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"PROCEDE DE REGLANE D'INSTALLATIONS A TURBINES A GAZ"
Dans les installations à turbines à gaz avec combustion à pression constante, il est nécessaire, eu égard au rendement, de maintenir la température du gaz moteur, à toutes les charges, aussi haute que le permet la sécurité de travail des aubes. Lors- que la détermination de la température du gaz moteur s'opère par le mélange avec de l'air froid, chaque charge de la turbine exige une quantité d'air déterminée et celle-ci exige, dans le cas de compresseurs centrifuges, la rotation du compresseur à un nombre do tours bien déterminé;, si l'on veut que l'installation fonc- tionne avec un bon rendement.
Pour cette raison, on fait, pour autant que ce soit possible,
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travailler à un nombre de tours variable la turbine à gaz entra!- nant son compresseur, ou bien on exécute avantageusement l'ins- tallation avec plusieurs arbres, en donnant un nombre de tours constant à la turbine fournissant la puissance utile, mais un nombre de tours variable à la ou aux turbines à gaz entraînant le compresseur.
Le réglage s'en trouve en tous cas rendu plus difficile, étant donné que, sans prendre des dispositions spécia- les, il est impossible, lors d'accroissements importants et brus- ques de la charge, d'accélérer la turbine avec son compresseur assez rapidement jusqu'au nombre de tours qui est nécessaire pour que le compresseur fournisse la quantité d'air correspondant à la nouvelle aharge. Il est vrai que le combustible nécessaire pour une augmentation de la puissance pourrait être immédiatement introduit et brûlé sans inconvénients, puisqu'il trouverait plus qu'assez d'oxygène dans l'air froid, mais cette disposition n'est toutefois pas directement admissible, parce qu'il en résulterait des températures beaucoup trop élevées.
Une augmentation de tempé- rature seule, sans augmentation simultanée de la quantité de gaz moteur, ne suffirait d'ailleurs pas pour produire le travail d'accélération nécessaire.. En plus du moyen de refroidissement, il faut donc également prévoir un moyen moteur additionnel immé- diatement disponible.
Suivant l'invention, il est proposé, pour le réglage d'iris- tallations à turbines à gaz comportant un ou plusieurs arbres, dont un au moins tourne à un nombre de tours variant avec la charge, d'ajouter aux gaz moteurs, et ce seulement pendant le réglage, de l'eau ou de la vapeur d'eau, afin d'accélérer l'opé- ration de réglage.
Il a déjà. Pté souvent proposé d'ajouter de l'eau aux gaz moteurs des turbines à gaz, afin de maintenir ces gaz à une basse température ; il est également connu d'opérer le refroidissement
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à l'aide de vapeur ou, avant tout, d'augmenter la puissance des turbines à gaz, par l'addition de vapeur. Cette addition se fai- sait toutefois toujours d'une façon continue, c'est-à-dire pen- dant la marche normale, et se traduisait donc toujours par une diminution du rendement de l'installation, pour autant que la vapeur n'était pas due uniquement à des chaleurs perdues qui ne pouvaient pas être utilisées autrement.
Dans le cas actuel, l'injection d'eau ou l'addition de va- peur ne s'opère que pendant le temps très court qui est nécessaire pour produire l'accroissement du nombre de tours exigé par les augmentations de la charge* Ce temps est tellement court qu'une diminution éventuelle du rendement ne joue aucun rôle. Si la- vapeur est produite par de la chaleur perdue, on évite également dans ce cas toute réduction du rendement.
Dans le cas de turbines à gaz entraînant dea compresseurs de charge pour des machines à combustion à pistons, il a également déjà été proposé d'accélérer l'opération de réglage à l'aide d'air comprimé qui était emmagasiné dans des bouteilles et qu'on diri- gaait sur la roue de turbine, ensemble avec les gaz moteurs ou séparément par des ajutages spéciaux. Ce procédé pouvait bien être envisagé pour les puissances relativement faibles des sus- dits dispositifs de charge, mais est bien trop peu économique, trop encombrant et trop coûteux pour les installations à turbines à gaz, où il s'agit de machines principales.
