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et INSTALLATION A TURBINES A GAZ"
Le rendement de la compression de l'air présente une impor- tance capitale pour la réalisation de la turbine à gaz. A cet effet, on utilise avantageusement des turbo-compresseurs, spécia- lement ceux du type axial, puisque ce genre de machines atteint un rendement particulièrement élevé.
Il est également connu de comprimer l'air dans un appareil appelé échangeur de pression à roue cellulaire, qui combine la compression de l'air et la détente des gaz de combustion. Les cellules de l'échangeur de pression introduisent par éclusage, dans une chambre à pression plus élevée, l'air devant être comprimé et évacuent par éclusage, à un autre endroit, le gaz de travail devant être détendu.
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L'installation à turbines à gaz suivant l'invention consiste en une combinaison de turbo-machines avec au moins un échangeur de pression à roue cellulaire, servant d'étage supérieur. L'avan- tage de cette combinaison réside dans le fait qu'à l'aide de l'échangeur de pression à roue cellulaire, on obtient d'une manière plus économique des pressions plus élevées de compression, que dans le cas où la compression totale s'opère uniquement au moyen de turbo-,soufflantes. Les échangeurs de pression à roue cellulaire présentent notamment l'avantage qu'ils combinent la compression et la détente dans une seule machine, qu'ils sont plus simples, au point de vue mécanique, que les turbe=compresseurs, qu'ils tolèrent,
en outre des températures beaucoup plus élevées que des turbines à gaz ordinaires et permettent également de déplacer, avec un bon rendement, des volumes relativement faibles, de sorte qu'ils conviennent bien comme étage à haute pression.
Les dessins annexés montrent quelques exemples de réalisation d'installations selon l'invention.
La Fig. 1 représente schématiquement, principalement en coupe longitudinale, une installation à turbines à gaz, dans laquelle 1 désigne un compresseur préliminaire, établi sous la forme d'une soufflante axiale à étagea multiples, et 2 le rotor de ce compres- saur. 3 désigne les premières rangées d'aubes. L'air entre en 4 et arrive en 5 dans l'échangeur de pression 6 à roue cellulaire, qui sera, dans la suite, appelé simplement échangeur de pression.
La Fig. 2 montre une vue en coupe transversale de celui-ci. L'échan- geur de pression est constitué par le boîtier 7 et une roue cellu- laire 8. Cette roue peut être entrainée par l'arbre 9, mais peut aussi être maintenue en rotation par le courant d'air ou de gaz même. L'air entrant en 5 est saisi par les cellules et est refoulé à la face opposée du beìtier, où il quitta le boîtier en 10.
Une partie de l'air comprimé est maintenant prélevée dans des buts d'utilisation et est amenée, en 11, par exemple à la turbine
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20 dans le but de produire du travail, tandis que la partie restante est refoulée par le ventilateur 12 dans la chambre de combustion 13, en partie pour fournir, comme air comburant, l'oxygène nécessaire au combustible entrant en 14, et en partie pour s'éceuler, comme air de refroidissement, autour de la cham- bre de combustion proprement dite et se mélanger seulement aux gaz de combustion, à l'extrémité de la chambre de combustion.
Le courant ainsi produit entre en 15 dans l'échangeur de pression 6, subit une détente préliminaire dana celui-ci, le quitte en 16, subit une détente subséquente dans la turbine 18, et s'écoule ensuite en 19, soiour s'échapper à l'air libre, soit pour âtre utilisé encore dans un échangeur thermique.
La turbine 20 est pourvue d'une prise 21, qui est reliée au canal 16 de sortie des gaz de l'échangeur de pression.6. Dans le but de réaliser une distribution correcte de l'énergie, de l'air peut s'écouler de la turbine d'utilisation 20 vers le groupe compresseur, ou bien du gaz peut s'écouler en sens contraire, tel qu'indiqué par la flèche double.
La Fig. 3 montre une autre application utile de l'invention.
