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PERFECTIONNEMENTS AUX TURBINES A GAZ FONCTIONNANT EN GROUPES.
On a déjà proposé des turbines à gaz où le groupe constituant la partie turbine de l'installation consiste en au moins deux turbines ou groupes de turbines, indépendants l'un de l'autre au point de vue mécanique, un de ces groupes commandant le compresseur ou les compresseurs destinés à la compression de l'agent de travail, tandis que l'autre groupe de turbines, branché en série avec le premier, est principalement destiné à porter la charge utile. Ces ins- tallations présentent l'inconvénient que, par exemple dans le cas d'une turbine "primaire" entraînant le compresseur et d'une turbine "secondaire" portant la charge utile, les conditions d'exploitation des 'deux machines ne peuvent pas être rendues indépendantes les unes des autres mais, de façon générale, tout changement dans le fonctionnement d'une unité réagit sur celui de l'autre.
En examinant de près cet effet mutuel, il est tout d'abord évident que la turbine primaire doit fournir la puissahne justement nécessaire pour
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entraîner le compresseur et les machines auxiliaires éventuelles, etc... tandis que le reste du travail obtenu de l'agent doit être développé par la turbine secondaire, Ici, la turbine primaire et la turbine secondaire ont toutes deux des caractéristiques "chute de pression-vitesse" différentes suivant leurs différentes destinations;
en supposant une quantité constante du gaz amené, ceci signifie que dans le cas d'une variation de vitesse, la chute de pression utilisée dans la turbine varie généralement aussi et notamment en raison de la solution adoptée et principalement du fait de l'angle d'attaque des aubes, dans le cas de variation de vitesse de sens donné (par exemple diminution) la chute de pression augmente ou diminue également. Dans le cas d'une seule turbine indépendante, qui n'est pas montée en série avec une autre turbine, pour une chute de pression donnée, l'effet de la caractéristique se manifeste en ce que dans le cas d'une variation de vitesse, la quantité de gaz utilisée dans la turbine varie également en raison de la caractéristique.
Si, contrairement à ce cas, suivant l'invention, les deux turbines, d'ailleurs indépendantes l'une de l'autre au point de vue mécanique, sont branchées en série dans le courant de l'agent de travail, pour un tel système la chute de pression totale qui y est utilisée, peut être considérée comme déterminée et la quantité de gaz pas- sant par les turbines a la même valeur. Pour une puissance utile et pour une vitesse de la turbine primaire prescrites, dans la disposition suivant l'in- vention, l'agent de travail sortant de la turbine entraînant le compresseur (turbine primaire) est à une température et à une pression données.
Aussi la masse de cet agent de travail sortant pendant l'unité de temps est-elle donnée, de sorte que, dans ces conditions, la chute de pression se présentant dans la turbine primaire est généralement donnée et ainsi l'agent de travail de quanti- té invariable, sortant de la turbine primaire, devrait être utilisé dans la turbine secondaire avec une chute de pression prescrite (dont la valeur peut être obtenue en retranchant la chute de pression qui se présente dans la tur- bine primaire, de la chute de pression totale.
Cependant, vu cette dernière circonstance, il ne correspondra théoriquement à la chute de pression de la turbine secondaire, déterminable de la manière ci-dessus, qu'une seule vitesse déterminée sur la caractéristique de cette turbine ; et, dans le cas d'une forme favorable de la caractéristique, seules des déviations qui n'influencent que légèrement @@ fonctionnement pour- raient se présenter* Toutefois, de façon générale, pour la répartition prescri-
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-te de la chute de pression, à part la vitesse déterminée pour la turbine secondaire par sa caractéristique, aucune autre vitesse ne peut entrer en ligne de compte;
si, cependant, la turbine secondaire devrait toute de même marcher à une autre vitesse, la répartition de ,la chute de pression entre les deux turbines devrait aussi différer de celle qui apparaitrait/comme désirable dans les circonstances données, en vue des conditions de charge, de la maniè- re exposée ci-dessus.
En conséquence, dans des conditions qui s'écartent du régime le plus favorable admis comme point de départ, par exemple lors d'une modification non désirée de la vitesse de la turbine primaire et de la quan- tité de gaz passant par les turbines, l'ajustement du régime au nouvel étant de compensation ne serait possible que moyennant une modification de la puis- sance et une diminution sensible du rendement, D'une façon générale, on peut constater qu'à la pression et à la température données et à la vitesse pres- crite, la turbine secondaire - abstraction faite de quelques cas exception- nels - ne peut pas utiliser la quantité d'agent de travail passant par la turbine primaire avec un bon rendement.
En particulier, il est difficile de coordonner les chutes de pression des turbines primaire et secondaire dans le cas où la turbine primaire fonctionnant à vitesse constante ou presque constante, la turbine secondaire doit débiter une puissance utile constante ou/presque constante à des vitesses variables.,
L'objet de l'invention réside dans un procédé de réglage et dans l'installation correspondante qui permettent de faire varier les conditions d'exploitation et les vitesses des turbines primaires et secondaires libre- ment et indépendamment l'une de l'autre avec une perte de rendement insigni- fiante.