A titre d'exemple, une installation pour la mise en oeuvre du procédé suivant l'invention est représentée au dessin schéma- tique annexé. Cet exemple concerne une installation comportant deux turbines à gaz, une chambre de combustion commune et faisant usage de vapeur pour accélérer l'opération de réglage. L'air atmosphérique est aspiré par le compresseur 1, comprimé et amené dans la chambre de combustion 2, dans laquelle le combustible est brûlé.
Après la sortie de la chambre de combustion, le gaz moteur est amené, d'une part, dans la turbine 3 fournissant la
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puissance utile, laquelle turbine entrafne à, un nombre de tours constant la génératrice de courant 4, et, d'autre part, dans la deuxième turbine 5 qui transmet sa puissance au compresseur 1 et tourne à un nombre de tours variable. Pour la mise en marche, le groupe compresseur est entraîne par le moteur de démarrage 6.
Le régulateur de vitesse 7 détermine, par 1'intermédiaire a'une coulisse ou guide curviligne 8, la position de la soupape de combustible 9, qui est actionnée par un piston moteur 10 et son piston distributeur 11. Lorsque, par exemple, le nombre de tours de la génératrice de courant 4 dbainue par suite d'une prise en charge, la soupape de combustible 9 est ouverte davantage, de sorte que la température des gaz moteurs s'élève et que les tur- bines 3 et 5 peuvent développer une puissance plus forte. Le réglage du nombre de tours du groupe compresseur est réalisé par l'intermédiaire d'un deuxième guidage curviligne 12, tandis que la répartition de la transmission de puissance des gaz moteurs aux deux turbines est réglée par l'intermédiaire d'un troisième guidage curviligne 13, d'un piston distributeur 14 et d'un piston moteur 15.
Dans l'exemple illustré, il est prévu deux organes d'étranglement 16 et 17 qui produisent alternativement l'étrangle- ment des gaz devant l'une ou l'autre des turbines. Sous l'effet d'une charge, par exemple, la position du régulateur de vitesse 18 reste d'abord inchangée, tandis que le guidage curviligne 13 est soulevé par la tringlerie, de sorte qu'en premier lieu, la soupape 16 est complètement ouverte (si elle n'était pas déjà ouverte), et que la soupape 17 commence à se fermer. Il en résulte que la puissance de la turbine 5 croîtra jusqu'à ce que le nombre de tours du compresseur ait atteint la valeur requise.
Lorsque celle-ci est atteinte, le régulateur de vitesse 18 ramène de nouveau, par l'intermédiaire du guidage curviligne 13, la répar- tition de la puissance entre les deux turbines à un point tel que le nombre de tours du compresseur ne subit plus d'augmentation ni de diminution.
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Au lieu des organes d'étranglement 16 et 17, on peut égale- ment prévoir des soupapes de mélange, qui ajoutent aux gaz moteurs de l'air froid pris à la tubulure de refoulement du compresseur, ou bien les turbines peuvent être munies d'une distribution d'ad- mission.
Lors d'une brusque et grande diminution de charge, le système de réglage fonctionne directement d'une manière convenable : tout d'abord, la température du gaz moteur subira immédiatement un abaissement important par suite de la réduction du combustible, mais alors la quantité d'air se trouvera réduite par suite de la diminution progressive du nombre de tours du compresseur, de sorte que la température montera de nouveau. Lors d'une forte charge brusque, il se produirait toutefois provisoirement une température élevée intolérable des gaz moteurs. Mais suivant l'invention, un organe régulateur entre en action à ce moment, lequel organe pro- duit une addition d'eau ou de vapeur d'eau aux gaz moteurs. Dans l'exemple illustré, un thermostat 19 agit dès que la température a atteint sa valeur maximum admissible.
