<Desc/Clms Page number 1>
MEMOIRE DESCRIPTIF à l'appui d'une demande de BREVET D'INVENTION "DISPOSITIF POUR INSTALLATIONS DE TURBINES A GAZ"
La présente invention s'applique aux installations de turbines à gaz servant, par exemple, à produire de l'énergie mécanique ou électrique, ou encore à fournir, soit de l'air comprimé pour la suralimentation de machines à. combustion interne, soit de l'air de combustion ou d'autres gaz sous forte pression pour les chaudières à combustion sous pression, ou pour certains procédés de fabrication chimiques. De telles installations de turbines à gaz comprennent une turbine à. gaz et un compresseur entraîné par
<Desc/Clms Page number 2>
la turbine à gaz.
L'agent moteur de la turbine à. gaz est un fluide qui est mis sa,us pression dans le compresseur et qui est ensuite amené à la turbine à gaz, soit directement, soit sous forme de gaz d'échappement, après avoir effectué un certain cycle de travail ou de chauffage. Pour augmenter l'économie ou le rendement de semblables procèdes de suralimentation, il est nécessaire d'employer des pressions relativement élevées (1 à 3 Kg/cm2 et au-dessus). Les compresseurs doivent donc produire des pressions élevées at la turbine à gaz doit pouvoir utiliser de grandes chutes de chaleur.
Comme il s'agit, dans la plupart des cas, de grands volumes de gaz, on ne peut envisager que des turbo-machines. Le fonc- tior,nement d'ensemble de turbo-compresseurs et de turbines qui sont, non seulement accouplés mécaniquement, mais encore reliés par leurs circuits de gaz, peut bien être obtenu, comme le montrent les expériences actuelles dans la calcul de semblables machines, pour un point de fonctionnement déterminé, c'est-à-dire, par exemple, pour un débit, une pression et une vitesse déterminés, mais ce fonctionnement d'ensemble peut devenir plus difficile lorsque, par exemple aux faibles charges où la pression, les températures, etc... varient, une des grandeurs caractéristiques vient à être modifiée.
On est alors obligé d'avoir recours à des dispositifs de réglage particuliers pour adapter le compresseur, la turbine à gaz, ou ces deux machines simultanément, aux conditions variables de fonctionnement. Parmi ces dispositifs de réglage, on peut mentionner des diffuseurs réglables ou des dispositifs d'étranglement sur le compresseur, et des organes d'admission réglables sur la turbine à gaa. Tous ces dispositifs sont coûteux, d'un fonctionnement incertain, et sont avant tout difficiles à exécuter dans le cas da la
<Desc/Clms Page number 3>
turbine à gaz, dont les gaz moteurs atteignent des températures élevées.
L'objet de la présente invention est un dispositif pour installations de turbines à gaz du type qui vient d'être décrit, grâce auquel il est possible d'obtenir, d'une manière simple, un fonctionnement d'ensemble parfait et économique du compresseur et de la turbine à gaz dans toutes les conditions de service. Ce dispositif consiste en ce que la turbina à gaz aussi bien que le compresseur sont munie de prises supplémentaires qui permettent de relier des étages intermédiaires du compresseur avec d'autres de la turbine à gaz.
Les endroits où sont ménagées ces prises supplémentaires, sur le compresseur et sur la. turbine à. gaz, sont choisis de telle sorte que, quelle que soit la charge, ou au moins jusqu'à une charge déterminée, la. pression à l'endroit où s'effectua la prise sur le compresseur soit supérieure ou au moins égala à la pression à l'entrée de la canalisation da raccordement dans la turbine à. gaz. Le plus souvent, la simple liaison de la turbine et du compresseur suffit à obtenir le résultat cherché sans qu'il soit nécessaire d'avoir recours à des mesures supplémentaires . Mais on peut également disposer de simples dispositifs d'étranglement, des clapets de retenue ou des appareils analogues dans la conduite de raccordement, pour assurer un fonctionnement d'ensemble économique dans toutes les circonstances.
Sur le dessin annexé, la Figure 1 représente schématiquement en coupe, à titre d'exemple, une installation de turbines à gaz conforme à la présente invention. 1 désigne le compresseur qui aspire, de l'air par exemple, en 2, le comprima, et le refoule en 3. 4 désigne la turbine à gaz avec ses brides d'admission de gaz 5 et d'échappement 6. Les ai- lettages du compresseur et de la turbine à gaz sont désignés
<Desc/Clms Page number 4>
respectivement par 7 et 8. Les prises supplémentaires 9 et lu du compresseur sont reliées par les canalisations 11 et 2 a deux points 13 et 14 de la turbine à gaz. Les emplacements des prises et des admissions sont choisis de telle sorte que la pression soit égale aux deux extrémités des canalisations de raccordement en service normal, de sorte qu'aucun fluide ne circule dans les canalisations.
