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Turbine à combustion interne, à combustion à pression constante.
La -présente invention se rapporte à une turbine à combustion interne (turbine à gaz) dans laquelle le combustible est brûlé sous une pression restant constante dans une chambre de combustion alimentée en air de combustion comprimé par un compresseur. Les gaz moteurs chauds agissent, après leur détente dans des tuyères à vitesse supersonique, sur un rotor à une seule couronne' et les'gaz d'échappement de la turbine cèdent de la chaleur à l'air envoyé à la chambre de combustion.
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Le rotor est mis en action de préférence à la plus grande vitesse périphérique encore admissible pour la rnatière et après la couronne d'aube du rotor on peut prévoir une couronne de diffuseur fixe.
Pour la meilleure compréhension de l'invention, une semblable installation est représentée schématiquement à la fig. 4. L'air de combustion pénètre par le tuyau d'expiration 1 dans le compresseur K et est comprimé de façon aussi isothermique que possible dans le compresseur qui est pourvu de réfrigérants intermédiaires non représentés. L'air comprimé s'écoule par le tuyau 2 dans l'échangeur de chaleur (régénérateur) R.
Dans ce dernier, la température de l'air comprimé est élevée, la tension étant constante, par la chaleur des gaz d'échappement de la turbine. Dans cet état réchauffé l'air comprimé parvient par'le tuyau 3 dans la chambre de combustion F à laquelle du combustible B est amené. Par la ,combustion, qui se fait sous la tension de l'air comprimé, il prend naissance des gaz de combustion fortement chauffés qui s'écoulent par la conduite 4 vers la tuyère de détente E. Dans cette tuyère, les gaz moteurs chau@s sont détendus avec diminution de leur température et augmentation de leur vitesse.
La vitesse ci avec laquelle les gaz atteignent la couronne d'aubes S du rotor de la turbine est transformée en tra- vail dans les aubes du rotor, dont la vitesse périphérique est u, tandis que la vitesse des gaz diminue. La vitesse restante avec laquelle les gaz sortent des aubes S du rotor est ;vantageusement transformée en pression dans le diffuseur D, de sorte que les gaz de combustion, après avoir fourni leur travail, parviennent à l'échangeur de chaleur R par la conduite 5 avec une tension qui dépasse seulement de peu la tension atmosphérique et encore avec une température relativement élevée.
Dans le régénérateur, les gaz cèdent comme on l'a déjà mentionné ae la
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chaleur à l'air de combustion comprimé par le compresseur K, et parviennent alors, détendus et refroidis, par la conduite 6 à l'air libre'dans un étaytt qui ne correspond pas complètement, il est vrai, à l'état de l'air dans la conduite d'aspiration 1 du compresseur, mais qui est très voisin de cet état.
Le compresseur K de l'installation consomme une grande partie de la puissance produite par la turbine. Par exemple pour une installation dont la turbine produit 7000 CV, il faut un compresseur d'air qui' consomme 4000 CV de sorte qu'il reste comme puissance utile seulement 3000 CV. Une amélioration du rendement de la turbine proprement dite est par conséquent d' une importance extraordinaire car elle se rapporte à la puissance brute produite par la turbine, c'est à dire dans l'exemple donné, à 7000 CV et non à la puissance utile restante de 3000CV.
On voit d'après ces considérations simples dans quelle mesure élevée le rendement de l'installation d'ensemble, c'est à dire l'effet utile avec lequel le conbustible .'employé est transformé en puissance utile mécanique, dépend du rendement de la turbine et que toute amélioration.du rendement de la turbine est d'une importance décisive pour la puissance d'ensemble.
La valeur de ce rendement de la turbine dépend de nouveau de grandeurs de fonctionnements diverses ,savoir :
1. de la chute de température qui agit lors de la transformation en travail mécanique;
2. du rendement avec lequel les gaz moteurs entrant dans les aubes du rotor cèdent leur énergie à la couronne d'aubes du rotor, que l'on appelle le rendement des aubes.