Comme il résulte de ce qui précède, du fait de la diversité des carac- téristiques des turbines, la difficulté principale de la coordination des chutes de pression des turbines primaires et secondaires résulte de ce que la quantité d'agent de travail qui passe est supposée avoir la même valeur pour les deux turbines, Comme la chute de pression se manifestant dans la turbine peut être influencée aussi par la variation de la quantité de gaz passant par la turbine, cet inconvénient peut être éliminé, c'est-à-dire que l'obtention des avantages mentionnés est rendu possible d'une manière relativement simple en opérant l'ajustage des chutes de pression des turbines branchées en série à la valeur exigée par les vitesses et les conditions de charge momentanées ;
il suffit, dans ce but, de diminuer la quantité d'agent de travail passant
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par au moins une des turbines par rapport à la quantité totale d'agent de travail participant au cycle tout en développant du travail ; peut y arriver en dirigeant une fraction réglable appropriée de l'agent de travail par une conduite contournant la turbine mentionnée entièrement ou partiellement.
Ceci est admissible car, en particulier, si du fait de sa construction ou de sa caractéristique, une turbine fonctionne dans les conditions données, approxi- mativement à la pression voulue, et cela sans avoir recours à des conduites de contournement, l'extraction d'une fraction relativement réduite de l'agent de travail par le chemin de contournement n'entraîne aucune perte de rende- ment appréciable; de toute façon, cette diminution du rendement est sensible- ment inférieure à celle qu'on constaterait dans le cas où la turbine à gaz devrait utiliser une quantité invariable d'agent de travail, c'est-à-dire si les chutes de pression se présentant dans les turbines devaient s'ajuster à ces conditions.
Pour faire mieux comprendre l'invention, la figure 1 montre la disposition d'une variante de la réalisation du procédé. La figure 2 montre la disposition d'une telle installation qui comporte plusieurs turbines pri- maires et secondaires. La figure 3 est la coupe schématique d'une turbine, utilisable comme turbine primaire ou secondaire, munie d'une conduite de pré- lèvement, tandis que la figure 4 représente une telle disposition, où les conduites de contournement des turbines contournent les étages de pression supérieure.
A la figure 1, la conduite d'amenée 4 se raccorde à la tubulure d'amenée 3 du compresseur 1 entraîné par la turbine primaire 2, tandis que la tubulure de refoulement 5 est raccordée à la conduite de refoulement 6. Celle- ci est reliée à la tubulure d'amenée à haute pression 8 de l'échangeur de chaleur 7, représenté à titre d'exemple, tandis que la tubulure de sortie à haute pression 9 de celui-ci est raccordée au foyer 11 alimenté par le brûleur ou pulvérisateur 10. Le foyer est relié à la tubulure d'amenée 13 de la tur- bine primaire 2 par la conduite de liaison 12, tandis que la tubulure d'échap- pement 14 de la turbine communique avec la tubulure d'amenée 17 de la turbine secondaire 16 par la conduite de passage 15.
La turbine secondaire, dont l'ar- bre 18 entraîne la charge utile, est raccordée à la tubulure d'amenée à basse pression 21 de l'échangeur de chaleur 7 par la tubulure d'échappement 19 et la conduite d'échappement 20; la tubulure de sortie à basse pression 22 de @
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l'échangeur de chaleur est reliée à la conduite d'échappement 25:La conduite de contournement 23' est branchée en parallèle avec la turbine primaire 2. entre la tubulure d'amenée 13 et celle d'échappement 14 ; cette conduite 23' comporte un organe de réglage 24 susceptible d'en varier la section.
De même, la conduite de contournement 25 est branchée en parallèle avec la turbine se- condaire 16 entre ses tubulures d'amenée 17 et d'échappement 19, cette con- duite comportant l'organe 26 réglant la section. En amont de la tubulure d'amenée 17 de la turbine secondaire est insérée l'organe d'étranglement 27. tandis que l'organe de réglage 28, susceptible de régler la section, est insé- ré dans la conduite d'échappement, en amont du point où la conduite de con- tournement 25 se raccorde à la tubulure d'échappement 19 de la turbine secon- daire.
La conduite 29, avec l'organe de réglage de la section 30 qui y est inséré, est prévue pour le réglage du groupe primaire turbine-compresseur et elle crée une liaison entre la tubulure d'amenée à haute pression 8 de l'é- changeur de chaleur 7 et la conduite d'échappement 23, Ce dispositif fonc- tionne de la manière suivante :
Le compresseur 1 commandé par la turbine 2 aspire l'agent de travail par la conduite d'amenée 4 et la tubulure 3 et il le comprime à une pression supérieure, Du compresseur l'agent de travail parvient par la con- duite 6 à la tubulure d'amenée 8 de l'échangeur de chaleur 7 et après avoir passé par l'échangeur de chaleur, il le quitte par l'orifice de sortie 9.
