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Installation de turbine à gaz.
La présente invention se rapporte à une installation de turbine à gaz dans laquelle l'agent moteur est comprimé dans au moins un turbo-compresseur, puis est chauffé, est détendu dans au moins une turbine et est refroidi ensuite pour être de nouveau ramené au turbo-compresseur, de sorte qu'il s'établit un circuit qui staccomplit complètement à une pression supérieure à celle de l'atmosphère, Elle con- siste en ce que ce circuit n'est pas fermé, mais qu'une quantité d'agent moteur y est introduite continuellement au moins en un endroit et que de même une quantité d'agent
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moteur en est soutirée continuellement, également en un eri1
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droit au moins, et en ce que la combustion engendrant la cha0 leur nécessaire pour le chauffage a lieu, sous une pression su- périeure à celle de 1'atmosphère,
dans le courant même de l'agent moteur.
La combustion peut s'accomplir dans le courant d'agent moteur qui sort continuellement du circuit et qui renferme de l'oxygène, cet agent étant, de préference, l'air ; la chaleur de combustion, peut,au moins en majeure parme, être transmise, par échange de chaleur, à l'agent moteur qui se trouve dans le circuit ou qui pénètre dans ce dernier. En règle genérale, l'agent moteur introduit constamment dans le circuit est l'air qui est aspiré de l'atmosphère par au moins un turbo-compresseur et qui est ramené, tout en subissant au moins une fois, un re- froidissement intermédiaire, à la pression à laquelle il entre dans le circuit. L'agent moteur soutiré peut, avant qu'il se détende jusqu'à la pression atmosphérique, être conduit à tra- vers un récupérateur de chaleur.
L'introduction de l'agent moteur a lieu avec avantage sous la pression la plus faible qui règne dans le circuit et dans les conditions les meilleures avant le refroidisseur qui refroidit à basse température la quantité totale de l'aent moteur avant son entrée dans le turbo-compresseur du circuit.
Une turbine qui consomme continuellement l'agent moteur sor- tant du circuit, peut commander un turbo-compresseur qui comprime l'agent moteur que l'on doit introduire dans le circuit, les deux turbo-machines pouvant être réunies pour former un groupe indépendant qu'on appellera dans ce qui suit "groupe de char- gement". Le soutirage de l'agent moteur peut également avoir lieu, par exemple, à la pression la plus basse règnant dans le circuit, de préférence après la sortie de la turbine du circuit.
Pour régler le travail développé par l'installation, on peut, avec grand avantage, sous une vitesse angulaire cons- tante des turbo-machines du circuit et des températures et @
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rapports de pressions constantes, modifier le niveau de pres- sion du circuit tout en règlant en même temps l'amenée du combustible. On peut avec avantage modifier le niveau de pres- sion en changeant la vitesse angulaire du groupe de chargement.
Grâce à l'invention, on atteint l'avantage que toutes les machines et tous les appareils dont se compose l'installa- tion, reçoivent des dimensions relativement réduites. Les turbo-machines du circuit principal travaillent sous une pres- sion élevée, ce qui permet de faibles dimensions, tandis que la quantité d'air ou de gaz consommé par le groupe de charge- ment n'est égale qu'à 1/4 à I/6 de celle qui circule dans le circuit, ce qui conduit aussi à de faibles dimensions.D'autre part, on donne des dimensions beaucoup plus faibles non seule- ment aux refroidisseurs et aux récupérateurs (par suite du coefficient élevé de transmission de chaleur sous une pression élevée), mais aussi en particulier,
aux installations de chauffage c'est-à-dire aux chambres de combustion et aux échan- geurs de chaleur au moyen desquels de la chaleur de combustion est cédée à l'agent moteur qui se trouve dans le circuit.Bette dernière circonstance constitue un avantage particulier du mode de travail objet de l'invention, car elle est une consé- quence immédiate défait que le circuit, qui s'accomplit sous une pression supérieure à la pression atmosphérique, ne soit pas fermé.Ce n'est que pour ce motif que la combustion peut être réalisée dans le courant de l'agent moteur même, ce qui donne lieu automatiquement à une combustion sous pression et à des conditions excellentes pour la transmission de chaleur à l'agent moteur qui se déplace en un circuit.
