemple, ces organes (soupapes) sont commandés par les cames disposées sur les arbres à came 41, 41'. Les arbres à cames sont en- trainés par le moteur électrique 42, d'une part, directement et, d'autre part, par l'intermédiaire de la transmission 43.
A l'intérieur de chacune des unités de l'échangeur de chaleur, de préférence parallèlement avec la direction du courant, se trouvent des tôles métalliques, dont la distance'mutuelle est aussi petite que possible (0.1 à 5 mm. de préférence., inférieure à 2 mm.) en vue d'augmenter la transmission de chaleur.
Perpendiculairement à la direction du courant, les unités de l'échangeur de cha- leur sont divisées en des faisceaux de tôles au moyen d'entrefers, afin d'empê-
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-cher la conduction de chaleur à partir de l'une des extrémités (extrémité chau- de) à l'autre extrémité (extrémité froide) du régénérateur dans la mesure du pos- sible. Au lieu de tôles métalliques, on peut cependant utiliser comme matière accumulatrice de chaleur, des tamis métalliques où une autre fourrure de grande surface, métallique ou en d'autre matière, par exemple en gravier, comportant des chambres d'air. L'agent de travail frais comprimé est amené au régénarateur par le caniveau d'amenée 32', communiquant avec l'antichambre des soupapes d'ad- mission 36, 36', 36".
Au côté chaud du régénérateur, le gaz sort par le caniveau
44 communiquant avec l'antichambre des soupapes d'échappement 38, 38', 38". A la tubulure d'échappement 45'de la turbine se raccorde le caniveau 46, par lequel le gaz chaud, quittant la turbine, arrive dans l'antichambre des poupapes d'ad- mission 39, 39', 39ë du régénérateur. Le gaz d'échappement refroidi quitte le ré- générateur à travers les unités 35, 35', 35" de l'échangeur de chaleur et le ca- niveau 47 communiquant avec l'antichambre des soupapes d'échappement 37, 37',37".
A l'exécution représentée à titre d'exemple, en amont des étages de la turbine ou entre les étages de celle-ci, se trouvent les chambres de combustion 131,132 dans lesquelles débouchent en plusieurs endroits les brûleurs, pulvérisateurs, etc.. d'amenée de combustible 73 et 73'.
Ce dispositif fonctionne de la manière suivante :
Le compresseur aspire le gaz-par exemple l'air- à travers sa tubulure d'amenée 52 et le refoule après compression, à travers la tubulure 32 et le caniveau 32' dans la section de l'échangeur de chaleur, fonctionnant périodi- quement, dont la soupape d'admission 36 se trouve justement ouverte. Entretemps la soupape d'échappement 38 de cette même unité de l'échangeur de chaleur est également ouverte, de sorte que le gaz traverse l'unité de l'échangeur de chaleur dans le sens de la flèche I et entre dans la turbine à travers la tubulure d'ame- née 33. En traversant le régénérateur, le gaz comprimé se réchauffe.
Le gaz quit- tant la turbine entre dans la chambre de travail du régénérateur à travers le caniveau 46 et la soupape d'amenée 39 se trouvant justement ouverte, et il le quitte à travers la soupape d'échappement 37 se trouvent simultanément ouverte et par le caniveau de sortie 47. Alors le gaz traverse l'échangeur de chaleur dans le sens de la flèche II, tout en se refroidissant.
Au moyen de soupapes commandées, les unités de l'échangeur de chaleur sont commutées périodiquement, de sorte que le passage ait lieu alternativement soit dans le sens de la flèche
I, soit dans celui de la flèche Il* Ainsi tandis que dans une partie des unités le passage s'opère dans le sens de la flèche I, dans l'autre groupe d'unités le
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passage a lieu dans le sens de la flèche Il*
Grâce à l'exécution appropriée de l'échangeur de chaleur, il est possible de réchauffer le gaz comprimé amené à la turbine, presque à la température du gaz détendu quittant la turbine, en utilisant la chaleur de ce dernier* Le gaz comprimé amené à la turbine par la tubulure d'amenée 33, passant à travers la turbine, développe du travail, tout en se détendant.
En utilisant la chambre de combustion 131, c'est-à-dire les pulvérisateurs ou brûleurs 73, il est possible d'introduire du combustible dans le gaz, avant son entrée dans la turbine, c'est-à-dire avant la détente, ou bien dans le cas de l'ajustement approprié de la combustion, pendant la détente. L'introduction du combustible ultérieure, c'est-à-dire de la chaleur ultérieure après le passage partiel à travers la turbine, peut se faire au moyen des pulvérisateurs ou brûleurs 73t disposés dans la chambre de combustion 132. De toute façon,cependant, l'ajustement de la combustion est tel que lors de la sortie de la turbine, elle n'est pas encore terminée, mais elle se propage dans l'antichambre des soupapes 39.
Naturellement il n'y a aucun inconvénient à ce que les échangeurs de chaleur de fonctionnement périodique ,utilisés dans ce dernier exemple, soient aussi adoptés dans les dispositions suivant les exemples précédents.
Dans les dispositifs décrits, il est essentiel que l'échangeur de chaleur, dont le fonctionnement est, soit intermittent, soit continu, fonctionne avec des pertes réduites, car ce n'est que dans ce cas qu'on peut transmettre la chaleur introduire en aval de la turbine dans l'agent de travail frais d'une pression supérieure, sans perte de rendement appréciable.