Par l'intermédiaire du récepteur 20, ce thermostat produit, par voie électrique ou méca- nique, le mouvement du piston distributeur 21, qui contrôle le piston moteur 22. Celui-ci actionne la soupape 23, par laquelle, conformément à l'invention, de la vapeur est insufflée dans le circuit du gaz moteur.
Comme montré dans l'exemple de réalisation illustré, l'intro- duction de vapeur peut se faire dans la chambre de combustion, mais elle peut également s'opérer dans la canalisation de gaz moteur, ou directement devant la turbine, ou même dans un autre étage de la turbine. L'ajoute de la vapeur produit une augmentation du volume du gaz moteur. Comme le pouvoir d'absorption de la turbine n'est toutefois pas modifié, il devrait se produire un accroissement de pression qui provoquerait une diminution de la masse déplacée par le compresseur dans la zone de pompage. Pour
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éviter cet inconvénient, on prévoit des ouvertures supplémentaires qui sont ouvertes pendant l'opération de réglage.
Ces ouvertures supplémentaires peuvent être formées par des groupes spéciaux de tuyères, ou des aubes directrices ou des aubes mobiles, dont les sections transversales de passage sont augmentées par le déplace- ment angulaire de ces aubes, ou encore des conduites de dérivation par lesquelles on peut sauter quelques étages d'une même turbine ou, dans le cas de plusieurs turbines branchées l'une derrière l'autre, sauter des turbines entières ou bien les brancher en parallèle l'une par rapport à l'autre. On peut aussi prévoir une turbine spéciale qui n'entre en action que pendant l'opération de réglage.
Dans le présent exemple d'exécution, l'augmentation de section transversale est produite par l'introduction du fluide moteur dans un étage supérieur de la turbine entraînant le compresseur.
Le conduit de dérivation 28 est fermé pendant la marche normale,, Lorsque le piston moteur 22 se met en mouvement, il ouvre simul- tanément la soupape d'injection de vapeur 23 et le clapet monté dans le conduit 28.
La vapeur utilisée pour accélérer l'opération de réglage peut, comme signalé ci-dessus, être produite par la chaleur perdue de la turbine à gaz ou bien par des chaudières chauffées spécia- lement, pendant des périodes de travail plus longues. Afin de disposer immédiatement d'une quantité de vapeur suffisamment grande, cette vapeur est toutefois avantagusement accumulée dans un réservoir 24 à différence de niveau muni d'une soupape de retenue 25 et d'un purgeur d'eau de condensation 26.
Dans le cas où les opérations de réglage se répètent en grand nombre en peu de temps, il peut arriver que la production de vapeur ne suffit plus pour maintenir une pression minimum déterminée dans le ré- servoir de vapeuro Dans ce cas critique, l'accélération par l'ad- dition de vapeur peut être momentanément remplacée, ou plutôt
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rendue superflue, par le fait qu'on laisse tourner à pleine vitesse ou à peu près à pleine vitesse, la turbine qui fonctionne à un nombre de tours variable, de façon que le compresseur soit sans retard an état de fournir la quantité Maximum d'air. Ce fonctionnement diminue évidemment le rendement, ce qui est cepen- dant sans importance puisque ce cas exceptionnel ne se présente que rarement et est d'ailleurs de courte durée.
Pour pouvoir réaliser ce fonctionnement critique, on a prévu le dispositif 27, dont le piston moteur 31 influence la position fondamentale de la tringlerie de réglage du régulateur 18, de telle façon que la quantité de gaz moteur nécessaire pour attein- dre la pleine vitesse soit fournie à la turbine (5) considérée, à l'intervention des dispositifs 14,15, 16 et 17.
Pendant la marche normale, il existe dans le réservoir 24 une pression qui exerce sur le piston 31 une force qui dépasse celle du ressort 29, de sorte que la tringlerie de réglage se déplace toujours sans perturbation de la manière déterminée par le guidage curvi- ligne 12. Ce n'est que lorsque la pression de vapeur est tombée au-dessous d'une pression minimum déterminée, par suite de l'épui- sement du réservoir de vapeur, que le ressort 29 parvient à sou- lever la tringlerie du guidage curviligne 12 et à opérer le réglage à un nombre de tours plus élevé.