L'invention présente en outre des avantages d'ordre tech- nique. Non seulement le rendement de l'installation reste pra- tiquement sans changement entre des limites de charge fort é écartées, parce que les rapports de pression et les tempéra- tures restent toujours approximativement les mêmes dans le cir- cuit et que les turbo-machines du circuit tournent à vitesse
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constante mais qu'en outre la pression dans la ou les chambres de combustion se modifie proportionnellement à l'energle dé- veloppée, ce qui est avantageux pour le réglace de la combus- tion.
Celà rend par exemple impossible qu'à faible charge, c'est-à-dire lorsque le niveau de pression de l'installation est relativement bas, la quantité de chaleur fournie au circuit devienne beaucoup trop grande par suite d'une erreur de régla- ge. Le passage d'oxygène par la chambre de combustion n'est en effet pas suffisamment important alors - en raison de la pres- sion plus basse - pour permettre le dégagement d'une quantité beaucoup trop grande de chaleur de combustion. Du fait que des foyers sous pression peuvent, comme on le sait, être con- duits d'une façon particulièrement avantageuse avec un très faible excès d'air, cette limitation assurée automatiquement de la chaleur apportée suivant la charge du moment, est très rigoureuse, ce qui confère à l'installation un degré de sécurite de fonctionnement très élevé.
Lorsque la chaleur de combustion est fournie par échange de chaleur à l'agent moteur du circuit, il résulte encore un autre avantage considérable du fait que le coefficient de transmission de chaleur est à peu prs proportionnel à la pres- sion. En effet, la quantite de chaleur schangée est, pour des températures de la chambre de combustion qui ne se modifient que très peu, proportionnelle à la pression et par conséquent au travail développé. Par suite, les conditions de température du réchauffeur d'air ne subissent que des variations extrême- ment faibles, ce qui garantit un réglage très rapide et exact, tandis que les influences perturbatrices (retardatrices) de l'inertie de la chaleur disparaissent pratiquement.
On obtient en outre l'avantage que, en supposant des rendements très élevés de la turbine 14 et de la soufflerie 15, le groupe de chargement fournit encore du travail supplémentaire de sorte que la machine électrique 17 fournit ainsi egalement du courant, ce qui améliore encore l'effet utile total de 1 ' installation.
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Le dessin annexé représente schématiquement, à titre d'exemples, quelques modes de réalisation de 1'invention.
Sur ce dessin:
La figure 1 représente une installation de turbine à gaz dans laquelle le chauffage de l'agent moteur a lieu par introduction directe du combustible dans l'agent moteur.
La figure 2 illustre une installation dans laquelle le chauffage de l'agent moteur a lieu dans des éohangeurs de cha- leur, à l'intérieur d'une chaudière à air chaud et dans la- quelle les gaz de combustion ne viennent pas en contact avec le circuit principal.
La figure 3 représente une installation dans laquelle le chauffage de l'agent moteur a lieu également dans une chaudière à air chaud, mais dans laquelle les gaz de combus- tion sont mélangés à l'agent moteur.
La figure 4 montre une installation qui fonctionne comme celle de la figure 3 avec toutefois la différence que le ré- glage de la vitesse angulaire du groupe de chargement à basse pression peut s'effectuer librement.
La figure 5 représente, en coupe longitudinale, la tur- bine à gaz et la disposition des surfaces d'échange de cha- leur suivant la figure 4 et
La figure 6 est une coupe transversale correspondant à la figure 5?
Suivant la figure 1, le turbo-compresseur ou soufflerie 1 comprime l'agent moteur qui est aspiré par les tuyaux 2 et 3.
La compression a lieu avec refroidissement intermédiaire, pour lequel on prévoit un refroidisseur intermédiaire 4. Après être sorti du turbo-compresseur 1, le gaz est d'abord chauffé dans l'échangeur de chaleur 5, puis est porté'dans la chambre de combustion 6, à la température maximum admissible.
La première partie de la détente a lieu dans la turbine à haute pression 7. Une autre chambre de combustion intermé- diaire 8 fait subir à l'agent moteur un chauffage intermédiaire,
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après quoi celui-ci pénètre dans la turbine 9 à basse pression.
Le gaz sortant de cette turbine 9 est encore à une pression supérieure à celle de l'atmosphère, et il s'écoule à travers l'échangeur de chaleur 5 en abandonnant en contre-courant une partie de sa chaleur à l'agent, moteur qui vient dela souf- flerie 1.
