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PROCEDE ET INSTALLATION POUR THRBINES A GAZ POUR PRODUIRE UN COUPLE AUGMEN- -TANT LORSQUE LA VITESSE DIMINUE.
Dans les installations mécaniques, il est essentiel que le travail mécanique soit transmis de manière que lorsque le nombre de tours diminue, la valeur du couple augmente. Ce problème est résolu d'habitude dans les moteurs à combustion interne par des boites de vitesse mécaniques ou transmissions d'énergie hydrauliques et électriques variables, insérées entre les moteurs et la charge à entrainer, par exemple l'essieu du véhicule. Dans ce cas, le couple transmis par l'arbre moteur varie approximativement avec certaines simplifications et entre certaines limites, en raison inverse du nombre de tours de l'arbre moteur.
En dehors de ces transmissions d'énergie, on peut produire des couples sensiblement augmentés lors de vitesses réduites, jusqu'aux vitesses tout-à-fait petites, avec les machines à vapeur à piston aussi, toutefois, dans ces dernières solutions, le couple ne varie pas même approximativement en raison inverse de la vitesse, de sorte qu'aux différentes vitesses, la
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puissance transmise n'est pas constante et aux petites vitesses elle diminue également.
L'invention est un procédé et une installation pour turbines à gaz qui permet, entre certaines limites de vitesse de la turbine produisant la puissance utile, de débiter un couple parlant en raison inverse du nombre de tours et, de plus, dans le cas d'une exécution favorable, de débiter une puissance approximativement constante et, en conséquence, un couple variant en raison inverse de la vitesse. L'installation, objet de l'invention, se prête par excellence aux véhicules, par exemple à la commande de véhicules sur rail, lorsque la machine motrice peut être utilisée directement couplée avec les essieux,sans aucun renvoi variable pendant l'exploitation.
L'invention se rapporte à une telle installation de turbine à gaz qui consiste en au moins un groupe compresseur-turbine, d'un foyer ; depréfet rence, d'un échangeur de chaleur et d'au moins une turbine dite turbine de travail, fournissant la puissance utile. Le but proposé est atteint en ajustant le poids et la pression de l'agent de travail traversant la turbine de travail à pleine charge, en raison de la caractéristique et de la vitesse momentanée de la turbine, de manière que le couple fourni par la turbine de travail varie en raison inverse au nombre de tours de celle-ci, par exemple de la manière nécessaire pour la commande de véhicules.
La solution la plus favorable est celle qui permet que, le groupe compresseur-turbine fonctionnant approximativement à vitesse constance, le poids du gaz traversant la turbine de travail soit approximativement constant -indépendamment du nombre de tours
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de lls-ci- à une chute de pression a?1'roxi::ssUTt":mt constante, et, ,1an$ ae cas -abstraction faite des variations de rendement de la turbine de travaille travail fourni par la turbine de travail sera indépendant du nombre de tours.
La figure 1 représente la coupe schématique du groupe de machines consistant en un compresseur, échangeur de chaleur, chambre de combustion, en une turbine commandant le compresseur et en une turbine de travail.
La figure 2 montre la relation entre la chute de pression se manifestant dans la turbine de travail et la vitesse périphérique de celle-ci à différents ajustages des aubes de la turbine de travail.
La figure 3 représente la coupe développée de deux lignes dtaubes de la turbine de travail, tandis que la figure 4 contre la coupe d'une aube de la turbine de travail.
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Sur la figure 1, les aubes mobiles 4, constituant des lignes d'aubes, sont montées sur le rotor 2 du compresseur, fixe sur.l'arbre 3 supporté dans les paliers 1. Dans le bâti 5, entourant le rotor, sont montées les aubes fixes 6, constituant également des lignes d'aubes. Les aubes 4 et 6 se trouvent dans la chambre de travail du compresseur qui communique, d'une part, avec la tubulure d'amenée 7 et, d'autre part, avec la turbine de sortie 8, de même qu'avec les tubulures de prélèvement 10, 10' et 10", où se trouvent les organes d'étranglement 11, 11' et 11", capables de fermer les sections totalement. A l'arbre 3 se raccorde, par l'accouplement 9, l'arbre 13 de la tur- bine portant le rotor 12, cet arbre étant supporté dans les paliers 14, 14' et portant les aubes mobiles 15 de la turbine.