Dans l'échangeur de chaleur l'agent de travail absorbe la chaleur de l'agent de travail fatigué sortant de la turbine secondaire. L'agent de travail ré- chauffé parvient dans le foyer 11 qu'il traverse partiellement et dans lequel il absorbe la chaleur du combustible brûlé. Ensuite l'agent de travail par- vient dans la turbine primaire 2 par la conduite de liaison 12 et la.tubulure d'amenée 13. Là il se détend partiellement et développe le travail nécessaire pour l'entraînement du compresseur, des machines auxiliaires, etc., couplés avec la turbine primaire. L'agent de travail quitte la turbine primaire par la tubulure 14 et, par la conduite 15 et la tubulure d'amenée 17, il parvient dans la turbine secondaire 16, dans laquelle il se détend encore, tout en développant le travail nécessaire pour entraîner la charge utile.
L'agent de travail quittant la turbine secondaire par la tubulure 19 et la conduite 20 parvient enfin dans l'échangeur de chaleur 7, dont il traverse la chambre à basse pression, tout en communiquant sa chaleur à l'agent de travail frais et ensuite il quitte l'échangeur de chaleur par la tubulure d'échappement 22.
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Vu que la turbine primaire doit développer juste le travail néces- saire pour la commande du compresseur et des machines auxiliaires couplées à cette turbine, il faut que dans la turbine primaire se présente une certaine fraction déterminée de la chute de pression totale disponible. Au cas où la turbine primaire, du fait de sa caractéristique et dans les conditions données (vitesse, volume de gaz passant par seconde, etc..), la chute de pression se- rait supérieure à la valeur désirée, en ouvrant l'organe d'étranglement 24 dis- posé dans la conduite de contournement 23, on fait passer une partie de la quan- tité de gaz vers l'amont de la turbine secondaire, en contournant la turbine primaire, de sorte que le volume de gaz traversant la turbine primaire diminue.
Comme, de façon générale, la chute de pression se manifestant dans une turbine diminue en raison de la diminution du volume de gaz passant par l'unité de temps, on réussit ainsi à diminuer la chute de pression dans la turbine pri- maire à la valeur désirée. D'autre part, si le cas se présentait que dans les conditions données la turbine secondaire utilisait une partie excessive de la chute de pression totale, en raison de la caractéristique de cette turbine, toit en diminuant la vitesse de la turbine primaire, on peut réduire le volume du gaz traversant la turbine secondaire en ouvrant l'organe de réglage 26 de la conduite de contournement 25, de sorte qu'on peut ajuster la chute de pression qui s'y présente à la valeur désirée.
Si l'installation de turbine à gaz fonctionne à charge fraction- nelle, on peut réduire le débit de l'installation par des méthodes très diver- ses et connues d'ailleurs. Un moyen pour opérer cette réduction consiste à laisser passer une partie de l'agent de travail comprimé par le compresseur dans la conduite d'échappement 23, tout en réduisant la quantité de combustible brûlé et en ouvrant simultanément la soupape d'étranglement 30 de la conduite de contournement 29, sans que cette fraction de l'agent de travail passe aussi par les turbines.
Si, par exemple, on ne veut pas réduire la vitesse de la turbine primaire dans une grande mesure mais si l'on désire que la turbine secondaire soit arrêtée transitoirement, il est utile de fermer entièrement une des soupapes d'@étranglement 27 ou 28 ou toutes les deux, outre l'ouverture complète simultanée de la soupape d'étranglement 26, pour que l'agent de tra- vail ne puisse pas passer par la turbine secondaire.
Le procédé et l'installation suivant l'intention se prêtent parti- culièrement aux équipements de véhicules, où l'on désire que la turbine secon- daire puisse débiter un couple variant approximativement en raison inverse de
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la vitesse, c'est-à-dire une puissance constante, à des vitesses très variables Dans ce cas, la turbine primaire fonctionnera à pleine charge à une vitesse à peu près constante et la vitesse de la turbine secondaire variera considérable- ment. Pour un tel régime, comme il résulte de ce qui suit, on adopte de préfé- rence des turbines de caractéristique spéciale qui cependant , généralement, ne peuvent pas être mises en parfait accord, c'est-à-dire que la hute de pression utilisée par la turbine secondaire ne sera pas toujours égale à la valeur dési- rée.
Dans ce cas le procédé et l'installation suivant l'invention conviennent le mieux, car les différences des caractéristiques peuvent être compensées avec une très petite perte de rendement. Cette perte de rendement sera d'autant plus petite que la fraction de la quantité de gaz à extraire par la conduite de contournement et la différence de pression entre les deux extrémités de la conduite de contournement seront plus petites.
Si la caractéristique pression- volume de la turbine est très raide, ce qui signifie que lors de l'augmentation du volume de gaz en passage la chute de pression dans la turbine diminue brus- quement (par exemple à raison d'un pourcentage au moins supérieur à celui de l'augmentation du volume), le réglage ex-posé n'entraînera que des pertes insi- gnifiantes, car il suffira d'extraire seulement une petite fraction de l'agent de travail par la conduite de contournement pour agir sur la chute de pression de la turbine d'une manière importante.