Le rendement indiqué en 1 est, suivant la thermodynamique, d'autant plus grand pour un cycle réversible que le rapport de la chute de température à la température initiale
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est plus grand. Le rendement des aubes dépend, pour une vitesse périphérique donnée de la cournnne d'aubes du rotor, de la vitesse avec laquelle les gaz moteursentrent dans l'aubage et il atteint sa plus grande valeur lorsque les gaz moteurs atteignent le rotor avec une vitesse à peu près double de la vitesse périphérique de la couronne du rotor, Le rapport : vitesse périphérique u à la vitesse d'entrée absolue c1 des gaz moteurs devra donc être environ 0,5 pour l'obtention du plus grand rendement des aubes dans un rotor à une couronne.
Si ce rapport est plus grand ou plus petit que 0,5,le rendement des aubes diminue et la dépendance de ce rendement en relation avec le rapport mentionné u/c1 a l'allure d'une parabole comme le montre la fige 1 du dessin.
Il est encore à remarquer finalement qu'un refroidissement des aubes du rotor abaisse le rendement de l'ensemble de l'installation vu qu'il enlève de la cnaleur aux gaz moteurs, en suite de quoi les gaz amenés à la chambre de combustion sont moins f ortement réchauffés.
Il résulte de ces constatations que pour l'obtention d'un rendement d'ensemble aussi élevé que possible, un refroidissement artificiel des aubes devrait être évité, le rapport de la vitesse absolue des gaz moteurs à l'entrée dans le rotor à la vitesse périphérique de la couronne d'aubes du rotor devrait être autant que possible de 0,5 et finalement on doit s'efforcer de réaliser un rapport aussi grand que possible de-la différence de température entrant en action à la température supérieure de sortie.
Comme la température inférieure Tu est fixée par la température du milieu ambiant ou de l'eau de refroidissement, le rendement est d'autant plus favorable que la température supérieure Tob peut être choisie plus élevée. La température supérieure déterminante Tob est alors pratiquement la valeur
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moyenne entre la température la plus élevée T4 qui règne devant les tuyères qui sont montées devant le rotor, et la température finale de détente T. Ceci se voit le mieux d'après le diagramme TS qui est représenté à la figure 2.
Dans ce diagramme, on a porté en abscisses l'entropie S et en ordonnées la température absolue T. L'état des gaz aux points 1 à 5, dans le diagramme représenté à la fig.
2 correspond à, l'état des gaz dans les conduites 1 à 5 de la fig. 4 décrite précédemment, on a supposé en outre, pour plus de simplicité, que l'état des gaz de sortie dans la conduite de sortie 6 est égal à l'état dans la conduite 1. La variation d'état des gaz moteurs sur le trajet de la conduite 4 à la conduite 5 ne correspond pas, il est vrai, dans ses parties, à une détente à allure constamment adiabatique. Elle peut toutefois pour une considération en principe être prise comme si la détente avait une allure-,adiabatique, c'est à dire sans apport de chaleur ni cession de chaleur.
On a représenté au diagramme TS de la fig. 2 un cycle dans lequel du point 1 au point 2 il se produit une compression de l'air aussi isothermique que possible, ensuite vient du point 2 au point 3 le chauffage de l'air par le fait qu'on lui transmet la chaleur'qui est mise en liberté par le refroidissement des gaz de combustion du point 5 au point 1.
Du point 3 au point 4 l'air est amené par introduction'de combustible jusqu'à la.température la plus élevée T pour se détendre ensuite du point 4 au point 5 adiabatiquement, tandis que la température s'abaisse à TS. Du point 5, au point 1, vient alors pour la basse tension constante, la cession, de chaleur à l'air comprimé, comme on l'a mentionné déjà.
Ce cycle 1, 2, 3, 4, 5, 1 est équivalent au cycle 1, 2,4', 4", 1. avec l'isotherme supérieure 4'-4", vu que les
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deux surfaces à peu près triangulaires et @' sont égales entre elles. Cette égalité des deux surfaces est atteinte lorsque l' isotherme supérieure 4'-4" coupe à peu près en deux parties-égales l'adiabatique 4-5. La variation d'état de 4' à 4" peut être considérée comme isotherme équivalente vu que le cycle auquel elle appartient fournit le même rendement que celui avec l'adiabatique 4-5.