Le rotor de la turbine est entouré par le bâti 18, muni de la tubulure d'amenée 16 et celle de sortie 17, et portant les aubes fixes 19. La chambre de travail, remplie par les aubes, communique avec la conduite de prélèvement 20, munie de l'organe d'étranglement 21 capable de fermer la conduite de prélèvement totalement. La turbine de travail 22 est mécaniquement indépendante de ce groupe compresseur-turbine, le rotor 23 de celle-ci étant fixé sur l'arbre 24, supporté dans les paliers 25 et 25' et couplé avec la charge par un arbre. Sur le rotor 23 se trouvent les aubes mobiles 26, constituant les lignes d'aubes, tandis que dans le bâti 27, entourant le rotor, se trouvent les aubes fixes 28@ constituant également des lignes d'aubes.
La chambre de travail, contenant les aubes, communique avec la tubulure d'amenée 29 et celle de sortie 30, de même qu'avec les conduites de prélèvement 31 et 31'. Dans ces dernières sont montés les organes d'étranglement 32, 32' susceptibles de fermer les sections totalement. Entre le compresseur et la turbine qui le commande, se'trouve le foyer 33 alimenté par le brûleur 34, de manière qu'il communique, d'une part, avec la tubulure de sortie 8 du compresseur et, d'autre part, avec la turbine d'amenée 16 de la turbine.
Entre le compresseur et le foyer est inséré l'échangeur de chaleur 35, la chambre 36 de celui-ci étant prévue pour conduire l'air comprimé fourni par le compresseur. La chambre à basse pression 38 de l'échangeur de chaleur est reliée à la tubulure de sortie 37 de la turbine de travail 22 et avec la oondui.te d'échappement 39. A la tubulure d'échappement 17 de la turbine commandant le compresseur se raccorde la conduite 40 qui établit une communication à la tubulure d'amenée 29 de la turbine de travail. A cette conduite, de même qu'à la chambre d'amenée de la turbine commandant le compresseur se raccorde la conduite 41 qui se raccorde aussi à la conduite de prélèvement 20. Dans cette
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conduite 41 se trouve l'organe de réglage 42 susceptible de fermer la section entièrement.
A la conduite 40 se raccorde encore la conduite 45 qui établit une communication entre la conduite 40, la tubulure d'échappement''37 de la turbine de travail et les conduites de prélèvement 31, 31' de la turbine de travail. Dans la conduite 43 se trouve l'organe de réglage 43' et dans la conduite 40, l'organe de réglage 40'. Ces organes de réglage, de même que l'organe de réglage 37', installé dans la tubulure d'échappement 37 avant le raccordement de la conduite 43, sont susceptibles de fermer entièrement les sections des conduites. Ces dispositifs fonctionnent de la manière suivante
Le compresseur commandé par la turbine directement couplée aspire l'agent de travail (de préférence l'air frais) par la tubulure d'aspiration 7.
Cet agent, comprimé à une pression supérieure, quitte le compresseur par la tubulure de refoulement 8, après avoir passé par les lignes d'aubes fixes et mobiles de la chambre de travail, et il entre dans l'échangeur de chaleur 35.
Il traverse la chambre de travail 36 de celui-ci, tout en absorbant la chaleur des gaz usés, quittant l'installation par l'autre chambre de travail de l'échangeur de chaleur et il s'y échauffe. De l'échangeur de chaleur, l'agent de travail frais arrive dans la chambre de combustion 33, où il s'échauffe encore plus en raison de la chaleur du combustible introduit par le brûleur ou pulvérisateur 34 et y brûle, ensuite il entre dans la turbine commandant le compresseur par la tubulure d'amenée 16, où il se détend et transmet la quantité de travail à l'arbre 13 qui est exactement nécessaire pour vaincre le frottement des paliers et pour commander les machines auxiliaires éventuelles et principalement le compresseur.