A cet effet, l'échangeur de chaleur à courant opposé, de fonctionnement continu, décrit dans les exemples précédents, se prête par excellence, si la distance mutuelle des tôles séparant les chambres de travail des agents transmetteur et récepteur de chaleur est petite (inférieure à 5mm.). En tant qu'on utilise suivant ce dernier exemple, d'une part, pour la raison mentionnée et, d'autre part, pour que les pertes dites de charge, se présentant lors de la commutation des unités de l'échangeur de chaleur, puissent être réduites, il est également essentiel que la distance mutuelle des tôles soit très petite, comme mentionné, inférieure à 5 mm. En vue de réduire la quantité de chaleur passant du côté chaud de l'échangeur de chaleur au côté froid,
il est utile de munir un tel échangeur de châles d'au moins cinq entrefers perpendiculairement au sens du courant.
Les dispositions décrites peuvent être aussi utilisées en des combinaisons arbitraires et en des alternatives déviant des exécutions décrites
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en détail seulement à titre d'exemple. Ainsi, par exemple, il est possible d'alimenter les foyers en combustibles solides (en morceaux ou en poussière) de même qu'en combustibles liquides ou gazeux, c'est-à-dire de les exécuter de manière qu'ils se prêtent à des tels combustibles. De même, il est possible de produire le combustible obtenu du combustible primaire (combustible secondaire), à brûler en amont de la turbine ou dans la turbine, en faisant emploi des procédés les plus divers, c'est-à-dire adopter les foyers appropriés à cet effet.
Il est aussi possible (d'une manière similaire aux échangeurs de chaleur représenté sur la figure 2b) de prévoir dans le circuit de gaz principal plusieurs échangeurs de chaleur, branchés en parallèle ou en série, ceux-ci le cas échéant, n'étant pas traversés par la totalité de la quantité de gaz ou d'air. Cette dernière disposition peut être avantageuse, par exemple, lors de la transmission de la chaleur des gaz de température élevée, obtenus dans le foyer, à l'agent de travail frais comprimé, avant de mélanger le'gaz de température élevée avec du gaz de température inférieure.
Les figures 5 et 6 montrent respectivement un tel couplage en parallèle et en série de deux échangeurs de chaleur situés dans le circuit de gaz principal en des dispositions représentées à titre d'exemple, ces figures étant dérivées de la fig.l, donc, leurs organes communs sont repérés par les mêmes références que ceux de cette dernière figure. Suivant la figure 5, tant le gaz à réchauffer quittant le compresseur 1, que le gaz détendu à refroidir, quittant la turbine 4, sont conduits à travers les échangeurs de chaleur 10 et 10', leurs quantités étant divisées.
Notamment, à travers l'échangeur de chaleur, le gaz est conduit au moyen des conduites ayant la disposition connue de la figure 1 et à travers l'échangeur de chaleur 10' au moyen des tuyauteries 8' et 9' branchées respectivement sur la tubulure de refoulement 8 du compresseur et sur celle d'amenée 9 de la turbine. Le gaz détendu, quàttant l'échangeur de chaleur 10, après avoir transmis sa teneur en chaleur, échappe directement à l'extérieur à travers l'orifice 23, tandis que l'échangeur de chaleur 10' est relié avec le gazogène 18 similairement à'la disposition de l'échangeur de chaleur 10 de la figure 1, en ce qui concerne le chemin du courant du gaz détendue donc, dans son orifice de sortie 23t est monté le ventilateur aspirateur 25.
Contrairement à cette disposition des régénérateurs en parallèles, dans la disposition série de la figure 6, une partie de la quantité de gaz comprimé traversant le régénérateur 10 est conduite aussi à travers le régénérateur 10", ensuite en s'unissant avec la quantité de gaz traversant uniquement le régénérateur 10, il est amené à l'orifice d'amenée de la turbine, tandis q'une partie de la Quantité de gaz quittant la turbine 4 passe directement seulement par le régénérateur 10. L'autre partie, après avoir passé partiellement par le gazogène 18, suivant la disposition
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de la figure 1, traverse d'abord le régénérateur 10" et ensuite-en rejoignant la quantité de gaz détendu, traversant feulement le régénérateur 10- ce dernier régénérateur encore.
Le ventilateur 25, provoquant la dépression nécessaire pour la production du gaz, est monté, dans ce cas également, dans la conduite de sortie de l'échangeur de chaleur 10" en relation directe avec le gazogène 18.
Grâce à un tel groupement des régénérateurs, on peut assurer que parmi eux ce ne soit qu'un seul, notamment, celui qui est en relation directe avec le gazogène 18 (le régénérateur 10' ou 10") qui est soumis dans une mesure appréciable à l'effet de suie des produits de combustion, en conséquence duquel, pour ce dernier régénérateur il faut prévoir la possibilité de nettoyage approprié( le régénérateur 10 suivant la figure 5 n'est pas du tout soumis aux produits de combustion). Dans la disposition de la figure 6, le régénérateur 10 est de basse température , tandis que le régénérateur 10" est de haute température ; par suite de la disposition représentée, la quantité de gaz qui passe par ce dernier est inférieure à celle qui passe par le régénérateur 10 et la chute de température y est également infénieure.
Par contre, dans la disposition de la figure 5, la valeur relative des quantités de gaz traversant les régénérateurs 10 et 10' dépend de l'ajustement de la section libre des clapets de passage insérés dans les tuyaureries de gaz et les minima des températures des deux régénérateurs sont identiques, tandis que le maximum de la température dans le régénérateur 10 est inférieur à celui du régénérateur 10'.