Pour cette raison, il est utile de prévoir des turbines d'une telle caractéristique laide dans l'installation suivant l'invention,
Dans la disposition représentée sur la figure 2, plusieurs com- presseurs, commandés par les turbines primaires, fonctionnent en parallèle avec plusieurs turbines secondaires également branchées en parallèle, Les compres@ seurs 31, 31' sont commandés par les turbines primaires 32, 32'.Les compres- seurs refoulent l'agent de travail comprimé par les conduites 33, 33' dans la conduite collectrice 34, par laquelle il parvient dans la chambre à haute pres- sion de l'échangeur de chaleur 37.
L'agent de travail passant par l'échangeur de chaleur se réchauffe, absorbe de la chaleur ultérieure dans le foyer 38 et entre dans la conduite collectrice 39 où il passe par les conduites 40, 40, dans les turbines primaires 32, 32'. Le gaz quittant ces dernières arrive par les conduites 41, 41' dans la conduite collectrice 42 et de là dans les tur- bines secondaires 43, 43', 43". L'agent de travail quittant les turbines se- condaires arrive dans la conduite collectrice 44 et ensuite dans la chambre
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à basse pression de l'échangeur de chaleur 37. Il la traverse et quitte l'ins- tallation par la conduite d'échappement 45. Dans cette installation la con- duite contournant les turbines primaires est constituée par la conduite de liaison 46 reliant les conduites collectrices 39 et 42.
Dans cette conduite 46 se trouve l'organe de réglage 47 destiné à régler la section, L'organe 47 joue le rôle de l'organe de réglage 24 de la figure 1. Les conduites collectrices 42 et 44 sont reliées par la conduite 48 contournant les turbines secondaires, dans laquelle se trouve l'organe de réglage 49 prévu pour faire varier les sec- tions. L'organe 49 toue le rôle de l'organe de réglage 26 de la figure 1. Les turbines secondaires utilisées dans cette disposition se prêtent bien pour la commande individuelle des essieux de locomotives. Dans l'exemple décrit on n'a représenté qu'un seul foyer et un échangeur de chaleur communs, mais on peut en prévoir plusieurs branchés en parallèle.
Dans la turbine à gaz représentée à la figure 3, au lieu de pré- voir une conduite contournant la turbine, certains étages de la turbine sont munis de prises, de sorte que les conduites de prélèvement ne constituent des conduites de contournement que pour une certaine partie de la turbine. Les conduites de prélèvement 53, 53', 53" sont branchées sur le bâti 52 de la turbine entourant le rotor 51 en communication avec l'espace de travail de la turbine. Dans ces conduites se trouvent les organes de réglage 54, 54,54" prévus pour le réglage des sections jusqu'à la fermeture totale, L'arbre 55 de la turbine entraîne ,si celle-ci est utilisée comme turbine primaire, le com- presseur et les machines auxiliaires et s'il s'agit d'un turbine secondaire, l'arbre entraîne la charge utile.
Dans le schéma de la figure 1, la turbine représentée à la figure 3 peut remplacer la turbine primaire 2 ou la turbine secondaire 16. Si la turbine primaire est munie de prises, les conduites de prélèvement se raccordent à la chambre d'amenée de la turbine secondaire, tan- dis que si c'est la turbine secondaire, les conduites de prélèvement débouchent dans la conduite d'échappement de celle-ci. Si la chute dépression dans la tur- bine primaire est trop élevée, en ouvrant les organes de réglage des conduites de prélèvement, une fraction de l'agent de travail est admise à la turbine secondaire par les conduites de contrournoment, de sorte que dans les étages de la turbine contournés par une fraction du courant de gaz, la chute de pres- sion diminue et alors la chute de pression utilisée par la turbine diminue également.
Si la chute de pression de la turbine secondaire est trop grande, il faut successivement ouvrir les conduites de prélèvement de la turbine secon- @
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-daire pour réduire la chute de pression utilisée par cette même turbine.
Les organes de réglage des conduites de prélèvement ne seront pas ouverts si- multanément mais, de préférence, ils seronts manoeuvrés individuellement et graduellement. Dans le procédé suivant cette disposition, les pertes qui se manifestent lors du réglage, sont inférieures de sorte que, d'une part, pour un rendement donné oa peut compenser des différences plus grandes qu'avec la disposition de la figure 1 et, d'autre part, pour une différence donnée le rendement peut être supérieur.
Dans le cas de la turbine primaire on peut raccorder les conduites de prélèvement à la chambre d'admission de celle-ci et dans le cas de la tur- bine secondaire à la chambre d'admission de cette dernière. Dans ce cas, une partie du courant de gaz contourne les étages d'admission des turbines. Le schéma d'une telle installation est représenté à la figure 4. Les conduites de contournement 58, 58t, munies des organes de réglage 57, 57', prévus pour la variation des sections jusqu'à la fermeture totale, se raccordent à la turbine primaire 56, la conduite collectrice 59 de ces conduites de contourne- ment étant reliée à la conduite d'amenée 60 de la turbine primaire. La con- duite collectrice 63 des conduites de contournement 65, 65' de la turbine secondaire 61 est raccordée à la conduite'd'amenée 64 de cette turbine.