Dans l'échangeur de chaleur 5, une quantité déterminée de gaz est soutirée à l'endroit désigne par 10, tandis que la partie restante s'écoule plus loin, jusque dans le refroidis- seur 11. Dans celui-ci, de l'eau de refroidissement pénètre par le tuyau 12, se répartit finement et refroidie le gaz en contre-courant. L'eau amenée est envoyée à l'air libre par le tuyau 15. Après refroidissement, le gaz rentre à nouveau en 2 dans la soufflerie 1.
La partie du gaz soutirée en 10 pénètre dans une turbine à gaz d'échappement 14 qui commande une soufflerie de charge- ment 15. Cette soufflerie 15 aspire de l'air atmosphérique et le refoule, par un refroidisseur 16, au tuyau 3 où il est ame- né, à l'état comprimé, à la soufflerie principale. Une machine électrique 17 est accouplée avec le groupe de chargement; elle sert à compenser la différence de travail fourni par la tur- bine 14 et la soufflerie 15. En même temps, cette machine électrique 17 permet d'influencer, par simple action sur la vitesse angulaire du groupe de chargement, la pression de char- gement et, par conséquent, les conditions de pression de toute l'installation, ce qui crée en même temps une possibilité de réglage.
La turbine 14 et la soufflerie 15 consomment des quan tités d'agent moteur qui se correspondent entre elles ; en d'au- tres termes, à l'état d'équilibre, il passe par la turbine 14 une quantité d'agent moteur qui, par rapport à celle passant par la soufflerie 15, est supérieure de la quantité de combus- tible introduit dans le circuit. De préférence, la turbine à haute pression 7 a une vitesse angulaire supérieure à cellede
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la turbine à basse pression 9, ce qui peut être obtenu par exemple par interposition d'une transmission par engrenages 18 intercalée entre la turbine à basse pression et la turbine à haute pression. La turbine à basse pression 9 est reliée à la génératrice 19 qui transforme en énergie électrique le tra- vail fourni à l'extérieur.
La figure 2 représente un agencement analogue à celui montré par la figure 1, mais on n'a pas prévu, pour le chauf- fage et pour le chauffage intermédiaire, des chambres de com- bustion à amenée directe de combustible, mais des échangeurs de chaleur 20 et 21 qui se trouvent à l'intérieur d'une chau- dière à air chaud 22. On prélève donc, à l'endroit désigné par 23, une quantité déterminée de l'agent moteur pour s'en s'ervir comme air de combustion dans la chaudière à air chaud 22. Ce courant d'air soutiré revient ensuite à la turbine de gaz d'é- chappement 14 en passant par un filtre 24 et par l'échangeur de chaleur 5. Cette turbine 14 est donc la seule machine de toute l'installation à être traversée par des gaz de combustion; toutes les autres consomment de l'air.
Mais comme le gaz est déjà fortement refroidi et qu'en outre, il est filtré on peut dans de telles installations, employer également comme combus- tibles ceux qui produisent du coke volant et des cendres vo- lantes, par exemple du charbon ou du charbon en poussière.
Le refroidisseur 11 de la figure 2 est un échangeur de chaleur à surface. L'agent réfrigérant entre par le tuyau 25 dans le serpentin réfrigérant 26 et sort du refroidisseur 11 par le tuyau 27.
La turbine à gaz principale est divisée en deux turbines à gaz distinctes, 7 et 9, la turbine à gaz7 commandant la soufflerie 1 et la turbine à gaz 9 commandant la génératrice 19.
Contrairement aux exemples d'exécution suivant les fi- gures 1 et 2, on prévoit à la figure 3 deux groupes de charge- ment. Le groupe de la turbine à basse pression est constitué par la turbine 14' et par la soufflerie 15' et le groupe de/la tur-
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bine à haute pression par la turbine 14 et la soufflerie 15.
Entre la soufflerie de chargement à basse pression 15' et celle à haute pression 15, on prévoit un réfrigérant interme- diaire 28. L'agencement est analogue à celui de la figure 2, avec la différence qu'un réchauffage intermédiaire n'existe pas. En outre, les gaz d'échappement de la chaudière à air chaud 22 sont mélangés avec le courant de gaz restant. A l'en- droit désigné par 29, une partie du gaz est de nouveau préle- vée et est conduite dans la turbine 14, tandis que la partie restante revient au refroidisseur intermédiaire 16 en passant par un petit échangeur de chaleur 30. Le gaz sortant de la turbine 14 subit un réchauffage intermédiaire dans l'échangeur de chaleur 30 pour atteindre ensuite la turbine 14.