Il va sans dire qu'en dehors de ces exemples, on peut aussi adopter des régénérateurs d'un nombre supérieur à deux, et, de façon générale, des régénérateurs en une autre combinaison.
Naturellement, on peut aussi utiliser des régénérateurs de tout autre système, déviant des dispositifsdécrits. Aussi peut-on appliques un compresseur ou une turbine dont l'éxécution ou le système dévie respectivement de ceux du compresseur ou de la turbine représentés sur les figures. Ainsi, par exemple, on peut utiliser une turbine ou un compresseur de passage radial. En raison de son rendement élevé, l'emploi du compresseur connu en soi-même, dans lequel l'effet de froctement sur les surfaces des parois du stator et du rotor guidant le courant est éliminé en ramenant la couche limite fatiguée, collée à la surface, à des zones d'une pression inférieure, présente un avantage particulier.
Un tel compresseur est représenté sur la figure 1, où dans le stator 2 la couche limite fatiguée est ramenée à travers les caniveaux 133, 134 en amont d'un étage d'une pression inférieure, où, en rentrant dans l'espace de travail, par suite de la chute de pression disponible, elle
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acquiert de nouveau la vitesse convenable, Dans le rotor, le renouvellement de la couche limite au moyen de caniveaux de retour similaires représentés sur la figure, s'effectue de la même manière.
De préférence, on peut aussi adopter le refroidissement du compresseur (par exemple, par indection d'eau), de même que le réglage du débit d'air du compresseur (lors du réglage de la puissance) par étranglement ou par d'autres moyens , par exemple par le déplacement angulaires des aubes,
Revendications :
1.
Procédé d'exploitation pour installations mécaniques comprenant un compresseur, une turbine à gaz et un échangeur de chaleur (ou échangeurs de chaleur) inséré entre les deux machines précitées, caractérisé par ce que l'introduction de la quantité de chaleur, nécessaire pour entretenir l'exploitation, dans l'agent de travail est opérée entièrement ou partiellement par la combustion, ayant lieu dans l'agent de travail après l'échappement de la turbine et par la transmission de la quantité de chaleur ainsi obtenue, dans l'échangeur à l'agent de travail frais préalablement comprimé dans le compresseur.
2. Procédé d'exploitation suivant 1.,caractérisé par ce que la combustion du combustible est opérée partiellement pendant la détente ayant lieu dans la turbine, c'est-à-dire après que l'agent de travail ait parcouru certains étages de détente de la turbine, pendant la détente.
3. Procédé d'exploitation suivant 1., ou 2., caractérisé par ce que la combustion-du combustible a lieu partiellement avant l'introduction de l'agent de travail frais dans la turbine,
4. Procédé d'exploitation suivant 2. ou 3., caractérisé par ce que l'introduction du combustible dans l'agent de travail en vue de sa combustion a lieu en amont de la turbine, c'est-à-dire entre les étages de détente de la turbine de préférence dans une chambre de combustion (ou des chambres de combustion) prévue exprès dans ce but.
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DESCRIPTIVE MEMORY filed in support of an application for a PATENT OF INTENTION PROCESS OF OPERATION FOR GAS TURBINES AND GAS TURBINES FOR THE. REALIZATION- -TION OF THIS PROCESS% .-
According to the known proposals, relating to gas turbines, the fuel is burned in the working agent of the gas turbine before passing through the turbine, therefore, before the expansion of the working agent, so that the heat developed during combustion can be turned into work while using it as much as possible.
This process has many drawbacks which are eliminated by the operating process which is the subject of the invention and by the respective gas turbine, so that at least part of the fuel to be burned in the working agent of the invention. gas turbine, is burned in the working agent of the latter after passing the turbine. This process can be used for turbines fitted with heat exchangers which
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heat the previously compressed working agent before it enters the turbine as efficiently as possible, while utilizing the heat of the working medium leaving the turbine.
If, in the case of turbines provided with such heat exchangers, the fuel is burnt - at least partially - in the working medium, after having passed through the turbine but before the heat exchanger, although the heat produced during combustion only heats the exhaust gases leaving the turbine, the heat exchanger, preferably working in opposite current, allows this heat to be transmitted to the working agent of a higher pressure, entering the turbine, in particular, from a theoretical point of view, due to the new arrangement, without particular losses, since thanks to the suitable execution and dimensioning of the heat exchanger, it is possible to ensure the practically complete transmission of the additional quantity of heat introduced into the working process downstream of the turbine,
but upstream of the heat exchanger, to the fresh working agent. So this heat is not lost, but it can do work, without combustion products having to necessarily pass through the turbine. This process, ie the gas turbine operating according to this process, has considerable advantages over the processes known hitherto, in that it also allows the use of fuels, including combustion gases, ash, etc., would exert an unfavorable influence on the parts of the turbine.
In addition, this process allows the combustion to take place in the working medium leaving the turbine, therefore, at a lower pressure - the pressure of which is normally equal to that of the atmosphere - by means of simple fires which make possible to burn even cheap inferior fuels, coal, etc. under favorable conditions.
A further advantage of this process consists in that in cases, when, in order to obtain a better efficiency, a higher power, or for other reasons, it is desired to achieve in the turbine, as far as possible, isothermal expansion or expansion, during which the introduction of heat into the working medium continues in the turbine, it is possible, without considerable losses, to partially burn the fuel after passing through the turbine, which considerably favors the achievement of the ideal isothermal expansion .