L'installation comporte de nouveau un turbo-compresseur 1, un échangeur de pression 6, une chambre de combustion 13 et une tur- bine 18. Au lieu de prélever de l'air utile en 11, comme dans le cas de la Fig. 1, on soutire du gaz de combustion en 28 et on l'amène à un étage préliminaire 22 de la turbine 18. Dans l'es- pace 23, le gaz soutiré en 28 se mélange à la fraction qui s'écoule à travers l'échangeur de pression et coopère avec elle dans l'étage inféri eur. Ia puissance utile de l'installation est obtenue à l'arbre 24.
Par un prélèvement d'air en 25, la température des gaz sou- tirés en 28 peut être réduite à une valeur admisaible pour la turbine. La température peut, par exemple, être réglée à l'aide d'un clapet 26. Les gaz arrivant en 16 peuvent être plus chauds
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que ceux qui s'écoulent de la partie à haute pression 22, de sorte que les gaz de l'étage préliminaire subissent un chauffage inter- médiaire .
La fraction qui s'écoule à travers la partie a haute pression de la turbine peut être réglée par des organes 27 : clapet d'étran- glement, soupapes à tuyères, aubes directrices, pivotantes ou analogues. la partie à haute pression de la turbine peut comporter un ou plusieurs étages. Elle peut être logée dans le boîtier principal ou dans un bottier séparé.
On peut aussi laisser subsister la prise d'air utile 11 de la Fig. 1. en plus de la prise 28 ou 25 de la Fig. 3. Dans ce cas, la puissance utile n'est pas obtenue exclusivement à l'arbre 24, mais partiellement ou totalement sous la forme d'air utile, en 11, ou sous la. forme de travail de la machine entraînée par cet air utile. Les prises 21, 28 et 25 peuvent alors servir à l'équili- brage de la puissance et au réglage de la turbine 18 et de la soufflante 1.
Dans le cas de la Fig. 4, la soufflante 1, l'échangeur de pression 6 et la turbine 18 sont montés sur le même arbre. La Fig. 5 montre une vue en coupe suivant la ligne A-A de Fig. 4.
L'air passe par trois canaux 5 du compresseur préliminaire 1 dans la roue de l'échangeur de pression 6. A la différence de l'exem- ple précédent, une cellule de l'échangeur de pression parcourt, pendant une révolution, trois fois le circuit de compression et de détente. L'air pénètre dans la chambre de combustion 13 et les gaz, ou une partie de ceux-ci, retournent à l'échangeur de pression 6 en passant par trois canaux 15. La subdivision de la périphérie de l'échangeur de pression en plusieurs cycles de travail présente Davantage que les efforts radiaux agissant sur le rotor sont équilibrés.
La Fig. 6 montre une installation motrice suivant l'inven- tion pour une locomotive. L'air subit une compression prélimi- naire dans la soufflante 1, est refroidi dans un réfrigérant
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intermédiaire 30, subit une compression subséquente dans l'échan- geur de pression 6 et est chauffé dans le réchauffeur à gaz perdus 31. L'air peut être chauffé davantage, en 32, par les gaz sortant de l' échangeur de pression, de nouveau grâce au fait que l'échangeur de pression tolère des températurea élevées des gaz.
Une partie des gaz ou de l'air est prélevée en 28 ou en 25 et est amenée aux cylindres de travail 33 de la locomotive. La quantité soutirée peut, par exemple, âtre réglée par un dispositif de réglage du remplissage des cylindres de travail. Ces derniers peuvent entraîner les roues motrices 35 au moyen d'un embiellage 34.
L'invention peut être réalisée de nombreuses autres manières.
Aux avantages mentionnés dans le préambule de la description, s'ajoutent encore les suivants :
Une caractéristique de l'échangeur de pression consiste en ce que l'air relativement froid et le gaz chaud sont respective- ment comprimé et détendu dans le mime rotor. Ce rotor prend donc une température moyenne entre celles des deux fluides. Il en résulte que l'échangeur de pression possède la propriété extrême- ment importante de pouvoir travailler avec des gaz très chauds.
De ce fait, on peut éviter un chauffage intermédiaire des gaz, à leur entrée dans l'étage inférieure
Une autre caractéristique de l'échangeur de pression consiste en ce qu'une certaine quantité de chaleur est transmise des gaz chauds à l'air plus froid, tandis que ce flux de chaleur est pra- tiquement supprimé lors de la compresaion et de la détente dans des machines séparées, tel que dans l'étage inférieur.