L'agent de travail quittant la turbine commandant le compresseur arrive, par la conduite 40, à la tubulure d'amenée 29 et traverse la turbine de travail 22, tout en transmettant à l'arbre le couple moteur, c'est-à-dire le travail utile. Ensuite le gaz arrive, par la tubulure d'échappement 30 et le raccordement 37, dans la chambre de travail à basse pression de l'échangeur de chaleur 35 qu'il traverse en communiquant sa chaleur à l'agent de chaleur frais et ,enfin, il s'échappe à l'extérieur par la conduite 39. Le fonctionnement décrit se rapporte au cas où les organes de fermeture lly 11', 11", 42,21, 43', 32 et 32' se trouvent dans leurs positions entièrement fermées et les organes de fermeture 37' et 40' sont entièrement ouverts.
Dans ce cas, avec une exégution appropriée, on peut obtenir que,la vitesse et la température d'amenée du groupe compresseur-turbine étant constantes, ou approximativement constantes, lors de l'utilisation entière où à la proximité de
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celle-ci, la turbine de travail puisse débiter différents couples en raison de son nombre de tours, ce couple augmentant lorsque le nombre de tours diminue.
Pour que ceci ait lieu de manière idéale, c'est-à-dire en débitant une puissance approximativement constante, il est nécessaire que la turbine de travail, malgré sa vitesse variable, travaille à une chute de pression #p constante et qu'elle puisse consommer un poids de gaz constant à vitesse varia- ble et à une chute de pression constante, ce poids de gaz correspondant juste- ment au poids de gaz fourni par le groupe compresseur-turbine et la pression à celle qui subsiste encore après avoir retranché la chute de pression se mani- @ festant dans la turbine commandant le compresseur, de la chute de pression disponible totale.
De plus, le fonctionnement idéal exige que, dans les dif- férents régimes correspondant à différentes vitesses, le rendement de la tur- bine de travail reste constamment à une valeur tellement élevée, que l'instal- lation reste économique.
Les essais entrepris ont démontré que, lors d'une certaine exé- cution spéciale de l'aubage de la turbine de travail, on peut satisfaire à ces conditions avec une bonne approximation. Ces conditions sont représentées sur la figure 2, où les ordonnées représentent la chute de pression se manifestant dans la chambre de travail et les abscisses le nombre de tours de la turbine de travail. Les courbes individuelles de cette figure se rapportent à dif- férentes exécutions des aubes et à une vitesse d'entrée constante, dont la valeur n'est pas forcément identique pour les différents aubages la variation de cette Valeur entraînant la modification, même dans le cas du même aubage, de la forme et de la position de la courbe respective.
Avec les aubages corres- pondant à la courbe "b" et, en particulier, à celle "a",on ne peut pas s'ap- procher des conditions idéales, étant donné que la chute de pression se pré- sentant dans les turbines de travail varie sensiblement avec la vitesse de celle-ci. Dans le cas de l'aubage correspondant à la courbe "c", les conditions sont déjà sensiblement améliorées, étant donné qu'il y a un tel domaine de vitesse, dans lequel la chute de pression ne varie pas considérablement.
L'aubage suivant la courbe "d" donne déjà une bonne approximation des condi- tions idéales, comme entre les vitesses no et n1 la chute de pression dans la turbine ne varie que légèrement, c'est-à-dire entre ces limites de vitesse elle est approximativement constante* Pratiquement, il suffit,,si la chute de pression se présentant dans la turbine de travail est approximativement cons-
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tante entre les limites de vitesse correspondant au rapport.1 n/no > = 2,
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où no signifie la vitesse de régime'inférieure. La courbe "e", où les limites de vitesse correspondant à la chute de pression pratiquement constante sont de nouveau plus rapprochées, ne satisfait pas aux conditions imposées aussi bien que la courbe "d".