Finally, this method makes it possible to easily achieve the aforementioned expansion, accompanied by the introduction of heat, even in the case of fuels which are directly not suitable for carrying out such combustion, or including combustion gases, due to their harmful effect, do not lend themselves to passing through the turbine, in particular, so that such fuel
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-ble is partially burned after the working agent has passed through the turbine and during this combustion part of the fuel is transformed, either by distillation, or by chemical transformations, gasification, cracking, etc., so that the product obtained can be burned without any difficulty or inconvenience either upstream of the turbine, or after having passed through the turbine partially or entirely, or between the stages thereof.
In the accompanying drawings, Figure 1 shows the turbine for carrying out the operating method, by way of example, that is to say the schematic arrangement of the installation, with the hearth disposed downstream of the turbine and with continuous operation heat exchanger. Each of Figures 5 and 6 shows a variant. FIGS. 2a and 2b are the schematic plans of another exemplary embodiment in the case of the use of solid fuels and of the partial combustion carried out downstream of the turbine. FIG. 3 is the schematic plan of a subsequent example of embodiment, also in the case of the use of solid fuels, where the fuel is burned while feeding the turbine so that the gaseous components, etc. the latter are partially burned downstream of the turbine.
Finally, FIGS. 4a and 4b represent the schematic cross section of such an exemplary embodiment, where we have provided a heat exchanger for non-continuous operation.
In Fig. 1 the rotor 2 of the compressor 1 assumed by way of example as axial passage, is driven by the rotor 5 of the turbine 4, also shown as axial passage, by means of the coupling 3, the other end of the shaft of the turbine connecting to the energy consumer, by means of the coupling 6. The working medium - preferably air - enters the compressor through the inlet 7 and it leaves it through the outlet port 8.
Between this outlet port and the inlet 9 of the turbine 4 is the heat exchanger 10 which, in the case of this exemplary embodiment, is of continuous operation and of an opposite current system, A the turbine outlet 11 is connected, on the one hand, to the bypass pipe 13, adjustable by means of the throttle valve 12, and the pipe 15, adjustable by means of a throttle valve 14. The pipe 15 also has the connection 17 adjustable by the throttle valve 16, this connection opening into the chamber 19 of the fireplace 18 Be lending, by way of example, to the combustion of solid fuels.
The pipe 15 is connected to the hearth 18, in particular, in the example shown, under the grid 20 thereof. Behind the fireplace, the bypass pipe 13 and the pipe 21 for the combustion gases of the fireplace, after having joined together, connect to the heat exchanger 10.
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The gas enters the heat exchanger through the supply channel 22 of the latter and it leaves it through the channel 23, in which the fan 25 controlled by the electric motor 24 is installed. The hearth 18 is the solid fuel, supplied by means of the metering valve 28 and through the door 29.
This installation works as follows:
The working agent enters the compressor 1, driven by the turbine, through the inlet port 7 of the compressor and leaves it at a pressure greater than the supply pressure, for example at a pressure 1.5 to 8 times the supply pressure, through the outlet channel 8. Then, the working medium passes through the heat exchanger 10 with opposite flow, in which it is heated to the detriment of the heat of the exhaust gases leaving respectively the turbine and the hearth, for example at a temperature of 450 to 9000 C., then, it enters the turbine 4 through the inlet port 9. Here, during the expansion, its pressure drops almost to 'to the compressor inlet pressure, while developing work.
The gas leaving the turbine through the outlet orifice 11 arrives, respectively through the pipe 15 and the bypass pipe 13, on the one hand, into the hearth 18, and, on the other hand, directly into the channel 21 leading to the heat exchanger. The gas entering the hearth causes combustion, it heats up and - as necessary - combustion continues in chamber 19, while using secondary mixing air, arriving through duct 17.
The high temperature combustion products, leaving the chamber 19, mix with the working agent supplied by the bypass line 13, in order to adjust the temperature of the gas stream heating the heat exchanger, according to the method. necessary, and they arrive in the heat exchanger 10 through the channel 21, the heat exchanger being traversed in an opposite current with respect to the direction of passage of the high pressure medium entering the turbine, while the products combustion units communicate their heat to the latter as perfectly as possible. The fan 25 establishes a certain depression in the pipe 21, that is to say in the hearth 18, so that when operating the hearth, the escape of hot gases is not to be feared, therefore, the handling of the fireplace does not present any danger.
The regulating organs 12, 14, 16, for example throttle valves, are provided for the regulation of the quantities of air necessary to satisfy the particular tasks.
This example of execution enables the variant of the process
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operating according to the invention where all the fuel is burned downstream of the turbine. In this execution, downstream of the turbine and upstream of the heat exchanger, such a hearth or combustion chamber is inserted into the current of the working medium, through which passes at least part of the working medium. work and in order to regulate the working agent passing through the combustion chamber the aforementioned regulating members, flaps, valves, etc. are inserted in the current of the working agent.
Instead of the electric motor, the fan 25 can be controlled by any other means, for example, either directly by the turbine shaft, or by a particular turbine),
In the arrangement shown in FIGS. 2a and 2b, it is not only downstream of the turbine, but also in the turbine, before the expansion and during the latter that the combustion takes place. To this solution, the discharge pipe 54 of the compressor 53 controlled by the turbine 52 is connected to the heat exchanger 55 with opposite current. After passing through the heat exchanger, the compressed gas enters the turbine through line 56.