Dans les conduites 65, 65' se trouvent les organes de réglage 62, 62', prévus pour réglage jusqu'à la fermeture totale, Si dans cette disposition la chute de pression dans une des turbines est supérieure à celle désirée, on ouvre les organes de réglage des conduites de contournement de cette turbine, de préfé- rence graduellement et un par un, en commençant aux étages de pression supé- rieure, de sorte que la quantité de gaz passant par certains étages de la turbine diminue et la chute de pression qui s'y manifeste diminuera également.
Le procédé et l'installation suivant l'invention peuvent être utilisés non seulement dans les exemples de réalisation exposés, mais encore dans le cas où l'on utilise un compresseur, une turbine et un échangeur de chaleur d'un système quelconque, même si on n'utilise pas d'échangeur de cha- leur.
Enfin le procédé et l'installation décrits peuvent être utilisés inde- pendamment de ce que la turbine primaire est branchée en amont de la turbine secondaire ou en aval de celle-ci, en désignant toujours par turbine primaire celle qui entraîne le compresseur et par turbine secondaire celle qui fournit la puissance utile car, en raison de l'invention, le réglage de la chute de pression se présentant dans les turbines individuelles peut aussi être opéré
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indépendamment de cette condition.
Les combustibles brûles peuvent être à l'état gazeux, liquide ou solide et le foyer peut être disposé, d'une manière connue d'ailleurs, non seulement en amont de la turbine, mais dans les installations munies d'échan- geur de chaleur, soit en aval des turbines, soit entre celles-ci.
.Revend d i c a t ion s .
1. Procédé de réglage pour groupe de machines comprenant un ou plu- sieurs compresseurs destinés à la compression de l'agent de travail, une tur- bine à gaz (turbine primaire) entraînant le compresseur et une turbine à gaz (turbine secondaire) branchée en série avec la turbine à gaz primaire par rapport au courant de l'agent de travail, mais indépendante de celle-ci au point de vue mécanique et fournissant la puissance utile, caractérisé en ce que le réglage des chutes de pression aux valeurs exigées par les vitesses et les conditions de charge momentanées en vue de la compensation des différences indésirables se manifestant dans le cas de conditions d'exploitation variables du fait de la diversité de leurs caractéristiques chute de pression-vitesse dans la répartition de la chute de pression des turbines branchées en série,
est opéré par la diminution de la quantité d'agent de travail passant par au moins une turbine par rapport à la quantité totale d'agent de travail partici- pant dans le cycle, tout en débitant du travail, et notamment, en dirigeant une fraction appropriée réglage de l'agent de travail par une conduite con- tournant la turbine mentionnée entièrement ou partiellement, de sorte que la détente de l'agent de travail a lieu dans les turbines branchées en série en au moins deux sections avec des quantités de gaz différentes pour chaque section.
**ATTENTION** fin du champ DESC peut contenir debut de CLMS **.
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IMPROVEMENTS TO GAS TURBINES OPERATING IN GROUPS.
Gas turbines have already been proposed where the group constituting the turbine part of the installation consists of at least two turbines or groups of turbines, independent of one another from a mechanical point of view, one of these groups controlling the compressor or compressors intended for the compression of the working medium, while the other group of turbines, connected in series with the first, is mainly intended to carry the payload. These installations have the disadvantage that, for example in the case of a "primary" turbine driving the compressor and of a "secondary" turbine carrying the payload, the operating conditions of the two machines cannot. be made independent of each other but, generally speaking, any change in the functioning of one unit reacts to that of the other.
By examining closely this mutual effect, it is first evident that the primary turbine must provide the power precisely necessary to
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drive the compressor and any auxiliary machines, etc ... while the rest of the work obtained from the agent must be developed by the secondary turbine, Here the primary turbine and the secondary turbine both have "pressure drop characteristics" -speed "different according to their different destinations;
assuming a constant quantity of gas supplied, this means that in the case of a speed variation, the pressure drop used in the turbine generally also varies and in particular because of the solution adopted and mainly because of the angle d 'blade attack, in the case of speed variation in a given direction (for example decrease) the pressure drop also increases or decreases. In the case of a single independent turbine, which is not mounted in series with another turbine, for a given pressure drop, the effect of the characteristic manifests itself in that in the case of a speed variation , the amount of gas used in the turbine also varies due to the characteristic.
If, unlike this case, according to the invention, the two turbines, moreover independent of one another from a mechanical point of view, are connected in series in the current of the working agent, for such a system the total pressure drop used therein can be considered to be determined and the quantity of gas passing through the turbines has the same value. For a prescribed useful power and for a prescribed primary turbine speed, in the arrangement according to the invention, the working medium exiting the turbine driving the compressor (primary turbine) is at a given temperature and pressure.
Also the mass of this exiting working agent during the unit of time is given, so that under these conditions the pressure drop occurring in the primary turbine is generally given and thus the working agent of quanti - invariable tee, exiting from the primary turbine, should be used in the secondary turbine with a prescribed pressure drop (the value of which can be obtained by subtracting the pressure drop which occurs in the primary turbine, from the drop in pressure). total pressure.