Suivant les essais, la caractéristique chute de pression-vitesse correspondant à la courbe "d" peut être obtenue avec un tel aubage, où les aubes utilisées sont beaucoup moins bombées que celles utilisées dans les turbines à vapeur (fig.4, rapport m/s) et, notamment, leur bombage se rapproche de celui des profils d'ailes utilisés dans l'aéronautique beaucoup plus qu'à celui des aubes utilisées dans les turbines à vapeur. De plus, l'angle de pose des aubes par rapport à la direction de passage de l'agent de travail marquée par la ligne x-x sur la figure 3, mesuré entre le côté concave des aubes et la direction x-x (l'angle ss) se trouve entre la et 45 .
Vu que tant les aubes fixes que celles mobiles peuvent être tordues le long de leur longueur (dans le sens radial) l'angle ss peut aussi varier le long du rayon, donc, cette dernière condition est comprise de manière que l'angle se trouve, à au moins un rayon de la longueur de l'aube, entre les limites données, Pour deux lignes d'aubes fixes et mobiles en coopération, il ne faut pas que ce diamètre soit le même diamètre et,de faqon générale, il peut être différent dans chaque ligne d'aubes.
Si la valeur de l'angle/? est trop grande, on ob- tient les caractéristiques type "a", "b" et "c" représentées sur la figure 2 et dans le cas contraire on obtient la caractéristique type "e", Dans le cas d'un angle de pose juste et d'aubes de forme appropriée, on obtient la caractéristique s'approchant de la chute de pression constante, lorsque la vitesse de passage dans les étages indiyiduels de la turbine de travail, à l'utilisation totale ou à proximité de celle-ci, approche ou dépasse la vitesse périphérique mesurée sur le cercle intérieur des aubes mobiles de la turbine de travail, Suivant les essais, justement dans le cas, où la caractéristique satisfait à la condition de la chute de pression constante, le rendement de la turbine de travail a une valeur satisfaisante (65 à 90 pour 100) entre des limites de vitesse étendues.
Donc, déjà par l'aubage approprié de la turbine de travail, on peut obtenir qu'à pleine charge, ou à proximité de celle-ci, avec une pression et une température d'admission données et à un poids constant du gaz traversant la turbine de travail, la chute de pression dans la turbine de travail soit suffisamment indépendante de la vitesse, entre certaines limites de celle-ci, A ce sujet, il est important que la section des aubes soit similaire au profil des ailes d'avion;
notamment, dans ce cas les aubes sont
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suffisamment arrondies du côté d'entrée pour que,'dans le cas de directions d'entrée différentes, correspondant à diverses vitesses, des pertes de choc ne puissent pas se présenter. 'Sur la figure 3, la direction de passage de l'agent de travail, avant et après 1'.entrée dans la ligne d'aubes, correspondant à une certaine vitesse, est marquée par les flèches zi et z2.
Vu que la caractéristique "d" suivant la figure 2 de la turbine de travail-bien qu'elle donne une bonne approximation de la caractéristique désirée- ne satisfait pas entièrement à la condition de la chute de pression exactement constante, il est utile de corriger les déviations de la caractéristique par le réglage de la turbine. Dans ce but, on peut utiliser les condui- tes de prélèvement et de contournement représentées sur la figure 1. Hi la chute de pression se présentant dans la turbine de travail est supérieure à la valeur désirée, par l'ouverture partielle des organes de fermeture 32, ou 32t on peut prélever de la turbine de travail une quantité de gaz par la conduite 43 telle que la chute de pression dans la turbine de travail soit réduite dans la mesure désirée.
Grâce à la disposition des conduites de contournement aux endroits appropriés, on peut obtenir que la perte de rendement qui en résulte,. soit très petite. Il est utile de procéder de manière qu'à la chute de pression prescrite, les conduites de prélèvement ou une partie de celles-ci se trouvent déjà au moins partiellement ouvertes; alors, en augmentant l'étranglement, la chute da pression se présentant dans la turbine de travail peut être augmentée et, par la diminution de l'étranglement, la chute de pression peut être diminuée, de sorte qu'on peut obtenir un réglage de pression dans deux sens. Bien que ce ne soit pas aussi favorable, on peut utiliser ,au lieu des conduites de prélèvement, seulement la conduite de contournement 43, dont l'étranglement est modifié par l'organe de réglage 43'.