Au lieu de vapeur, on peut également mélanger de l'eau aux gaz moteurs. Dans ce cas, la quantité de combustible doit être immédiatement augmentée dans une mesure encore plus forte, puis- qu'il faut alors produire non seulement la chaleur de surchauffe pour la vapeur, mais aussi la chaleur de vaporisation pour l'eau injectée. L'air nécessaire à la combustion de ce combustible est de nouveau prélevé sur l'air froid, jusqu'au moment où la soufflerie est en état de fournir seule la quantité de fluide moteur correspondant à la nouvelle charge. Dans ce cas également,
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c'est le thermostat 19 qui provoque la mise en marche de l'in- jection d'eau. Le réservoir 24 est remplace par un récipient d'eau à cloche d'air.
La quantité d'eau nécessaire, qui est relativement faible, peut toutefois être fournie directement par une pompe.
Au lieu du thermostat 19, on peut également employer d'au- tres dispositifs produisant des impulsions. Ainsi, par exemple, des régulateurs de mélange, qui ajustent immédiatement le rapport entre les quantités de combustible et d'air comburant. La quan- tité de combustible peut, dans ce cas, être mesurée par la mesure de la quantité passée ou simplement par la position de la soupape de combustible, ou encore par une grandeur correspondant à cette position (dans l'exemple illustré, le nombre de tours de la tur- bine produisant la puissance utile), tandis que la quantité d'air est déterminée également par la mesure de la quantité passée ou par le nombre de tours du compresseur.
REVENDICATIONS.
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1 - Procédé de réglage d'installations à turbines à gaz, comportant un ou plusieurs arbres, dont un au moins tourne à un nombre de tours variant avec la charge, caractérisé cn ce que, afin d'accélérer l'opération de réglage, de l'eau ou de la vapeur d'eau est ajoutée aux gaz moteurs d'au moins une turbine, pendant la durée de l'opération de réglage seulement.
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"PROCEDURE FOR ADJUSTING GAS TURBINE INSTALLATIONS"
In gas turbine installations with combustion at constant pressure, it is necessary, in view of the efficiency, to keep the temperature of the driving gas, at all loads, as high as the working safety of the blades allows. When the temperature of the engine gas is determined by mixing with cold air, each load of the turbine requires a determined quantity of air and this requires, in the case of centrifugal compressors, the rotation of the compressor at a well-determined number of revolutions ;, if the installation is to operate with good efficiency.
For this reason, we do, as far as possible,
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work at a variable number of revolutions the gas turbine driving its compressor, or the installation is advantageously carried out with several shafts, giving a constant number of revolutions to the turbine supplying the useful power, but a number variable revolutions to the gas turbine (s) driving the compressor.
In any case, the adjustment is made more difficult, given that, without taking special measures, it is impossible, during large and sudden increases in the load, to accelerate the turbine with its compressor. quickly enough up to the number of revolutions which is necessary for the compressor to supply the quantity of air corresponding to the new load. It is true that the fuel necessary for an increase in power could be immediately introduced and burned without inconvenience, since it would find more than enough oxygen in the cold air, but this arrangement is however not directly admissible, because it would result in much too high temperatures.
An increase in temperature alone, without a simultaneous increase in the quantity of engine gas, would moreover not be sufficient to produce the necessary acceleration work. In addition to the cooling means, it is therefore also necessary to provide an additional driving means. immediately available.
According to the invention, it is proposed, for the adjustment of gas turbine installations comprising one or more shafts, at least one of which rotates at a number of revolutions varying with the load, to add to the engine gases, and only during the adjustment, water or steam, in order to speed up the adjustment operation.