La turbine 7 et la soufflerie 1 sont reliées par un e n- grenage 31 de telle manière que la soufflerie 1 tourne plus vite que la turbine 7 . Le groupe 14', 15' estaccouple à la soufflerie 1, étant donné que le travail développe par la tur- bine 14' ne suffit pas pour commander la soufflerie 15'.
L'exécution du refroidisseur 16 sous la forme d'un re- froidisseur à injection présente l'avantage qu'on peut pousser le refroidissement à un degré particulièrement bas et qu'en même temps on réalise une'épuration des gaz. Les refroidisseurs à injection peuvent être pourvus de séparateurs d'eau 32 qui fonctionnent suivant un procéde connu quelconque et qui en- ploient par exemple des anneaux de Raschig Sur la figure 3, un des deux refroidisseurs, à savoir le refroidisseur 4, est construit sous la forme d'un refroidisseur combiné à injection et à surface. L'agent réfrigérant injecté par le tuyau 12 ruis- selle ici sur la surface d'échange de chaleur 26, Cette dispo- sition présente l'avantage qu'une quantité beaucoup moindre d'eau doit être injectée.
Sur la figure 4, on a prévu egalement un groupe de char- gement à basse pression et un groupe de chargement à haute pression.
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Par rapport à la figure 3, il existe néanmoins la dif- férence que la vitesse angulaire du groupe de chargement à bas- se pression 14', 15' peut se régler librement, tandis que le groupe de chargement à haute pression 14,15 est commandé à par- tir de l'installation principale par l'intermédiaire d'un en- grenage 33. Le fonctionnement de l'installation principale de turbine à gaz (1,7,9 et 19) est semblable à celle des exemples précédents. Toutefois, la soufflerie 15 comprime à une pres- sion supérieure à celle qui règne sur le coté à basse pression de l'échangeur de chaleur 5, l'air fournissant le travail.
L'air comprimé est amené dans la chambre de combustion 35 en passant par un réchauffeur d'air 34; il est chauffé dans cette chambre et est refroidi de nouveau partiellement immédia- tement après, dans un échangeur de chaleur 20. Grâce à celui-ci, le chauffage du courant principal de gaz est réalisé avant l'entrée de ce courant dans la turbine à haute pression 7 Après l'échangeur de chaleur 20, le gaz de combustion encore fortement chauffé et sortant de la chambre de combustion 35 et le gaz sortant de la turbine7 se mélangent, ce qui donne lieu à un chauffage intermédiaire.
La partie principale du mélange de gaz ainsi produit est conduite à la turbine 9 pour y accomplir le processus du tra- vail de la façon déjà mentionnée. La partie restante est condui- te par le tuyau 36 jusqu'à l'endroit désigné par 37 où il se produit à nouveau uné dérivation. Une partie de l'agent moteur est insuffle par le ventilateur 38 dans la chambre de combus- tion 35 pour y refroidir les parois de la garniture 39 du brû- leur, tandis que l'autre partie traverse à contre-courant le réchauffeur d'air 34 et se détend ensuite dans la turbine de chargement à haute pression 14. A sa sortie de cette turbine, le gaz arrive dans le refroidisseur II où il est mélangé de nouveau au courant principal. Il seconde ici le refroidissement car, à sa sortie de la turbine 14, il est fortement refroidi.
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Une quantité correspondante de gaz est prélevée a#/sir-
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cuit restant en l'endroit désigné par 40 et se détend dans la turbine 14' à basse pression. Le gaz prélevé en cet endroit 40 étant plus chaud que celui qui sort de la turbine 14, cemontage entraine une production plus grande de travail par la turbine 14'. On obtient donc par cet agencement le effet que par l'échangeur de chaleur 30 de la figure 3.
Il ressort en outre de la figure 4 de quelle façon une telle installation peut, à titre d'exemple, être réglée. A cet effet, on prévoit des robinets de réglage 41,42 et 43. Gone- ralement, le robinet 42 est ouvert, tandis que les robinets 41 et 43 sont fermés.Lorsque la vitesse angulaire du groupe de chargement à basse pression 14', 15' doit augmenter et, avec elle la pression dans l'installation toute entiere, on ferme partiellement ou entièrement le robinet 42 et on ouvre par con- tre le robinet 41. Il s'ensuit que la turbine 14' reçoit du gaz chaud, de sorte que le travail qu'elle développe et sa vi- tesse angulaire augmentent.