En ouvrant l'organe de réglage 43' ou en augmentant son ouverture, l'agent de travail contourne partiellement la turbine de travail tout en réduisant la chute de pression qui s'y présente. On peut cependant procéder aussi de manière que l'imperfection de la caractéristique de la turbine de travail ne soit pas corrigée sur la turbine de travail même, mais partiellement ou totalement sur la turbine commandant le compresseur* La conduite de prélèvement 20 et celle de contournement 41 sont prévues à cet effet.
En ouvrant la soupape d'étranglement 21, prévue dans la conduite de prélèvement 20, on peut diminuer la partie de la chute de pression se présentant dans la turbine commandant le
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compresseur par rapport à la chute de pression se présentant dans la turbine de travail et en au-;mentant l'étranglement, on peut l'agumenter. En agissant sur la soupape d'étranglement 42 dans la conduite de contournement 41 on peut produire un effet du même sens, Grâce à ces moyens, on peut obtenir sur l'arbre de la turbine de travail un couple variant en sens inverse à la variation du nombre de tours, même si la caractéristique de la turbine de travail n'est pas la plus appropriée mais d'un caractère moins favorable, par exemple suivant la courbe "a" et "b" de la figure 2.
Dans ce cas, lors de la diminution du nombre de tours, la chute de pression absorbée par la turbine de travail augmente, le poids du gaz en passage étant constant. Comme cependant le groupe compresseur-turbine ne peut pas fournir la pression augmentée, en défaut d'autre réglage, la vitesse de ce dernier balisera* Or, par cela le poids du gaz amené à la turbine de travail diminue et la chute de pression absorbée par la turbine de travail diminue également;
enfin la vitesse du groupe compresseur-turbine se stabilise à une certaine valeur inférieure, Entretemps cependant, comme la quantité d'air fourni par le compresseur ne reste pas constante non plus, c'est-à-dire comme elle s'ajuste à une nouvelle valeur, différente de celle initiale, la caractéristique chute de pression-vitesse en question selmodifie également, et cela de manière que sa forme s'approche encore plus de la forme de la courbe "d" de la figure 2. Naturellement, la condition fondamentale qu'après l'établissement d'un nouveau régime le couple de la turbine de travail-vu la diminution de son nombre de tours- soit supérieur au couple initial, reste en vigueur.
Vu cette condition, une turbine ayant un ajustage des aubes et une caractéristique arbitraires, ne conviendra naturellement pas et en considérant les courbes de la figure 2 on peut comprendre que lors de la diminution de la vitesse de la turbine de travail une telle stabilisation est de son couple est d'autant plus possible et cela d'une manière d'autant plus parfaite que l'ajustement angulaire de l'aubage, donc sa caractéristique, s'écarte moins de la courbe "d" de la figure 2 considérée comme la plus favorable, tandis que dans le cas d'un écart supérieur, il en résulte un cas limite auquel et au-delà duquel la variation du couple n'est plus appropriée.
Des considérations similaires s'appliquent également dans le cas de la caractéristique correspondant à la courbe "e" de la figure 2 Si lors de la diminution de la vitesse de la turbine de travail on opère un réglage du procédé au moyen des organes de fermeture et d'étranglement, par
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exemple dans l'exemple ci-dessus par l'ouverture des organes de fermeture 32, 32' ou 43', il ne faut pas que la vitesse du groupe compresseur-turbine diminue, dans le cas de l'ouverture appropriée des organes de fermeture elle peut même augmenter.
Donc, en raison du but de l'invention, on peut obtenir, soit grâce à l'exécution appropriée des lignes d'aubes de la turbine de travail seule, soit par le réglage décrit des turbines ou par d'autre réglage approprié, le cas échéant, par l'emploi simultané des deux moyens,que le couple de la turbine de travail varie en raison inverse de la variation de la vitesse. Toutefois, dans chaque cas respectif, il reste valable que dans ce but il faut faire traverser par la turbine de travail, au moyen du groupe compresseur-turbine, une quantité d'agent de travail d'un poids défini, dépendant de la caractéristique chute de pression-vitesse et de la vitesse momentanée de la turbine de travail.