From the turbine, the gas leaves through line 57 and it arrives, through line 59, in the furnace 60, the latter lending itself, in the case of the exemplary embodiment shown, to the combustion of solid fuels, so that the fuel is partially burnt and partially gasified or distilled, etc. and at the same time it lends itself to taking the fuel thus obtained from the hearth * In the example shown, the air entering the hearth 60 through the orifices 61 moves partially upwards, while part of the fuel therein is burnt with oxygen from the air * The gases entering the space 63 from the well 62 of the hearth, are entirely burned with the secondary air arriving through line 64 and they enter heat exchanger 55 through line 65, then
after passing through the heat exchanger, they% escape through the outlet pipe 66 of the latter * Considering the part of the working agent having the exposed circuit, the operation corresponds to the prince of operation of Fig. .l * The other part of the working agent is however treated in this example of execution so that, thanks to this treatment, one can obtain a secondary fuel which can be brought back into the turbine and burned there * This second part of the working agent, saturated with the fresh air entering through the orifices 61, moves in the hearth downwards while gasifying part of the fuel. The combustible gases or the vapors of the combustible materials thus produced are through the channel 67 located below the grate.
The filter
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or purifier 102 (Fig.2) is intended to remove the impurities contained in the gas. From here the gas arrives, through conduits 103 and 104 in the opposite flow heat exchangers 68 and 105, provided for this branch of the flow and in the heat exchanger 68 it communicates its heat to the compressed gas leaving. the compressor. Line 106, connected to the discharge line 54 of the compressor, connects to the inlet line 107 of the heat exchanger 105, while the line 108 of the heat exchanger returns the incoming air through the heat exchanger. pipe 107, heated by gas, through the connection to pipe 56, in the current directed to the turbine.
If the regulator 110, located in the pipe 103, is completely closed, the gas arriving through the pipe 67 passes through the heat exchanger 105 in its entirety and is cooled there almost to the final temperature of the compressor, then via line 119 It reaches this temperature in the heat exchanger 68, connected in series with the heat exchanger 105 in the direction of the gas flow.
In the heat exchanger 68 and in the purification and cooling installation 111, connected downstream of the latter, it is further cooled, and as necessary, it is also purified. cooling 111 is supplied with cooling water through line 112 and the water leaves it through line 113, After having passed the cooling installation, the gas arrives, through line 114, in compressor 70, controlled by the electric motor 71 or by any other means, where appropriate, directly by the turbine. In the compressor the gas pressure rises at least to the value which prevails at the point of the working process, that is to say of the turbine 52, where it is intended to introduce the gas.
The gas leaving the compressor 70 is heated by passing through the heat exchanger 68 with opposite current and then it arrives, through the connections 73, 73 'of the pipe 72, in the combustion chambers arranged respectively upstream of the turbine and between the floors of it. In the exemplary embodiment shown, upstream of the turbine and downstream of a part of the latter are the combustion chambers 48, 49, into which open in several places, the fuel feed burners 50 and 51. The combustion chambers are designed so that part of the turbine working medium enters them and the fuel introduced is burnt there.
The combustion can propagate even in the turbine and it is also possible that the combustion is not fully completed q @@ after passing through the turbine, which allows to establish in the turbine an expansion linked to the introduction of heat. The regulating valves 110 and 116 are intended for adjusting the part of the gas leaving the combustion chamber via the
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pipe 67 and passing through the heat exchanger 105, while the control valve 109 is provided to regulate the quantity of compressed air passing through the heat exchanger 105.
A portion of the gas enters, through the pipe 59 connected to the pipe 57 and then through the pipe 74 connecting to the pipe 59, into the jacket 75 of the fireplace 60, in order to reduce heat loss in the fireplace, then, after passing through the jacket, it joins the current from the gutter 65, through the pipe 76, connecting to the jacket. To pipe 57 is connected the bypass line 77, in which, by means of the regulating members, valves or valves, etc. 78,79, arranged in the path of the working medium of the turbine, the quantity of l The working agent, brought to the hearth, can be regulated according to the load of the machine, etc. The regulating valve 80 is provided to regulate the quantity of the secondary mixing air and the valve 81 to regulate the quantity of gas crossing the fireplace liner.
The fuel is brought into the hearth space through the door 82, the filling well 84 and the valve 83. The handling of the hearth is greatly facilitated by the fact that there is no overpressure, since the fan 86, controlled by the electric motor 85 or by any other means, exerts a suction effect therein:
In order to prevent excessive heating of the gas passing through the hearth 60, preferably, water or steam is also introduced into the hearth. For this purpose, the tubular snake 117 is provided, which, to this exemplary embodiment is arranged in the exhaust gas pipe; however, it can be placed anywhere.
This heating snake which can also be executed as a simple heating tank, so that its vapor space is connected to the pipe, is crossed by 1 $ water which vaporizes there and arriving by the pipe 118, mixes with the air arriving at the hearth. Thus water vapor is brought to the hearth and this vapor, by dissociating in the combustion chamber, reduces the temperature therein.