Si on désigne la température de cette isotherme équivalente par Tob et celle de' l'isotherme inférieure par Tu, le rendement thermi-
EMI6.1
que = (T ob - Tu) : Tob = 1 - Tu rob
Pour cette valeur, Tu est fixée comme limite inférieure par la température du milieu ambiant ou de l'eau de refroidissement. Le rendement thermique peut par conséquent seulement être augmenté par élévation de Tob. Liais la valeur de Tob , dépend de son côté, d'après ce qui a été dit ci-dessus, de l'élévation des températures aux points 4 et 5 du diagramme TS (fig.2) et peut avec une précision suffisante être posée égale à (T4 + T5) : 2, de sorte que le rendement thermique est d'autant plus grand que (T + T ) devient plus grand. La température T5 au point 5 est limitée par la matière des aubes.
La température T4 au point 4 pourrait être rend très élevée. Il faut considérer toutefois qu'avec l'augmentation de T4 non seulement la somme (T4 + T5) augmente vu que T5 estfixe, mais également la différence (T4 - T5) et avec elle la chute de chaleur transformée en vitesse d'écoulement. La vitesse d'écoulement avec laquelle les gaz atteignent la couronne d'aubes du rotor est toutefois, comme le montre la fig.l, limitée si le rendement le plus favorable #u des aubes doit êtreatteint, par la vitesse périphérique de la couronne d'aubes du rotor, qui ne peut pas dépasser, à cause des proprietés de résistance mécaniques du rotor, une valeur maxima déterminée.
La vitesse périphérique de la couronne d'aubes du rotor et la température des aubes de rotor non refroidies étant fi-
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xées parles propriétés de la matière, il résulte de.l'explica- tion qui précède une augmentation du rendement thermique avec l'accroissement de la somme (T4 + T5). Si cette somme croît, comme T5 est fixe, la différence (T4 - T5) croit égalementet avec.elle la vitesse c1 avec laquelle les gaz moteurs atteignent la couronne d'aubes du rotor. Il n'y a par conséquent qu'une valeur déterminée (T4 - T) pour laquelle le rendement'des au- bes atteint sa valeur -la plus élevée.
Il semble évident par soi-mme de choisir la tempé- rature T devant les tuyères de détente de telle façon que ce rendement des aubes le plus 'favorable soit atteint.
La présente invention consiste au contraire préci- sément à choisir la température T plus élevée que ce qui est nécessaire pour le rendement le plus favorables des aubes. Elle est-basée sur la constatation que c'est le rendement d'ensemble qui importe et que celui-ci est le plus grand lorsque le pro- duit #u. (T4 + T5) atteint sa valeur la plus élevée. Dans ce pro- duit, est le rendement des aubes. -ou bien le rendement a la périphérie de la roue.
Si la vitess.e périphérique maxima admissible de la couronne du rotor est fixe, dépend de la vitesse cl avec la- quelleles gaz moteurs atteignent le rotor et celle-ci dépend de son côté des 'valeurs T4 et T5. Si la vitesse périphérique du milieu de la couronne d'aubes du rotor est fixée par exemple à 350 m/s et si la température finale de détente T 5 que la ma- tière des aubes peut encore supporter sans inconvénient est fi- xée à 950 abs, on peut porter pour les valeurs c1 en abscisse d'une part les valeurs #u en utilisant la fig. 1, et d'autre part la somme des valeurs T4 et T5 comme ordonnées. on peut voir à la fig. 3 que #u s'élève d'abord de façon abrupte avec l'accroissement de c1 et descend lentement après avoir atteint le maximum.
La valeur (T4 + T5) croît constamment avec l'accroissement de cl. D'après ces deux courbes ,
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on peut déterminer le produit #8. (T4 + T5) décisif pour le rendement d'ensemble et le porter dans le tableau des courbes en tenant compte des autres valeursde perte variant éventuellement.
Cette courbe est extrêmement riche en conclusions , car elle montre que le produit atteint sa valeur la plus élevée seulement pour environ c1 = 800 m/s, après que la valeur maxime de #u qui est aux environs de cl = 700 est déjà dépassée, et que la courbe pour le produit ensuite une allure extrêmement plate, de sorte que même pour une vitesse cl 1000 mis, qui est supérieure de 43% à la valeur c1 = 700 m/s, la diminution de la grandeur du produite . (T4+T5) est encore minime. Ceci signifie toutefois une augmentation de la puissance du rotor à une couronne jusqu'au double car le rendement s'élève proportionnellement au carré de la vitesse cl.