D'autre part, grce à, l'ouverture du robinet 43, le gaz peut en évitant de passer par la turbine 14', s'échapper directement à l'air libre, ce qui entraine la diminution du travail développé et de la vitesse angulaire d e la turbine 14'. Du reste, le réglage a lieu de telle façon qu'au moins entre des limites fort écartées, la température de la chambre de combustion et par suite, d'une façon générale, les températures sont maintenues constantes pendant tout le proces- sus du travail et que le travail développé par l'installation n'est modifié que par le changement du niveau de pression.
Suivant les figures 5 et 6, on emploie des tubes de trans- mission de chaleur 20 qui sont disposés de la façon représen- tée en arcs de cercle au-dessus de la turbine 7, Le gaz prove- nant de l'échangeur de chaleur entre à l'endroit désigné par 44 (voir figure 6) et pénètre en 45 et 46 dans les tubes 20 pour sortir de nouveau en 47 de ces tuyaux et pénétrer dans la tur- bine. Le gaz fortement chauffé entre, en 48, dans le faisceau de tubes et en sort en 49. Il se produit alors le melange avec
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le gaz qui sort par la tubulure de gaz d'échappement 50 de la turbine 7. Le courant passe donc transversalement sur les tubes du faisceau 20.
Il est avantageux dans ce cas de choisir, pour les distances entre les arcs de tubes mesurées dans la direc- tion de l'axe de la turbine, des valeurs inférieures à celles mesurées perpendiculairement à cet axe.
Le soutirage d'agent moteur a lieu généralement à la fin de :la détente, après la turbine à gaz ; il peut avoir lieu aussi pendant la détente, entre deux turbines à gaz ou à un en- droit de soutirage spécial de la turbine.
La turbine à gaz d'échappement et la soufflerie de char- gement peuvent' être réunis en un groupe indépendant. Le char- geinent peut avoir lieu également au moyen de plusieurs groupes de chargement. Il peut y avoir par exemple un groupe à basse pression et un groupe à haute pression, et un de ces groupes peut être accouplé à la machine principale. Le réglage des groupes de chargement peut avoir lieu par déplacement des aubes de la première roue directrice de la turbine à gaz déchappement.
La détente de l'agent moteur peut avoir lieu dans une turbine à haute pression et dans une turbine à basse pression, la première tournant à une vitesse plus grande que la dernière.
La turbine à haute pression et la turbine à basse pression peu- vent être reliées par un engrenage ou bien la soufflerie peut être commandée directement par la turbine à haute pression, tandis que la turbine à basse pression fournit de l'énergie vers 'l'extérieur.
La soufflerie peut, dans ce cas, tourner plus vite que la turbine qui la commande. Les pièces de l'installation travail- lant à basse température, peuvent être constituées au moins par- tiellement par un matériau résistant à 7.'acide.
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Gas turbine installation.
The present invention relates to a gas turbine installation in which the motive agent is compressed in at least one turbo-compressor, then is heated, is expanded in at least one turbine and is subsequently cooled to be returned to the turbo again. -compressor, so that a circuit is established which is completely accomplished at a pressure greater than that of the atmosphere, It consists in that this circuit is not closed, but that a quantity of agent motor is continuously introduced into it at least in one place and that likewise a quantity of
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motor is continuously withdrawn, also in an eri1
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right at least, and in that the combustion generating the heat necessary for heating takes place under a pressure higher than that of the atmosphere,
in the current of the driving agent.
Combustion can be accomplished in the current of motive agent which leaves the circuit continuously and which contains oxygen, this agent preferably being air; the heat of combustion can, at least in major part, be transmitted, by heat exchange, to the motive agent which is in the circuit or which penetrates into the latter. As a general rule, the driving agent constantly introduced into the circuit is the air which is sucked from the atmosphere by at least one turbo-compressor and which is returned, while undergoing at least once, an intermediate cooling, at the pressure at which it enters the circuit. The driving agent withdrawn can, before it expands to atmospheric pressure, be led through a heat recovery unit.
The introduction of the motive agent takes place with advantage under the lowest pressure which reigns in the circuit and under the best conditions before the cooler which cools at low temperature the total quantity of the engine ventilator before it enters the circuit. turbo-compressor of the circuit.