Part of the gas produced can be burned in the space 63, upstream of the heat exchanger 55 and the other part which leaves through the pipe 67, is burned in the manner described above *
The installation described can also be operated in such a way that for the supply line 107 of the heat exchanger 105, absorbing the heat of the combustible gas, leaving the hearth, the compressed air is not taken from the connection 106, but the pipe 107 is connected to the pipe 120, while closing the branch 106. In this case, it is already the air having passed the heat exchanger 55, therefore, strongly heated, which will enter the heat exchanger. heat 105
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through the pipe 120, so that the temperature of the compressed gas entering and leaving the heat exchanger 68 will be higher.
This process may be favorable from the point of view of gas combustion and for this purpose the quantity of compressed air passing through the heat exchanger 105 may be adjusted by means of the regulator 124. However, it is possible to adjust regulate the temperature of the combustible gas leaving the heat exchanger 68 through the pipe 72 by adjusting the control valves 110 or 116. The installation described can also be carried out and operated so that the channel 65 is closed entirely to the by means of the throttle valve 115 or by any other means, so that only material, combustible gas, is taken from the hearth 60, so that the latter will function as a gasifier.
In this case, the pace of the working process is such that the combustion propagates from the turbine, through the channels 57,77, partially still in the heat exchanger as well and ends in the latter.
In the latter case, it is particularly advantageous to introduce water vapor into the combustion zone in the manner and for the purpose known in the field of gasifiers. This will be even more justified for the device described, because the fresh air entering it is also at an elevated temperature of about 350 to 500 C. and thus it is even more necessary to prevent the overheating of the fireplace. . As combustible gases leaving hearth 60 through line 67, liquid or combustible material would condense during cooling of the gas in heat exchangers 105 and 68, the discharge of these materials can be effected through the pipe 121 or 122 by means of the pump 123 of any system.
The fuel thus obtained can be introduced into the aforementioned combustion chambers 48 and 49 and burn there by means of suitable devices.
The example of execution described is intended for the realization of such an alternative of the operating method forming the subject of the invention, in which part of the fuel is burned in a furnace through which at least part of the gas passes 'working agent and disposed downstream of the turbine, it produces combustible gases, that is to say a combustible material by gasification, distillation, cracking, etc. .. it is brought upstream of the turbine or after the stages of the turbine, where appropriate, in particular combustion chambers, where combustion takes place. By thus returning the fuels obtained in the furnace by distillation, gasification, etc., in the turbine, an expansion can be achieved there connected with the introduction of heat.
From the point of view of the expansion in the turbine attached to the intro-
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-duction of heat, -which is favorable for several reasons- thanks to the execution of the combustion chambers, that is to say to the mode of introduction of the fuel, it is in fact possible to obtain that the combustion of the fuel continues hung the passage through the turbine.
Now, given that the passage through the turbine requires' only a very short time, about 1/100 second, it would be very difficult to regulate the combustion in the turbine so that it is already finished when leaving the turbine. the turbine, The method constituting the object of the invention, according to which combustion can continue even after passing through the turbine, considerably facilitates the achievement of the expansion linked to the introduction of heat *
Deviating from the described execution of the furnace 60, it is still possible to use combustion, distillation or gasification plants, of different execution which must be chosen taking into account the fuel and other requirements.
Since the fuel feed members 50, 51, connecting to places on the turbine, having different pressures, instead of the compressor 70 and the heat exchanger 68, several can be used depending on the requirements. different pressures, in this case these devices operate in parallel.
In the exemplary embodiment shown in FIG. 3, part of the compressed gas leaving the compressor 88, driven by the turbine 87, through the pipe 89 and passing through the heat exchanger 90, enters the hearth 94 in a quantity determined by the regulating members 91, 92, through the duct 93 a part of the fuel being burnt in the hearth 94, while the other part is gasified, distilled, etc. there. The gas supplied to the hearth , on the one hand, partially heated as a result of the combustion, arrives at the inlet pipe 96 of the turbine through the pipe 95 and the scrubber 125, and on the other hand it is fed with the combustible products , obtained from the primary fuel through line 97, scrubber 126 and then through line 98 to burners 99.99. The relaxed gas,
leaving the turbine arrives at the inlet of the heat exchanger 90 through the channel 100, then it leaves the heat exchanger through the outlet channel 101. In this variant embodiment, it It is also useful to introduce water vapor into the fireplace.
It is for this purpose that the water tank 127 is arranged around the pipe
93, being fed through pipe 128. From the vapor space of this tank. the vapor produced enters the combustion chamber of the fireplace through pipe 129.
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In this execution it is also possible to execute the furnace so that it functions only as a gasifier, while burning the gas produced in the turbine or partially after the turbine in order to obtain the expansion connected to the introduction of heat. . In this case, upstream of the turbine, a furnace is used through which the working agent passes, in which the fuel is partially burned and partially subjected to gasification, etc. and the fuel gas produced, that is to say say the combustible material, is burned at least partially either upstream of the turbine, or during the partial passage of the stages of the turbine, or after this passage, while another part of the gas or of the fuel is not entirely burned only after passing the turbine, finally upstream of the heat exchanger.
The purpose of this arrangement is that in the case of such a fuel, the direct combustion of which in the turbine does not make it possible to achieve in the turbine the expansion connected to the introduction of heat, thanks to the gaseous fuel obtained by the gasification route , distillation, etc. .., such an expansion can be achieved, in particular, so that the combustion can be continued even downstream of the turbine.