However, given the latter circumstance, it will theoretically correspond to the pressure drop of the secondary turbine, determinable in the above manner, only one speed determined on the characteristic of this turbine; and, in the case of a favorable form of the characteristic, only deviations which only slightly influence the operation could occur. However, in general, for the prescribed distribution.
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- the pressure drop, apart from the speed determined for the secondary turbine by its characteristic, no other speed can be taken into account;
if, however, the secondary turbine would still have to operate at a different speed, the distribution of the pressure drop between the two turbines should also differ from that which would appear / as desirable under the given circumstances, in view of the load conditions , in the manner set out above.
Consequently, under conditions which deviate from the most favorable speed accepted as a starting point, for example when there is an unwanted change in the speed of the primary turbine and the amount of gas passing through the turbines, the adjustment of the speed to the new compensation being would be possible only by means of a modification of the power and a perceptible reduction of the efficiency. In general, it can be observed that at the given pressure and temperature and at At the prescribed speed, the secondary turbine - apart from a few exceptional cases - cannot use the quantity of working agent passing through the primary turbine with good efficiency.
In particular, it is difficult to coordinate the pressure drops of the primary and secondary turbines in the case where the primary turbine operating at constant or almost constant speed, the secondary turbine must deliver a constant or / almost constant useful power at variable speeds. ,
The object of the invention lies in an adjustment method and in the corresponding installation which make it possible to vary the operating conditions and the speeds of the primary and secondary turbines freely and independently of one another with insignificant loss of yield.
As it follows from the above, due to the diversity of the characteristics of the turbines, the main difficulty in coordinating the pressure drops of the primary and secondary turbines results from the fact that the quantity of working agent which passes is assumed have the same value for both turbines, As the pressure drop occurring in the turbine can be influenced also by the variation of the quantity of gas passing through the turbine, this disadvantage can be eliminated, i.e. obtaining the advantages mentioned is made possible in a relatively simple manner by adjusting the pressure drops of the turbines connected in series to the value required by the speeds and the momentary load conditions;
it suffices, for this purpose, to reduce the quantity of working agent passing
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by at least one of the turbines relative to the total amount of work agent participating in the cycle while developing work; This can be accomplished by directing an appropriate adjustable fraction of the working agent through a pipe bypassing the mentioned turbine in whole or in part.
This is permissible because, in particular, if by virtue of its construction or its characteristic, a turbine operates under the given conditions, approximately at the desired pressure, and that without having recourse to bypass lines, the extraction of d a relatively small fraction of the work agent by the bypass does not result in any appreciable loss of yield; in any case, this decrease in efficiency is appreciably less than that which would be observed in the case where the gas turbine had to use an invariable quantity of working agent, that is to say if the pressure drops occurring in the turbines had to adjust to these conditions.
To make the invention easier to understand, FIG. 1 shows the arrangement of a variant of the embodiment of the method. FIG. 2 shows the arrangement of such an installation which comprises several primary and secondary turbines. Figure 3 is a schematic sectional view of a turbine, which can be used as a primary or secondary turbine, fitted with a withdrawal pipe, while Figure 4 shows such an arrangement, where the bypass pipes of the turbines bypass the stages of higher pressure.
In Figure 1, the supply pipe 4 is connected to the supply pipe 3 of the compressor 1 driven by the primary turbine 2, while the delivery pipe 5 is connected to the discharge pipe 6. This is connected to the high pressure supply pipe 8 of the heat exchanger 7, shown by way of example, while the high pressure outlet pipe 9 thereof is connected to the furnace 11 supplied by the burner or sprayer 10. The hearth is connected to the supply pipe 13 of the primary turbine 2 by the connecting pipe 12, while the exhaust pipe 14 of the turbine communicates with the supply pipe 17 of the turbine. the secondary turbine 16 via the passage pipe 15.
The secondary turbine, the shaft 18 of which drives the payload, is connected to the low pressure supply pipe 21 of the heat exchanger 7 via the exhaust pipe 19 and the exhaust pipe 20; @ low pressure outlet tubing 22
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the heat exchanger is connected to the exhaust pipe 25: The bypass pipe 23 'is connected in parallel with the primary turbine 2. between the supply pipe 13 and the exhaust pipe 14; this pipe 23 'comprises an adjustment member 24 capable of varying the section thereof.
Likewise, the bypass pipe 25 is connected in parallel with the secondary turbine 16 between its inlet 17 and exhaust 19 pipes, this pipe comprising the member 26 regulating the section. Upstream of the supply pipe 17 of the secondary turbine is inserted the throttling member 27. while the adjusting member 28, capable of adjusting the section, is inserted into the exhaust pipe, in upstream from the point where the bypass line 25 connects to the exhaust manifold 19 of the secondary turbine.