A turbine which continuously consumes the motive agent leaving the circuit can control a turbo-compressor which compresses the motive agent which must be introduced into the circuit, the two turbo-machines being able to be united to form an independent group. that will be called in what follows "load group". The withdrawal of the motive agent can also take place, for example, at the lowest pressure prevailing in the circuit, preferably after the turbine has left the circuit.
To regulate the work developed by the installation, it is possible, with great advantage, under a constant angular speed of the turbo-machines of the circuit and of the temperatures and @
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constant pressure ratios, modify the pressure level of the circuit while at the same time adjusting the fuel supply. It is advantageous to modify the pressure level by changing the angular speed of the loading unit.
By virtue of the invention, the advantage is achieved that all the machines and all the apparatus of which the plant is composed are given relatively small dimensions. The turbo-machines of the main circuit work under high pressure, which allows small dimensions, while the quantity of air or gas consumed by the charging group is only equal to 1/4 at I / 6 of that circulating in the circuit, which also leads to small dimensions. On the other hand, much smaller dimensions are given not only to the coolers and recuperators (due to the high transmission coefficient heat under high pressure), but also in particular,
heating systems, i.e. combustion chambers and heat exchangers by means of which combustion heat is transferred to the motive force in the circuit. This latter circumstance constitutes an advantage particular of the mode of work which is the subject of the invention, since it is an immediate consequence that the circuit, which takes place under a pressure greater than atmospheric pressure, is not closed. It is only for this reason that the combustion can be carried out in the flow of the motive medium itself, which automatically gives rise to combustion under pressure and excellent conditions for the transmission of heat to the motive medium which is moving in a circuit.
The invention also has advantages of a technical nature. Not only does the efficiency of the installation remain practically unchanged between widely spread load limits, because the pressure ratios and temperatures always remain approximately the same in the circuit and the turbo-machines of the circuit run at high speed
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constant but that in addition the pressure in the combustion chamber or chambers changes in proportion to the developed energy, which is advantageous for the control of the combustion.
This makes it impossible, for example, that at low load, that is to say when the pressure level of the installation is relatively low, the quantity of heat supplied to the circuit becomes much too great as a result of an adjustment error. - age. The passage of oxygen through the combustion chamber is in fact not sufficiently large then - because of the lower pressure - to allow the release of a much too large quantity of combustion heat. Due to the fact that pressurized fires can, as is known, be carried out in a particularly advantageous manner with a very small excess of air, this automatically ensured limitation of the heat supplied according to the load at the moment is very strict. , which gives the installation a very high degree of operating safety.
When the heat of combustion is supplied by heat exchange to the motive force in the circuit, yet another considerable advantage results in that the heat transfer coefficient is roughly proportional to the pressure. In fact, the quantity of heat exchanged is, for temperatures of the combustion chamber which change only very little, proportional to the pressure and consequently to the work developed. As a result, the temperature conditions of the air heater undergo only extremely small variations, which guarantees a very fast and exact adjustment, while the disturbing (retarding) influences of the heat inertia practically disappear.
The further advantage is obtained that, assuming very high efficiencies of the turbine 14 and the blower 15, the charging group still provides additional work so that the electric machine 17 thus also supplies current, which improves again the total useful effect of the installation.
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The accompanying drawing shows schematically, by way of example, some embodiments of the invention.
On this drawing:
FIG. 1 represents a gas turbine installation in which the heating of the motive medium takes place by direct introduction of the fuel into the motive medium.
FIG. 2 illustrates an installation in which the heating of the motive medium takes place in heat exchangers, inside a hot air boiler and in which the combustion gases do not come into contact. with the main circuit.
FIG. 3 shows an installation in which the heating of the motive medium also takes place in a hot air boiler, but in which the combustion gases are mixed with the motive medium.
FIG. 4 shows an installation which functions like that of FIG. 3 with the difference, however, that the adjustment of the angular speed of the low pressure loading group can be carried out freely.
FIG. 5 represents, in longitudinal section, the gas turbine and the arrangement of the heat exchange surfaces according to FIG. 4 and
Figure 6 is a cross section corresponding to Figure 5?
According to Figure 1, the turbo-compressor or blower 1 compresses the motive agent which is sucked in through pipes 2 and 3.
The compression takes place with intercooling, for which an intercooler 4 is provided. After exiting the turbo-compressor 1, the gas is first heated in the heat exchanger 5 and then is carried into the combustion chamber. 6, at the maximum allowable temperature.
The first part of the expansion takes place in the high pressure turbine 7. Another intermediate combustion chamber 8 subjects the motive medium to intermediate heating,
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after which the latter enters the turbine 9 at low pressure.