In the embodiment shown in Figures 4a and 4b, between the turbine 30 and the compressor 31 controlled by the turbine, that is to say between the outlet pipe 32 of the compressor and the supply pipe 33 of the turbine, is inserted the regenerative heat exchanger 34, also in opposite current and operating intermittently. In the exemplary embodiment shown, this heat exchanger comprises three units (35, 35t and 35 ") each of which is provided, on the cold side, with controlled supply members 36, 36 ', 36 and ordered output 37, 37 ', 37 ". On the hot side of the regenerator there are also controlled supply and output members, in particular the supply members 39, 39 ', 39 "and the output members 38, 38t and 38".
In the execution shown by way of example, these members (valves) are controlled by the cams arranged on the camshafts 41, 41 '. The camshafts are driven by the electric motor 42, on the one hand, directly and, on the other hand, via the transmission 43.
Inside each of the heat exchanger units, preferably parallel with the direction of the flow, are metal sheets, the mutual distance of which is as small as possible (0.1 to 5 mm. Preferably., less than 2 mm.) in order to increase heat transmission.
Perpendicular to the direction of the current, the heat exchanger units are divided into sheet bundles by means of air gaps, in order to prevent
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-Keep the heat conduction from one end (hot end) to the other end (cold end) of the regenerator as far as possible. Instead of metal sheets, however, it is possible to use, as heat accumulating material, metal screens or another large surface layer, metal or of other material, for example gravel, comprising air chambers. The fresh, compressed working medium is supplied to the regenerator through the supply channel 32 ', communicating with the anteroom of the inlet valves 36, 36', 36 ".
On the hot side of the regenerator, gas exits through the gutter
44 communicating with the anteroom of the exhaust valves 38, 38 ', 38 ". To the exhaust pipe 45' of the turbine is connected the channel 46, through which the hot gas, leaving the turbine, arrives in the anteroom to the regenerator inlet ports 39, 39 ', 39ë The cooled exhaust gas leaves the regenerator through the heat exchanger units 35, 35', 35 "and the tank. 47 communicating with the antechamber of the exhaust valves 37, 37 ', 37 ".
In the execution shown by way of example, upstream of the stages of the turbine or between the stages of the latter, there are the combustion chambers 131,132 into which the burners, sprayers, etc. of 'emerge in several places. fuel supply 73 and 73 '.
This device works as follows:
The compressor sucks the gas - for example air - through its supply pipe 52 and delivers it after compression, through the pipe 32 and the channel 32 'in the section of the heat exchanger, operating periodically. , of which the intake valve 36 is just open. In the meantime the exhaust valve 38 of this same heat exchanger unit is also opened, so that the gas passes through the heat exchanger unit in the direction of arrow I and enters the turbine through the inlet pipe 33. Passing through the regenerator, the compressed gas heats up.
The gas leaving the turbine enters the working chamber of the regenerator through the channel 46 and the supply valve 39 just open, and leaves it through the exhaust valve 37 is simultaneously open and by the outlet channel 47. The gas then passes through the heat exchanger in the direction of arrow II, while cooling.
By means of controlled valves, the heat exchanger units are periodically switched, so that the passage takes place alternately either in the direction of the arrow
I, or in that of arrow II * Thus while in some of the units the passage takes place in the direction of arrow I, in the other group of units the
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passage takes place in the direction of the arrow Il *
Due to the correct execution of the heat exchanger, it is possible to heat the compressed gas supplied to the turbine, almost to the temperature of the expanded gas leaving the turbine, using the heat of the latter * The compressed gas supplied to the turbine by the supply pipe 33, passing through the turbine, develops work, while relaxing.
By using the combustion chamber 131, that is to say the sprayers or burners 73, it is possible to introduce fuel into the gas, before it enters the turbine, that is to say before the expansion. , or in the case of the appropriate adjustment of the combustion, during the expansion. The subsequent introduction of the fuel, that is to say of the subsequent heat after the partial passage through the turbine, can be done by means of the atomizers or burners 73t disposed in the combustion chamber 132. In any case, however , the combustion adjustment is such that when the turbine exits it is not yet complete, but it propagates into the valve anteroom 39.
Naturally there is no disadvantage that the heat exchangers of periodic operation, used in this last example, are also adopted in the arrangements according to the preceding examples.
In the devices described, it is essential that the heat exchanger, whose operation is either intermittent or continuous, operates with reduced losses, because it is only in this case that the heat introduced in downstream of the turbine in the fresh working medium of a higher pressure, without appreciable loss of efficiency.
For this purpose, the heat exchanger with opposite current, of continuous operation, described in the preceding examples, lends itself par excellence, if the mutual distance of the sheets separating the working chambers of the transmitting and receiving agents of heat is small (less at 5mm.). As used according to the latter example, on the one hand, for the mentioned reason and, on the other hand, so that the so-called pressure losses, occurring during the switching of the units of the heat exchanger, can be reduced, it is also essential that the mutual distance of the sheets is very small, as mentioned, less than 5 mm. In order to reduce the amount of heat passing from the hot side of the heat exchanger to the cold side,
it is useful to provide such a shawl exchanger with at least five air gaps perpendicular to the direction of the current.
The arrangements described can also be used in arbitrary combinations and in alternatives deviating from the executions described.
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in detail only as an example. Thus, for example, it is possible to supply the hearths with solid fuels (in lumps or dust) as well as with liquid or gaseous fuels, that is to say to execute them in such a way that they are suitable. to such fuels. Likewise, it is possible to produce the fuel obtained from the primary fuel (secondary fuel), to be burned upstream of the turbine or in the turbine, by using the most diverse processes, i.e. adopting the stoves suitable for this purpose.