Un chauffage de l'air dans l'étage inférieur est toutefois sensiblement plus nuisible que dans l'espace supérieur, parce qu'il augmente le travail de toute la compression subséquente, ou bien il exige l'élimination de cette chaleur dans un réfrigé- rant intermédiaire. Par contre, la chaleur absorbée dans l'étage
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supérieur reste acquise au circuit.
A première vue, l'émission de chaleur par les gaz dans l'échangeur de pression semble être un désavantage, puisqu'elle diminue la capacité de travail de la turbine branchée en aval.
Les propriétés particulières de l'échangeur de pression permettent toutefois d'augmenter la température des gaz entrant dans l'échan- geur de pression dans une mesure telle que, malgré la chaleur transmise à l'air, ces gaz possèdent encore parfaitement la tempé- rature désirée pour la turbine, lorsqu'ils entrent dans l'étage inférieur. Le susdit désavantage est ainsi supprimé.
REVENDICATIONS.
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1 - Installation à turbines à gaz, avec compression d'air en plusieurs étages, caractérisée par la combinaison de turbo** machines avec au moins un échangeur de pression à rosé cellulaire, servant d'étage supérieur.
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and GAS TURBINE INSTALLATION "
The efficiency of the air compression is of capital importance for the realization of the gas turbine. For this purpose, turbo-compressors are advantageously used, especially those of the axial type, since this type of machine achieves particularly high efficiency.
It is also known to compress air in a device called a cell wheel pressure exchanger, which combines the compression of the air and the expansion of the combustion gases. The cells of the pressure exchanger introduce the air to be compressed into a chamber at higher pressure by sluicing and discharge the working gas to another place by sluicing.
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The gas turbine installation according to the invention consists of a combination of turbo-machines with at least one cellular wheel pressure exchanger, serving as an upper stage. The advantage of this combination lies in the fact that with the aid of the cellular wheel pressure exchanger, higher compression pressures are obtained in a more economical way, than in the case where the compression total is operated only by means of turbo- blowers. Cell wheel pressure exchangers have the particular advantage that they combine compression and expansion in a single machine, that they are simpler, from a mechanical point of view, than turbines = compressors, which they tolerate,
furthermore, temperatures much higher than ordinary gas turbines and also allow relatively small volumes to be moved with good efficiency, so that they are well suited as a high pressure stage.
The appended drawings show a few embodiments of installations according to the invention.
Fig. 1 shows schematically, mainly in longitudinal section, a gas turbine installation, in which 1 denotes a preliminary compressor, established in the form of a multi-stage axial fan, and 2 the rotor of this compressor. 3 designates the first rows of blades. The air enters at 4 and arrives at 5 in the pressure exchanger 6 with cellular wheel, which will, in the following, simply called the pressure exchanger.
Fig. 2 shows a cross-sectional view thereof. The pressure exchanger is formed by the housing 7 and a cell wheel 8. This wheel can be driven by the shaft 9, but can also be kept in rotation by the current of air or gas itself. The air entering at 5 is captured by the cells and is forced back to the opposite side of the housing, where it left the housing at 10.
Part of the compressed air is now taken for use and is fed, at 11, for example to the turbine
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20 in order to produce work, while the remaining part is forced by the fan 12 into the combustion chamber 13, partly to supply, as combustion air, the oxygen necessary for the fuel entering at 14, and partly to flow around the combustion chamber itself as cooling air and mix only with the combustion gases at the end of the combustion chamber.
The stream thus produced enters at 15 in the pressure exchanger 6, undergoes a preliminary expansion in the latter, leaves it at 16, undergoes a subsequent expansion in the turbine 18, and then flows at 19, to escape. in the open air, or for hearth still used in a heat exchanger.
The turbine 20 is provided with an outlet 21, which is connected to the gas outlet channel 16 of the pressure exchanger. 6. In order to achieve a correct distribution of energy, air can flow from the utilization turbine 20 to the compressor unit, or gas can flow in the opposite direction, as indicated by the double arrow.
Fig. 3 shows another useful application of the invention.