The pipe 29, with the adjustment member of the section 30 inserted therein, is provided for the adjustment of the primary turbine-compressor unit and it creates a connection between the high-pressure supply pipe 8 of the gasket. heat exchanger 7 and the exhaust pipe 23, This device works as follows:
The compressor 1 controlled by the turbine 2 sucks the working medium through the supply line 4 and the pipe 3 and it compresses it to a higher pressure. From the compressor the working agent arrives through the line 6 to the inlet pipe 8 of the heat exchanger 7 and after passing through the heat exchanger, it leaves it through the outlet port 9.
In the heat exchanger the working agent absorbs the heat of the tired working agent exiting the secondary turbine. The heated working medium reaches the furnace 11 which it passes partially through and in which it absorbs the heat of the burnt fuel. Then the working agent enters the primary turbine 2 through the connecting pipe 12 and the supply tube 13. There it partially relaxes and develops the work necessary for driving the compressor, auxiliary machines, etc., coupled with the primary turbine. The work agent leaves the primary turbine through the pipe 14 and, through the pipe 15 and the supply pipe 17, it reaches the secondary turbine 16, in which it expands further, while developing the work necessary to drive the payload.
The working agent leaving the secondary turbine through the pipe 19 and the pipe 20 finally enters the heat exchanger 7, of which it passes through the chamber at low pressure, while communicating its heat to the fresh working agent and then it leaves the heat exchanger through the exhaust manifold 22.
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Since the primary turbine must develop just the work necessary to control the compressor and the auxiliary machines coupled to this turbine, it is necessary that in the primary turbine there is a certain determined fraction of the total pressure drop available. If the primary turbine, because of its characteristic and under the given conditions (speed, volume of gas passing per second, etc.), the pressure drop would be greater than the desired value, by opening the component. throttle 24 disposed in the bypass line 23, part of the gas quantity is passed upstream of the secondary turbine, bypassing the primary turbine, so that the volume of gas passing through the primary turbine decreases.
Since, in general, the pressure drop occurring in a turbine decreases due to the decrease in the volume of gas passing by the unit of time, it is thus possible to reduce the pressure drop in the primary turbine at the desired value. On the other hand, if the case arises that under the given conditions the secondary turbine used an excessive part of the total pressure drop, due to the characteristic of this turbine, roof by reducing the speed of the primary turbine, it is possible to reduce the volume of gas passing through the secondary turbine by opening the regulator 26 of the bypass line 25, so that the pressure drop which occurs therein can be adjusted to the desired value.
If the gas turbine installation operates at a fractional load, the flow rate of the installation can be reduced by very various methods known elsewhere. One means of effecting this reduction is to allow part of the working medium compressed by the compressor to pass through the exhaust line 23, while reducing the amount of fuel burnt and simultaneously opening the throttle valve 30 of the compressor. bypass pipe 29, without this fraction of the working agent also passing through the turbines.
If, for example, you do not want to reduce the speed of the primary turbine to a great extent, but you want the secondary turbine to be stopped temporarily, it is useful to fully close one of the throttle valves 27 or 28. or both, in addition to the simultaneous full opening of the throttle valve 26, so that the working agent cannot pass through the secondary turbine.
The method and installation according to the intention are particularly suited to vehicle equipment, where it is desired that the secondary turbine can deliver a torque varying approximately in inverse ratio to
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speed, ie constant power, at widely varying speeds In this case, the primary turbine will operate at full load at approximately constant speed and the speed of the secondary turbine will vary considerably. For such a speed, as it follows from what follows, it is preferable to adopt turbines of special characteristic which, however, generally cannot be brought into perfect agreement, that is to say that the pressure drop used by the secondary turbine will not always be equal to the desired value.
In this case, the method and the plant according to the invention are most suitable, since the differences in characteristics can be compensated for with a very small loss of efficiency. This loss of efficiency will be all the smaller as the fraction of the quantity of gas to be extracted through the bypass pipe and the pressure difference between the two ends of the bypass pipe will be smaller.
If the pressure-volume characteristic of the turbine is very steep, which means that when the volume of passing gas increases, the pressure drop in the turbine decreases sharply (for example by at least a percentage higher than that of the increase in volume), the ex-posed setting will only lead to insignificant losses, since it will suffice to extract only a small fraction of the working agent through the bypass pipe to act on the pressure drop of the turbine in a significant way.
For this reason, it is useful to provide turbines of such an ugly characteristic in the installation according to the invention,
In the arrangement shown in FIG. 2, several compressors, controlled by the primary turbines, operate in parallel with several secondary turbines also connected in parallel. The compressors 31, 31 'are controlled by the primary turbines 32, 32' The compressors deliver the compressed working medium through lines 33, 33 'into collecting line 34, through which it enters the high pressure chamber of heat exchanger 37.
The working medium passing through the heat exchanger heats up, absorbs subsequent heat in the hearth 38 and enters the collecting pipe 39 where it passes through the pipes 40, 40, in the primary turbines 32, 32 '. The gas leaving the latter arrives through the pipes 41, 41 'in the collecting pipe 42 and from there in the secondary turbines 43, 43', 43 ". The worker leaving the secondary turbines arrives in the pipe collector 44 and then in the bedroom
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at low pressure from the heat exchanger 37. It passes through it and leaves the installation through the exhaust pipe 45. In this installation, the pipe bypassing the primary turbines is formed by the connecting pipe 46 connecting the collector pipes 39 and 42.