It is also possible (in a manner similar to the heat exchangers shown in Figure 2b) to provide in the main gas circuit several heat exchangers, connected in parallel or in series, these where appropriate, not being not crossed by the entire quantity of gas or air. The latter arrangement may be advantageous, for example, when transmitting heat from the high temperature gases obtained in the furnace to the fresh compressed working medium, before mixing the high temperature gas with the high temperature gas. lower temperature.
Figures 5 and 6 respectively show such a parallel and series coupling of two heat exchangers located in the main gas circuit in arrangements shown by way of example, these figures being derived from fig.l, therefore, their common organs are identified by the same references as those in the latter figure. According to Figure 5, both the gas to be heated leaving the compressor 1, and the expanded gas to be cooled, leaving the turbine 4, are conducted through the heat exchangers 10 and 10 ', their quantities being divided.
In particular, through the heat exchanger, the gas is conducted by means of pipes having the known arrangement of FIG. 1 and through the heat exchanger 10 'by means of pipes 8' and 9 'respectively connected to the pipe. compressor discharge 8 and the turbine supply 9. The expanded gas, quàttant the heat exchanger 10, after having transmitted its heat content, escapes directly to the outside through the orifice 23, while the heat exchanger 10 'is connected with the gasifier 18 similarly to The arrangement of the heat exchanger 10 of FIG. 1, with regard to the path of the flow of the expanded gas, therefore, in its outlet port 23t is mounted the suction fan 25.
Contrary to this arrangement of the regenerators in parallel, in the series arrangement of figure 6, part of the quantity of compressed gas passing through the regenerator 10 is also conducted through the regenerator 10 ", then uniting with the quantity of gas. passing only through regenerator 10, it is brought to the inlet of the turbine, while part of the quantity of gas leaving turbine 4 passes directly only through regenerator 10. The other part, after having passed partially by gasifier 18, depending on the arrangement
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of FIG. 1, first passes through the regenerator 10 "and then - joining the quantity of expanded gas, passing slowly through the regenerator 10 - the latter regenerator again.
The fan 25, causing the depression necessary for the production of the gas, is mounted, in this case also, in the outlet pipe of the heat exchanger 10 "in direct relation with the gasifier 18.
Thanks to such a grouping of regenerators, it can be ensured that among them it is only one, in particular, that which is in direct relation with the gasifier 18 (the regenerator 10 'or 10 ") which is subjected to an appreciable extent to the soot effect of the combustion products, as a consequence of which, for the latter regenerator it is necessary to provide the possibility of suitable cleaning (the regenerator 10 according to figure 5 is not at all subjected to the combustion products). Arrangement of Figure 6, the regenerator 10 is of low temperature, while the regenerator 10 "is of high temperature; as a result of the arrangement shown, the quantity of gas which passes through the latter is less than that which passes through the regenerator 10 and the temperature drop is also less there.
On the other hand, in the arrangement of FIG. 5, the relative value of the quantities of gas passing through the regenerators 10 and 10 'depends on the adjustment of the free section of the passage valves inserted in the gas pipes and the minimum temperatures of the gas pipes. two regenerators are identical, while the maximum temperature in regenerator 10 is lower than that in regenerator 10 '.
It goes without saying that apart from these examples, it is also possible to adopt regenerators of a number greater than two, and, in general, regenerators in another combination.
Naturally, it is also possible to use regenerators of any other system, deviating from the devices described. Also can be applied a compressor or a turbine whose execution or system deviates respectively from those of the compressor or the turbine shown in the figures. Thus, for example, it is possible to use a turbine or a radial passage compressor. Due to its high efficiency, the use of the compressor known per se, in which the effect of friction on the surfaces of the walls of the stator and of the rotor guiding the current is eliminated by bringing back the tired boundary layer, stuck to the surface, at areas of lower pressure, has a particular advantage.
Such a compressor is shown in Figure 1, where in the stator 2 the tired boundary layer is returned through the channels 133, 134 upstream of a stage of a lower pressure, where, on entering the workspace , due to the available pressure drop, it
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again acquires the suitable speed. In the rotor, the renewal of the boundary layer by means of similar return channels shown in the figure, is carried out in the same way.
Preferably, it is also possible to adopt the cooling of the compressor (for example, by indection of water), as well as the adjustment of the air flow of the compressor (when adjusting the power) by throttling or by other means. , for example by the angular displacement of the blades,
Claims:
1.
Operating process for mechanical installations comprising a compressor, a gas turbine and a heat exchanger (or heat exchangers) inserted between the two aforementioned machines, characterized in that the introduction of the quantity of heat necessary to maintain the 'operation, in the working agent is carried out entirely or partially by combustion, taking place in the working agent after the exhaust of the turbine and by the transmission of the quantity of heat thus obtained, in the heat exchanger to the fresh working agent previously compressed in the compressor.
2. Operating method according to 1., characterized in that the combustion of the fuel is carried out partially during the expansion taking place in the turbine, that is to say after the working agent has gone through certain expansion stages of the turbine, during expansion.
3. Operating method according to 1., or 2., characterized in that the combustion-of the fuel takes place partially before the introduction of the fresh working agent into the turbine,
4. Operating method according to 2. or 3., characterized in that the introduction of the fuel into the working agent with a view to its combustion takes place upstream of the turbine, that is to say between the expansion stages of the turbine preferably in a combustion chamber (or combustion chambers) provided for this purpose.
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