The installation again comprises a turbo-compressor 1, a pressure exchanger 6, a combustion chamber 13 and a turbine 18. Instead of taking useful air at 11, as in the case of FIG. 1, combustion gas is withdrawn at 28 and brought to a preliminary stage 22 of turbine 18. In space 23, the gas withdrawn at 28 mixes with the fraction which flows through the turbine. pressure exchanger and cooperates with it in the lower stage. The useful power of the installation is obtained from shaft 24.
By taking air at 25, the temperature of the gases drawn in at 28 can be reduced to a value which is acceptable for the turbine. The temperature can, for example, be regulated using a valve 26. The gases arriving at 16 can be hotter.
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than those which flow from the high pressure part 22, so that the gases of the preliminary stage undergo an intermediate heating.
The fraction which flows through the high pressure part of the turbine can be regulated by means 27: throttle valve, nozzle valves, guide vanes, swivel or the like. the high pressure part of the turbine may have one or more stages. It can be housed in the main housing or in a separate housing.
It is also possible to leave the useful air intake 11 of FIG. 1. in addition to the socket 28 or 25 of FIG. 3. In this case, the useful power is not obtained exclusively at the shaft 24, but partially or totally in the form of useful air, at 11, or under the. working form of the machine driven by this useful air. The taps 21, 28 and 25 can then be used for balancing the power and for adjusting the turbine 18 and the blower 1.
In the case of FIG. 4, the fan 1, the pressure exchanger 6 and the turbine 18 are mounted on the same shaft. Fig. 5 shows a sectional view taken along the line A-A of FIG. 4.
The air passes through three channels 5 of the preliminary compressor 1 in the wheel of the pressure exchanger 6. Unlike the previous example, a cell of the pressure exchanger passes through, during one revolution, three times the compression and expansion circuit. The air enters the combustion chamber 13 and the gases, or a part of them, return to the pressure exchanger 6 via three channels 15. The subdivision of the periphery of the pressure exchanger into several Work cycles present More than the radial forces acting on the rotor are balanced.
Fig. 6 shows a power plant according to the invention for a locomotive. The air undergoes a preliminary compression in the blower 1, is cooled in a refrigerant
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intermediate 30, undergoes a subsequent compression in the pressure exchanger 6 and is heated in the waste gas heater 31. The air can be heated further, at 32, by the gases exiting the pressure exchanger. new thanks to the fact that the pressure exchanger tolerates high gas temperatures.
Part of the gas or air is taken from 28 or 25 and is fed to the working cylinders 33 of the locomotive. The quantity withdrawn can, for example, be regulated by a device for adjusting the filling of the working rolls. The latter can drive the driving wheels 35 by means of a linkage 34.
The invention can be achieved in many other ways.
In addition to the advantages mentioned in the preamble of the description, the following are added:
A feature of the pressure exchanger is that the relatively cold air and the hot gas are compressed and expanded, respectively, in the same rotor. This rotor therefore takes an average temperature between those of the two fluids. As a result, the pressure exchanger has the extremely important property of being able to work with very hot gases.
As a result, intermediate heating of the gases can be avoided when they enter the lower stage.
Another feature of the pressure exchanger is that a certain amount of heat is transferred from the hot gases to the colder air, while this heat flow is practically suppressed during compression and expansion. in separate machines, such as in the lower floor.
Heating the air in the lower stage, however, is significantly more detrimental than in the upper space, because it increases the work of all subsequent compression, or it requires the removal of this heat in a refrigeration unit. intermediate rant. On the other hand, the heat absorbed in the floor
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higher remains with the circuit.
At first glance, the emission of heat by the gases in the pressure exchanger seems to be a disadvantage, since it reduces the working capacity of the turbine connected downstream.
The special properties of the pressure exchanger, however, make it possible to increase the temperature of the gases entering the pressure exchanger to such an extent that, despite the heat transmitted to the air, these gases still have the perfect temperature. rature desired for the turbine, when entering the lower stage. The above disadvantage is thus removed.
CLAIMS.
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rrrr --- rr-W laflrrraraaaar.
1 - Installation with gas turbines, with air compression in several stages, characterized by the combination of turbo ** machines with at least one cellular rose pressure exchanger, serving as the upper stage.