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" Perfectionnements apportés eux installations motrices avec turbines ".
La présente invention est relative 'à des installations motrices avec turbines du genre de celles que l'on peut utiliser comme machines motrices princi- pales sur des bateaux, des véhicules, stations produo- trices d'énergie ou enalougues ou comme générateurs d' énergie sous forme d'un débit gazeux susceptible de fournir de l'énergie à cause de se chaleur, de se vi- tesse et de se pression ; et elle concerne plus spé- cialement des installations de ce genre fonctionnant avec un cycle ouvert à pression constante ou adiaba- tique.
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Pour des turbines à gaz on a généralement recours à des vitesses élevées pour les aubages et les fatigues et les températures des aubes sont des fac- teurs qui limitent à le fois le rendement et la durée d'usage. Tout ce qui tend à user ou à déformer les aubes des turbines est préjudiciable et, du point de vue métallurgique, il peut être désirable d'éviter tout contact de l'aubage avec les produits gazeux, résultent de le combustion, par exemple les oxydes du soufre.
L'invention a pour but, surtout, de rendre ces installations telles que les produits, résultant de la combustion, ne traversent pas le turbine et d' agencer ces installations de manière qu'elles aient un rendement comparativement élevé pour des frais d' entretien réduits et qu'elles permettent l'usage de différents combustibles ou qualités de combustibles dans une même mechine avec un minimum d'adaptation.
L'invention a pour objet une installation à gaz motrice avec turbine/et qui comporte un compresseur d'air, des moyens avec turbine à air pour entraîner le compresseur et pour fournir de le puissance utile sur son arbre si nécessaire, des moyens de combustion pour brûler du combustible dans l'air d'échappement de la turbine et des moyens pour échanger ou transférer la chaleur, prélevée aux produits de la combustion et pour fournir cette chaleur à l'air comprimé avant que celui-ci traverse lesdits moyens à turbine.
L'invention a également pour objet une ins- tallation motrice avec turbine à gaz et qui comporte un compresseur d'air, un échengeur de chaleur établi dans le débit de celui-ci, une turbine à gaz entraînée par l'air comprimé chaud fourni par l'échangeur de
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chaleur, des moyens de oombustion établis dans l'é- ohappement de la turbine et hors desquels les produits de le combustion,, traversent l'échangeur de chaleur pour réchauffer l'air comprimé à une température minimum de 500 C.
Suivent une autre particularité de l'inven- tion on constitue l'échangeur de chaleur par un régé- nérateur contenant une matrice mise alternativement en contact, en passant, avec les produits de la oombus- tion et l'air comprimé.
L'invention oonsiste également à avoir re- oours à un régénérateur comportent un récipient rota- tif, ayant en substance le forme d'un tambour cylin- drique oreux, qui contient une matière propre à rem- plir la fonction d'une matrice, des subdivisions ség- menteires dudit récipient étant consécutivement amenées sur le passage des produits de combustion (fluide chauffant) et sur celui de l'air comprimé (fluide chauffé). De préférence on subdivise le récipient ou tambour rotatif et dont la paroi constitue, en réali- té, le matrice, en deux chambres par une cloison sé- paratrice établie suivent une corde de le section transversale du récipient, une chambre étant réservée eu fluide chauffent et l'autre au fluide chauffé.
Le régénérateur peut également être agencé de manière qu' il permette le passage, à travers la matrice, d'un courant d'air de balayage pour mitiger certaines pertes et pour entraîner les cendres solides, le carbone et autres impuretés qui, si on les laissait en place, pour- raient être nuisibles au rendement du régénérateur.
L'invention consiste, également, à avoir re- cours à des moyens pour permettre un écoulement en by-pass de l'air comprimé, principalement dans un but
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de réglage mêla également et si on le désire dans un but de réfrigération.
Le dessin ci-annexé montre, à titre d'ex- emple, un mode de réalisation de l'invention.
Les figs. 1 et 2 montrent, schématiquement et respectivement en coupe verticale et en coupe trans- versale, une installation motrice avec turbine à gaz, établie conformément à l'invention.