Les soupapes de réglage 11, 11' et 11" du compresseur permettent de faire marcher l'installation à charges partielles, en particulier, si lors de la diminution de la charge, on ne désire pas diminuer la vitesse du groupe compresseur-turbine ou si l'on ne désire pas le faire dans la mesure . exigée par la diminution de la charge. Dans ce cas, on ouvre ces soupapes d'étranglement ou quelques unes parmi elles, de sorte qu'une partie de l'air aspiré par le compresseurs' échappe de nouveau du compresseur et ainsi on diminue la pression produite par le compresseur et la quantité de gaz traversant le compresseur, ce qui entraîne la diminution de la puissance.
Si l'on veut arrêter la turbine de travail entièrement tout en faisant marcher le groupe compresseur-turbine, on peut ouvrir entièrement la soupape d'étranglement 43', et fermer entièrement la soupape d'étranglement 40'. Dans ce cas, il n'y a aucun passage de gaz dans la turbine de travail, de sorte qu'on ne peut pas développer de couple. On peut aussi fermer la soupape d'étrang&ement 37', au lieu de fermer la soupape d'étranglement 40' ou freiner la turbine de travail par une quelconque de ces soupapes d'étranglement - en tant qu'elles ne sont pas entièrement fermées* Ce procédé se prête aussi au freinage des véhicules s'ils commandent la turbine de travail comme compresseur, La turbine commandant le compresseur et la turbine de travail sont branchées en série au point de vue du passage de l'agent de'travail.
On peut disposer la turbine de travail, comme turbine à haute pression, en amont de la turbine commandant le compresseur ou suivant la figure 1, comme turbine à basse pression, en aval de la turbine commandant le compresseur. On peut aussi exécuter
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la turbine de travail en plusieurs unités, branchées en parallèle ou en série.
De même, on peut utiliser plusieurs compresseurs ou turbines commandant des compresseurs branchés en parallèle ou en série. On peut réaliser cette solu- tion aussi avec refroidissement intermédiaire en plusieurs étages pendant la compression ou avec chauffage intermédiaire entre les turbines. De plus, l'exé cution peut être aussi telle qu'on n'utilise pas un échangeur de chaleur, surtout lorsque l'encombrement et le poids doivent être réduits. La chambre de combustion peut être munie d'un foyer de système quelconque. Elle peut être alimentée par du combustible solide, pulvérisé, liquide ou gazeux, le foyer et le dispositif de dosage étant exécutés en raison de la nature du combustible et le dispositif de dosage peut être commandé soit directement à partir de la turbine, soit par une commande extérieure.
Comme, en particulier dans les véhicules, il est avantageux et désirable que lors de l'arrêt du véhicule, le couple de démarrage suffisant soit disponible, en exécutant l'aubade, il faut tenir compte de cette circonstance. La position trop raide des aubes (petit angle ss) entraîne, aux pe- tites vitesses, la baisse de la caractéristique de pression suivant la courbe "e" de la figure 2, ce qui diminue le couple de démarrage. Donc, il est préférable de choisir l'angle de pose de l'aubage de manière que le couple de démar rage ne soit pas inférieur* au couple de régime correspondant à la limite de vitesse inférieure (no). Il est très avantageux d'exécuter la turbine de travail comme turbine & surpression, de manière que les chutes de pression dans les lignes d'aubes fixes et mobiles soient approximativement égales.
Notamment, dans le cas de turbines qui ne sont pas du type à surpression, à petites vitesses périphériques, la ligne d'aubes fixes fonctionnera comme compresseur contre la chute de pression se présentant dans les aubes mobiles ; pour cette raison, à des vitesses périphériques inférieures à celle normale le rendement de tels dispositifs est sensiblement inférieur à celui des turbines à surpression qui fournissent, en conséquence, un couple supérieur. Ces conditions existent surtout lors de l'emploi de l'aubage du type décrit en ce qui précède.