He has already. It is often proposed to add water to the engine gases of gas turbines, in order to keep these gases at a low temperature; it is also known to operate the cooling
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using steam or, above all, to increase the power of gas turbines, by adding steam. This addition was, however, always carried out continuously, that is to say during normal operation, and therefore always resulted in a reduction in the efficiency of the installation, provided that the steam was not was not due only to wasted heat that could not be used otherwise.
In the present case, the injection of water or the addition of steam takes place only for the very short time which is necessary to produce the increase in the number of revolutions required by the increases in the load. time is so short that a possible decrease in yield is irrelevant. If the steam is produced by waste heat, any reduction in efficiency is also avoided in this case.
In the case of gas turbines driving charge compressors for piston combustion machines, it has also already been proposed to speed up the adjustment operation using compressed air which was stored in bottles and which It was driven on the turbine wheel, together with the driving gases or separately through special nozzles. This process could well be envisaged for the relatively low powers of the aforesaid load devices, but is far too uneconomical, too bulky and too expensive for gas turbine installations, where they are main machines.
By way of example, an installation for implementing the method according to the invention is shown in the attached diagrammatic drawing. This example relates to an installation comprising two gas turbines, a common combustion chamber and making use of steam to accelerate the adjustment operation. Atmospheric air is drawn in by the compressor 1, compressed and brought into the combustion chamber 2, in which the fuel is burnt.
After leaving the combustion chamber, the driving gas is brought, on the one hand, into the turbine 3 providing the
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useful power, which turbine drives at a constant number of revolutions the current generator 4, and, on the other hand, in the second turbine 5 which transmits its power to the compressor 1 and rotates at a variable number of revolutions. For start-up, the compressor unit is driven by the starter motor 6.
The speed regulator 7 determines, by means of a slide or curvilinear guide 8, the position of the fuel valve 9, which is actuated by a driving piston 10 and its distributor piston 11. When, for example, the number of revolutions of the current generator 4 cleaned up as a result of a take-over, the fuel valve 9 is opened more, so that the temperature of the engine gases rises and the turbines 3 and 5 can develop a stronger power. The number of revolutions of the compressor unit is adjusted by means of a second curvilinear guide 12, while the distribution of the power transmission of the engine gases to the two turbines is regulated by means of a third curvilinear guide 13, a distributor piston 14 and a motor piston 15.
In the example illustrated, two throttling members 16 and 17 are provided which alternately produce throttling of the gases in front of one or the other of the turbines. Under the effect of a load, for example, the position of the speed regulator 18 initially remains unchanged, while the curvilinear guide 13 is lifted by the linkage, so that in the first place the valve 16 is completely open (if it was not already open), and valve 17 begins to close. As a result, the power of the turbine 5 will increase until the number of revolutions of the compressor has reached the required value.
When this is reached, the speed regulator 18 again brings back, by means of the curvilinear guide 13, the distribution of the power between the two turbines to a point such that the number of revolutions of the compressor no longer undergoes. neither increase nor decrease.
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Instead of the throttling members 16 and 17, it is also possible to provide mixing valves, which add to the driving gases cold air taken from the discharge pipe of the compressor, or the turbines can be provided with. an admission distribution.
In the event of a sudden and great decrease in load, the control system works directly in a suitable way: first of all, the temperature of the engine gas will immediately undergo a significant reduction as a result of the reduction in fuel, but then the quantity air will be reduced as a result of the gradual decrease in the number of revolutions of the compressor, so that the temperature will rise again. However, during a sudden heavy load, an intolerable high temperature of the engine gases would temporarily occur. But according to the invention, a regulating member comes into action at this moment, which member produces an addition of water or water vapor to the driving gases. In the example illustrated, a thermostat 19 acts as soon as the temperature has reached its maximum allowable value.
By means of the receiver 20, this thermostat produces, electrically or mechanically, the movement of the distributor piston 21, which controls the motor piston 22. The latter actuates the valve 23, by which, in accordance with the invention , steam is blown into the engine gas circuit.