The gas leaving this turbine 9 is still at a pressure higher than that of the atmosphere, and it flows through the heat exchanger 5 while giving up in counter-current part of its heat to the agent, motor which comes from the blower 1.
In the heat exchanger 5, a determined quantity of gas is withdrawn at the point denoted by 10, while the remaining part flows further, into the cooler 11. In the latter, cooling water enters through pipe 12, is finely distributed and cools the gas in counter-current. The water supplied is sent to the open air through pipe 15. After cooling, the gas enters again at 2 in blower 1.
The part of the gas withdrawn at 10 enters an exhaust gas turbine 14 which controls a charging blower 15. This blower 15 sucks in atmospheric air and delivers it, through a cooler 16, to pipe 3, where it is discharged. is fed, in the compressed state, to the main blower. An electric machine 17 is coupled with the loading group; it serves to compensate for the difference in work provided by the turbine 14 and the blower 15. At the same time, this electric machine 17 makes it possible to influence, by simple action on the angular speed of the loading group, the charging pressure. management and, consequently, the pressure conditions of the entire installation, which at the same time creates a possibility of adjustment.
The turbine 14 and the blower 15 consume quantities of motive agent which correspond to each other; in other words, in the state of equilibrium, a quantity of motive agent passes through the turbine 14 which, compared to that passing through the blower 15, is greater than the quantity of fuel introduced. in the circuit. Preferably, the high pressure turbine 7 has an angular speed greater than that of
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the low pressure turbine 9, which can be obtained for example by interposing a gear transmission 18 interposed between the low pressure turbine and the high pressure turbine. The low pressure turbine 9 is connected to the generator 19 which converts the work supplied to the outside into electrical energy.
FIG. 2 represents an arrangement similar to that shown in FIG. 1, but no provision has been made, for the heating and for the intermediate heating, of combustion chambers with direct fuel supply, but heat exchangers. heat 20 and 21 which are found inside a hot air boiler 22. Therefore, at the place designated by 23, a determined quantity of the driving agent is taken to be used as combustion air in the hot air boiler 22. This stream of withdrawn air then returns to the exhaust gas turbine 14, passing through a filter 24 and through the heat exchanger 5. This turbine 14 is therefore the only machine in the entire installation to be crossed by combustion gases; all others consume air.
However, since the gas has already cooled considerably and is filtered, it is also possible in such installations to use as fuels those which produce flying coke and fly ash, for example coal or coal. to dust.
The cooler 11 of Figure 2 is a surface heat exchanger. The refrigerant enters through pipe 25 into refrigeration coil 26 and leaves cooler 11 through pipe 27.
The main gas turbine is divided into two separate gas turbines, 7 and 9, with the gas turbine 7 controlling the wind tunnel 1 and the gas turbine 9 controlling the generator 19.
Unlike the execution examples according to FIGS. 1 and 2, two loading groups are provided in FIG. 3. The group of the low pressure turbine consists of the turbine 14 'and by the blower 15' and the group of /
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high pressure bine by the turbine 14 and the blower 15.
Between the low pressure charging blower 15 'and the high pressure one 15, an intermediate refrigerant 28 is provided. The arrangement is similar to that of FIG. 2, with the difference that intermediate heating does not exist. . Further, the exhaust gases from the hot air boiler 22 are mixed with the remaining gas stream. At the place designated by 29, part of the gas is again withdrawn and is conducted in the turbine 14, while the remaining part returns to the intercooler 16 via a small heat exchanger 30. The gas leaving the turbine 14 undergoes intermediate heating in the heat exchanger 30 to then reach the turbine 14.
The turbine 7 and the blower 1 are connected by a gear 31 so that the blower 1 turns faster than the turbine 7. The group 14 ', 15' is coupled to the blower 1, since the work developed by the turbine 14 'is not sufficient to control the blower 15'.
The design of the cooler 16 as an injection cooler has the advantage that the cooling can be pushed to a particularly low degree and at the same time a gas cleaning is achieved. Injection coolers can be provided with water separators 32 which operate according to any known method and which employ, for example, Raschig rings. In Figure 3, one of the two coolers, namely cooler 4, is constructed under the form of a combined injection and surface cooler. The coolant injected through the pipe 12 here flows onto the heat exchange surface 26. This arrangement has the advantage that a much smaller amount of water has to be injected.