In this pipe 46 is the adjustment member 47 intended to adjust the section, The member 47 plays the role of the adjustment member 24 of FIG. 1. The collecting pipes 42 and 44 are connected by the pipe 48 bypassing the secondary turbines, in which is the adjustment member 49 provided for varying the sections. The member 49 plays the role of the adjustment member 26 of FIG. 1. The secondary turbines used in this arrangement are well suited for the individual control of the axles of locomotives. In the example described, only a single hearth and a common heat exchanger have been shown, but several can be provided connected in parallel.
In the gas turbine shown in Figure 3, instead of providing a pipe bypassing the turbine, some stages of the turbine are provided with outlets, so that the bleed pipes only constitute bypass pipes for a certain amount. part of the turbine. The sampling pipes 53, 53 ', 53 "are connected to the frame 52 of the turbine surrounding the rotor 51 in communication with the working space of the turbine. In these pipes are located the adjustment members 54, 54, 54. "provided for the adjustment of the sections until total closure, The shaft 55 of the turbine drives, if this is used as a primary turbine, the compressor and the auxiliary machines and if they are a secondary turbine, the shaft drives the payload.
In the diagram of FIG. 1, the turbine shown in FIG. 3 can replace the primary turbine 2 or the secondary turbine 16. If the primary turbine is provided with outlets, the sampling pipes are connected to the supply chamber of the secondary turbine, whereas if it is the secondary turbine, the sampling pipes open into the exhaust pipe of the latter. If the negative pressure drop in the primary turbine is too high, by opening the adjustment members of the sampling pipes, a fraction of the working agent is admitted to the secondary turbine through the counter-flow pipes, so that in the stages of the turbine bypassed by a fraction of the gas stream, the pressure drop decreases and then the pressure drop used by the turbine also decreases.
If the pressure drop of the secondary turbine is too great, the sampling lines of the secondary turbine must be opened successively.
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-daire to reduce the pressure drop used by this same turbine.
The regulators of the sampling lines will not be opened simultaneously but, preferably, they will be operated individually and gradually. In the process according to this arrangement, the losses which appear during the adjustment are lower so that, on the one hand, for a given yield oa can compensate for larger differences than with the arrangement of FIG. 1 and, d 'on the other hand, for a given difference the yield can be higher.
In the case of the primary turbine, the sampling pipes can be connected to the inlet chamber of the latter and in the case of the secondary turbine to the inlet chamber of the latter. In this case, part of the gas stream bypasses the intake stages of the turbines. The diagram of such an installation is shown in Figure 4. The bypass pipes 58, 58t, provided with adjusting members 57, 57 ', provided for the variation of the sections until total closure, are connected to the turbine. primary 56, the collecting pipe 59 of these bypass pipes being connected to the supply pipe 60 of the primary turbine. The collecting pipe 63 of the bypass pipes 65, 65 'of the secondary turbine 61 is connected to the supply pipe 64 of this turbine.
In the pipes 65, 65 'are the adjustment members 62, 62', provided for adjustment until complete closure, If in this arrangement the pressure drop in one of the turbines is greater than that desired, the members are opened. adjusting the bypass lines of this turbine, preferably gradually and one by one, starting at the upper pressure stages, so that the amount of gas passing through certain stages of the turbine decreases and the pressure drop which manifests itself there will also diminish.
The method and the installation according to the invention can be used not only in the exemplary embodiments exposed, but also in the case where a compressor, a turbine and a heat exchanger of any system are used, even if a heat exchanger is not used.
Finally, the method and the installation described can be used regardless of whether the primary turbine is connected upstream of the secondary turbine or downstream of the latter, always designating by primary turbine that which drives the compressor and by turbine. secondary that which provides the useful power because, by virtue of the invention, the adjustment of the pressure drop occurring in the individual turbines can also be operated
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regardless of this condition.
The fuels burned can be in the gaseous, liquid or solid state and the furnace can be placed, in a manner known moreover, not only upstream of the turbine, but in installations fitted with a heat exchanger. , either downstream of the turbines or between them.
.Resend d i c a t ion s.
1. Adjustment method for a group of machines comprising one or more compressors intended for the compression of the working medium, a gas turbine (primary turbine) driving the compressor and a gas turbine (secondary turbine) connected in series with the primary gas turbine with respect to the current of the working medium, but independent thereof from a mechanical point of view and providing the useful power, characterized in that the adjustment of the pressure drops to the values required by the momentary speeds and load conditions to compensate for undesirable differences which arise under varying operating conditions due to the diversity of their pressure drop-velocity characteristics in the pressure drop distribution of the turbines connected in series,
is operated by reducing the amount of working agent passing through at least one turbine relative to the total amount of working agent participating in the cycle, while delivering work, and in particular, directing a fraction suitable regulation of the working agent by a pipe turning the mentioned turbine wholly or partially, so that the expansion of the working agent takes place in the turbines connected in series in at least two sections with quantities of gas different for each section.
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