Comme le compresseur d'air doit comprimer seulement la même quantité de gaz, quoique à une tension plus élevée, et comme les quantités de chaleur à transmettre aes gaz d'échappement de combustion aux gaz amenés a la chambre de combustion et par conséquent l'échangeur de chaleur ne ueviennent pas plus grands, l'avantage est considérable. Lorsqu'il s'agit d'atteindre le rendement le plus élevé de l'installation d'ensemble, on prendra pour la vitesse de sortie cl des gaz moteurs imrs des tuyères une valeur d'environ 2,3 fois la vitcsse péri- ôhérique moyenne u des aubes du rotor.
S'il importe au contraire d'établir avec une dépense aussi minime que possible une installation d'un bon débit, on dépassera, sans trop grandes pertes de rendement, considérablement cette valeur de la vitesse ae sertie c1 et on pourra aller jusqu'à 3,3 fois la vitesse poriphérique moyenne u de l'aubage du rotor.
Il reste encore à faire remarquer que dans des turbines à explosion on a déjà employé des vitesses cl avec lesquelles les gaz moteurs atteignent le rotor qui étaient considérablement au-dessus du double de la vitesse périphérique de la
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couronne du rotor, par exemple cl = 1500 m/s pour u = 200 mis, correspondant à.u : c1 = 200 : 1500 = 0,133,. Ceci ne pouvait pas avoir un résultat favorable vu que la valeur #u.
(T4 + T5) est déjà très fortement abaissée pour une aussi petite valeur de u/c1 et vu qu'en même temps les autres conditions qui doi- vent être remplies suivant la présente invention n'étaient pas réalisées, car le rotor n'était pas à une couronne mais à deux couronnes ; la température finale de détente admissible sans refroidissement des aubes était dépassée, de sorte que les au- bes devaient être refroidies d'une manière provoquant des per- tes ; à. cause du processus d'explosion, la chute de chaleur va- riait constamment avec la tension décroissante dans. la chambre d'explosion tandis que les tuyères de détente, qui sont in- tercalées devant la couronne du rotor ne.peuvent posséder la configuration la plus favorable que pour une chute de chaleur déterminée ;
une transmission de chaleur des gaz d'échappement aux gaz amenés à la chambre de combustion manquait.
Les avantages qui peuvent être produits par la pré- sente invention dans une turbine à combustion à pression cons- .tante ne pouvaient donc pas se produire dans la turbine à ex- plosion.
Dans une turbine à combustion suivant la présente invention, il est à recommander de donner, aux aubes de la cou- ronne du rotor une configuration telle..qu'il se produit --encore dans celle-ci une petite chute de, pression, en suite de quoi on obtient que l'augmentation de température des gaz lors du passage dans l'aubage du rotor est plus minime. Dans le cas li- mite, pour une étanchéité suffisante durotor à la périphérie, la chute de.,pression dans les aubes du rotor peut être choisie de telle façon que les gaz sortant de la couronne d'aubes du rotor ontà peu près la même tempérautre que ceux entrant dans celle-ci, de sorte que les aubes sont soumises dans le sens de l'écoulement des gaz à une température restant constante.
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La nature du combustible etla manière Gent la chaleur est transmise aux gaz amenés à la chambre de combustion sont indifférentes pour la présente invention pour autant que la condition de la combustion à pression constante soit remplie.
REVENDICATIONS.
1.- Turbine à combustion interne (turbine a gaz) dans laquelle le combustible brûle dans une chambrede cornbus- tion alimentée en air comprimé par un compresseur, la combustion se faisant à une pression approximativement constante, les gaz moteurs ainsi chauffés agissent, après détente dans des tuyères à vitesse supersonique, sur un rotor à une seule couronne, et les gaz d'échappement de la turbine cèdent de la chaleur à l'air comprimé ou au combustible gazeux à amener à la chambre de combustion, caractérisée en ce que dans les tuyères de détente on transforme en énergie d'écoulement une chute de chaleur de grandeur telle que la vitesse de sortie des gaz hors des tuyères atteint de 2,3 à 3,3 fois la vitesse périphérique moyenne des aubes du rotor,
et en ce que la température de sortie des gaz des aubes du rotor, sans refroidissernent spécial des aubesne dépasse pas la température d'aubes encore admissible pour la sollicitation régnant des aubes par la force centrifuge.
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