In FIG. 4, there is also provided a low pressure charging group and a high pressure charging group.
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Compared to figure 3, however, there is the difference that the angular speed of the low pressure loading group 14 ', 15' can be freely adjusted, while the high pressure loading group 14,15 is controlled from the main installation via a gear 33. The operation of the main gas turbine installation (1, 7, 9 and 19) is similar to that of the preceding examples. However, the blower 15 compresses to a pressure greater than that prevailing on the low pressure side of the heat exchanger 5, with the air providing the work.
The compressed air is brought into the combustion chamber 35 through an air heater 34; it is heated in this chamber and is cooled again partially immediately afterwards, in a heat exchanger 20. Thanks to this, the heating of the main gas stream is carried out before this stream enters the gas turbine. high pressure 7 After the heat exchanger 20, the still strongly heated combustion gas leaving the combustion chamber 35 and the gas leaving the turbine 7 are mixed, which gives rise to an intermediate heating.
The main part of the gas mixture thus produced is led to the turbine 9 to carry out the working process there in the manner already mentioned. The remaining part is led through pipe 36 to the place designated by 37 where a branching takes place again. A part of the motive medium is blown by the blower 38 into the combustion chamber 35 to cool the walls of the burner gasket 39 there, while the other part crosses the combustion chamber in counter-current. air 34 and then expands in the high pressure charging turbine 14. On leaving this turbine, the gas arrives in the cooler II where it is mixed again with the main stream. Here it assists the cooling because, on leaving the turbine 14, it is strongly cooled.
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A corresponding quantity of gas is taken from # / sir-
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cooked remaining in the place designated by 40 and expands in the turbine 14 'at low pressure. The gas taken from this location 40 being hotter than that which leaves the turbine 14, this assembly causes a greater production of work by the turbine 14 '. This arrangement therefore has the effect of the heat exchanger 30 of FIG. 3.
It is also apparent from FIG. 4 how such an installation can, by way of example, be adjusted. For this purpose, regulating taps 41, 42 and 43 are provided. Generally, tap 42 is open, while taps 41 and 43 are closed. When the angular speed of the low pressure loading group 14 ', 15 'must increase and, with it the pressure in the entire installation, the valve 42 is partially or entirely closed and the valve 41 is opened on the other hand. It follows that the turbine 14' receives hot gas, so that the work it develops and its angular speed increase.
On the other hand, thanks to the opening of the valve 43, the gas can, by avoiding passing through the turbine 14 ', escape directly into the open air, which leads to a reduction in the work developed and in the speed. angular of the turbine 14 '. Moreover, the regulation takes place in such a way that at least between widely separated limits, the temperature of the combustion chamber and consequently, in general, the temperatures are kept constant during the whole working process. and that the work developed by the installation is only modified by the change in the pressure level.
According to Figures 5 and 6, use is made of heat transfer tubes 20 which are arranged in the manner shown in arcs of a circle above the turbine 7. The gas from the heat exchanger enters at the place designated by 44 (see FIG. 6) and penetrates at 45 and 46 in the tubes 20 to exit again at 47 of these pipes and enter the turbine. The strongly heated gas enters, at 48, in the bundle of tubes and leaves it at 49. The mixture is then mixed with
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the gas which leaves through the exhaust gas pipe 50 of the turbine 7. The current therefore passes transversely over the tubes of the bundle 20.
It is advantageous in this case to choose, for the distances between the arcs of tubes measured in the direction of the axis of the turbine, values less than those measured perpendicular to this axis.
The driving agent withdrawal generally takes place at the end of: expansion, after the gas turbine; it can also take place during expansion, between two gas turbines or at a special tapping point of the turbine.
The exhaust gas turbine and the charging blower can be combined into an independent group. Charging can also take place by means of several charging groups. There may for example be a low pressure group and a high pressure group, and one of these groups can be coupled to the main machine. The adjustment of the loading groups can take place by moving the vanes of the first steering wheel of the exhaust gas turbine.
The expansion of the motive agent can take place in a high pressure turbine and in a low pressure turbine, the former rotating at a greater speed than the latter.
The high pressure turbine and the low pressure turbine can be connected by a gear or the blower can be controlled directly by the high pressure turbine, while the low pressure turbine supplies power to the high pressure turbine. outside.
The blower can, in this case, turn faster than the turbine which controls it. The parts of the installation working at low temperature can be made at least partially of an acid-resistant material.