Si le fonctionnement s'écarte du point normal, il peut se produire des condi- timns de fonctionnement telles que celles qui résultent des Figs. 2 et 3. La Fig. 2 concerne le compresseur, la Fig. 3 la turbine à gaz. Dans les conditions normales de fonctionnement, c'est-à-dire pour la vitesse, le débit d'air et le débit de gaz moteur pour lesquels sont calculés la compres- seur et la turbine à gaz, la variation de la pression le long du rotor du compresseur est représentée par la courbe 1 - 2 - 3 et celle de la turbine à gaz par 3' - 4 - 5. Par *variation de pression* on entend toutefois ici non pas la pression absolue produite, mais l'augmentation relative de pression servant à. produire la pression finale 0 - 3.
Le rapport de compression et le rapport de détente de chaque étage particulier sont donnés par la pente de la courbe 1 - 2 - 3 ou 3' - 4 - 5, suivant le cas. Si, maintenant, la pression dans l'installation vient à varier pour une raison quelconque, si elle diminue, par exemple, parce que la résistance entre le compresseur et la turbine à gaz a diminua, ou bien parce que la charge a fortement diminué, l'allure de la pression dans le compresseur ne suit plus la courbe 1 - 2 - 3, comme dans le cas normal, mais une courbe telle que 1 - 6 - 3, c'est-à-dire que les premiers étages fournissent une pression relativement plus élevée, tandis que le rapport de compression diminue dans les derniers étages.
Il en résulte que le compresseur
<Desc/Clms Page number 5>
s'éloigna de la zone de bon rendement, que ses premiers étages s'approchent de la limite de pompage, et que le bon fonctionnement est troublé. Au contraire, c'est l'inverse qui se produit dans la turbine à gaz en ce qui concerne la répartition des pressions. Les premiers étages effectuent la plus grande partie de la détente, tandis que les derniers étages tournent à vide (courbe 3' - 7' - 5 de la Fig. 3). Les conditions de vitesse du fluide en mouvement ne correspondent plus, en aucun endroit, avec le tracé des ailettes qui ne peut être prévu que pour un fonctionnement déterminé, et par conséquent le rendement diminue.
Si alors, conformément à l'invention, certains étages du compresseur sont reliés à certains étages de la turbine à. gaz, il se produit une égalisation qui améliore notablement le fonctionnement.. Comme la. pression dans le compresseur s'est élevée de 2 à 6(Big. 2), tandis que celle dans la turbine à gaz a diminué de 4 à 7, une conduite de trop-plein reliant les points correspondants donnera passage à de l'air s'écoulant du compresseur vers la tubine à gaz. La volume d'air qui traverse les premières rangées d'ailettes du compresseur augmente donc, ce qui a pour effet de diminuer le rapport de compression, de remplir les canaux entre ailettes et de rapprocher à nouveau le point de fonctionnement du point normal.
Du coté de la turbine à gaz, l'admission supplémentaire d'air produit inversement une augmentation de pression qui a pour conséquence une dimi- nution de la. détente dans les premiers étages et une augmentation de la chute dans les derniers. La compensation s'effectue automatiquement dans la plupart des cas et, moyennant un dimensimnement convenable de la section des orifices de trop-plein, on peut se dispenser de tout réglage supplémentaire.
Cependant, pour faciliter le dimensionnement des orifices de trop-plein, ou pour pouvoir faire varier les con-
<Desc/Clms Page number 6>
ditions de fonctionnement dans le cas de conditions de service spéciales, les conduites de trop-plein peuvent âtre munies d'étranglements, de clapets de retenue, ou de soupapes de réglage commandées. Ces dispositifs sont représentés en 15 et 16 à la Fig. 1. Sur cette Figure, on a admis que les canalisations entre le compresseur et la turbine & gaz ne sont pas interrompues.
Le fluide prélevé sur le compresseur peut toutefois, avant d'arriver à la turbine, être amené aux dispositifs en vue desquels l'installation est construite, en particulier à une chaudière à combustion sous pression, à des appareils de chimie, etc.o
Le fluide arrivant à la turbine à gaz peut âtre de ce fait, ou grâce à un apport particulier de chaleur ( en vue d'amener sa température à une valeur voisine de la température des gaz dans la turbine à gaz) porté à une certaine température. Pour réaliser dans ce cas la compensation désirée malgré la variation de débit qui en résulte, on peut utiliser avantageusement les dispositifs de réglage 15 et 16 qui rendent possible l'adaptation du débit en fonction des variations de température.
Le groupe est muni, dans la plupart des cas, d'un moteur auxiliaire, par exemple d'un moteur électrique (17 Fig. 1) qui sert à la mise en marche, à obtenir des accélérations ou des ralentissements plus rapides au cours du réglage au à compenser des différences éventuelles de puissance entre le compresseur et la turbine à gaz. Si l'installation sert uniquement à produire de l'énergie, ce moteur auxiliaire 17 est constitué par l'alternateur principal.
S'il s'agit d'une installation dans laquelle le fluide fourni par le compresseur est utilisé à des fins de chauffage (chaudières à combustion sous pression) ou pour des opérations chimiques, et dans laquelle
<Desc/Clms Page number 7>
la turbina à. gaz est alimentée par les gaz d'échappement encore à. haute pression de ces dispositifs, la machine peut fonctionner alternativement en génératrice ou en moteur.
Si le groupe de turbina à gaz sert à. la suralimentation de moteurs a combustion interne pouvant fonctionner indépendamment par eux-mêmes, le moteur auxiliaire est supprimé totalement.