As shown in the exemplary embodiment illustrated, the introduction of steam can take place in the combustion chamber, but it can also take place in the driving gas pipe, or directly in front of the turbine, or even in a other stage of the turbine. The addition of steam produces an increase in the volume of the engine gas. As the absorption power of the turbine is not changed, however, an increase in pressure should occur which would cause a decrease in the mass displaced by the compressor in the pumping zone. For
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to avoid this drawback, additional openings are provided which are opened during the adjustment operation.
These additional openings can be formed by special groups of nozzles, or guide vanes or mobile vanes, the passage cross sections of which are increased by the angular displacement of these vanes, or alternatively bypass pipes through which it is possible. jump a few stages of the same turbine or, in the case of several turbines connected one behind the other, jump entire turbines or connect them in parallel with one another. It is also possible to provide a special turbine which only comes into action during the adjustment operation.
In the present exemplary embodiment, the increase in cross section is produced by the introduction of the working fluid into an upper stage of the turbine driving the compressor.
The bypass duct 28 is closed during normal operation. When the motor piston 22 starts moving, it simultaneously opens the steam injection valve 23 and the valve mounted in the duct 28.
The steam used to speed up the control operation can, as noted above, be produced by waste heat from the gas turbine, or by specially heated boilers, during longer working periods. In order to immediately have a sufficiently large quantity of steam, this steam is however advantageously accumulated in a level-difference tank 24 provided with a check valve 25 and a condensate water trap 26.
In the event that the adjustment operations are repeated in large numbers in a short time, it may happen that the production of steam is no longer sufficient to maintain a determined minimum pressure in the steam tank o In this critical case, the acceleration by the addition of steam can be momentarily replaced, or rather
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made superfluous by the fact that the turbine, which operates at a variable number of revolutions, is left to run at full speed or nearly full speed, so that the compressor is without delay in the state of supplying the Maximum quantity of air. This operation obviously reduces the efficiency, which is however of no importance since this exceptional case occurs only rarely and is moreover of short duration.
In order to be able to achieve this critical operation, the device 27 has been provided, the driving piston 31 of which influences the fundamental position of the regulator adjustment linkage 18, such that the quantity of driving gas necessary to reach full speed is supplied to the turbine (5) in question, to the intervention of devices 14, 15, 16 and 17.
During normal operation there is a pressure in the reservoir 24 which exerts on the piston 31 a force which exceeds that of the spring 29, so that the adjustment linkage always moves undisturbed in the manner determined by the curvilinear guide. 12. It is only when the vapor pressure has fallen below a determined minimum pressure, owing to exhaustion of the vapor reservoir, that the spring 29 manages to lift the guide linkage. curvilinear 12 and adjust to a higher number of turns.
Instead of steam, water can also be mixed with engine gases. In this case, the quantity of fuel must be immediately increased to an even greater extent, since it is then necessary to produce not only the superheating heat for the steam, but also the heat of vaporization for the injected water. The air required for the combustion of this fuel is again taken from the cold air, until the blower is able to supply only the quantity of motor fluid corresponding to the new load. Also in this case,
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it is the thermostat 19 which causes the water injection to be started. The reservoir 24 is replaced by a water container with an air bell.
The required amount of water, which is relatively small, can however be supplied directly by a pump.
Instead of thermostat 19, other pulse generating devices can also be employed. So, for example, mixture regulators, which immediately adjust the ratio between the quantities of fuel and combustion air. The quantity of fuel can, in this case, be measured by measuring the quantity passed or simply by the position of the fuel valve, or again by a quantity corresponding to this position (in the example illustrated, the number revolutions of the turbine producing the useful power), while the quantity of air is also determined by measuring the quantity passed or by the number of revolutions of the compressor.
CLAIMS.
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1 - A method of adjusting gas turbine installations, comprising one or more shafts, at least one of which rotates at a number of revolutions varying with the load, characterized in that, in order to accelerate the adjustment operation, water or water vapor is added to the driving gases of at least one turbine, for the duration of the adjustment operation only.