1, 'installation comprend un carter 1 qui est calorifuge pour éviter les pertes de chaleur et qui comporte une admission d'air 2 et une buse d'échoppé- ment 3. L'air admis alimente un compresseur axial 4, à étages multiples, qui débite, par l'intermédiaire d'un diffuseur approprié quelconque, dans un conduit d'air 5 dont une paroi forme le face externe d'un tambour régénérateur 6, de section annulaire. L'intérieur du tambour 6 est subdivisé en deux chambres 7 et 8 par une cloison 9, établie, en substance, suivant une corde de la section transversale du tambour et dont les bords sont suffisamment près de le peroi interne du tambour pour que les fuites soient minimes.
L'air comprimé, après evotr traversé le matrice 10, convenablement sub- divisée en ségments 10A, 10B, etc., qui forment (avec la structure portante) le tambour, est conduit à l'en- trée d'une turbine à air 11 qui est accouplée direo- tement au rotor du compresseur par l'arbre 12. En sor- tent de le turbine cet air pénètre dans le chambre 8 du tambour 6 mais sur son trajet du combustible est brûlé dans cet air. Ceci est obtenu à l'aide d'un ap- pareil ou brûleur 13 débitent une huile combustible ou à l'aide d'une grille 14, d'un type approprié, sur laquelle brûle du combustible solide.
Comme l'air est
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déjà chauffé, il facilite la combustion tout eu moins pour certains genres de combustibles et l'air chaud peut être utilisé pour obtenir un séahege préliminaire du combustible si cela est avantageux. Après cette com- bustion, les produits gazeux traversent le matrice 10 et sont évacués par la buse 3 en cédant de leur chaleur à la matrice. Le tambour est entraîné e rotation par des moyens moteurs appropriés, y compris des moyens qui prélèvent leur énergie sur l'arbre de la turbine elle- même.
Le cycle est évident et il diffère du cycle plus .orthodoxe et à pression constante d'une turbine à gaz par le fait que le combustible est brûlé en aval de le turbine et que l'air actif est chauffé après com- pression et uniquement per la matrice du régénérateur (excepté qu'un passage inévitable du gaz dans la ma- trice peut contribuer eu réchauffage), Il en résulte, effectivement, que les produits de le combustion et toutes matières solides ou nuisibles,qu'ils peuvent contenir, ne traversent pasla turbine.
De préférence on prévoit pour le régénérateur un courant d'air de balayage et qui, s'il est à une pression convenablement choisie, peut également con- tribuer à assurer l'ét anohéité aux endroits où le tambour doit passer, d'une manière aussi étanche que possible,entre le carter 1 et le cloison séparatrice 9.
A cet effet une prise d'air 15, est prévue entre les étages de le turbine pour aboutir à l'intervalle 16 existant entre le régénérateur et la partie adjacente du carter 1 et qui ne recouvre pas beaucoup moins que deux ségments (10a et 10B) de le matrice. La oloison 9 peut être creuse pour amener de l'air à travers l'un
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et l'autre des intervalles existent de part et d'entra de le cloison 9, et pour assurer l'équilibrage des pressions. On peut ainsi souffler de l'eir, à une pres- sion appropriée, à travers le matrice vers l'intérieur de la chambre chauffante afin de le débarrasser des cendres, etc., et on peut charger le matrice avec le l'air pur avant qu'elle soit traversée par l'en* com- primé.
L'invention envisage également le passage di- reot, en by-pass, d'air comprimé provenant du conduit 5 vers l'entrée de le turbine. Ce courant d'air peut être étranglé, d'une manière réglable, à l'aide d'un registre distributeur 17, ce réglage additionnel per- mettent d'obtenir un effet plus rapide que celui réalisé seulement par un réglage, du débit du oombustible, puis- que ce dernier réglage risque d'agir avec un certain retard si la vitesse de rotation du tambour régénéra- teur est constante ou d'un ordre réduit. Une partie de l'air du by-pass peut être fourni, per exemple le long de l'arbre 12, depuis le compresseur à le turbine de manière à pouvoir refroidir la turbine si nécessaire et aux endroitvoulus.
L'écoulement en by-pass de l'air est réglé, de préférence, à l'aide d'un régulateur entraîné par la turbine et l'alimentation en combustible des brû- leurs 13 et/ou de le grille 14 peut être réglée par des moyens thermostatiques à action lente et qui sont sensibles à le température de la matrice du régénéra- teur. Le vitesse de rotation du régénérateur peut ége- lement être réglée à le mein ou automatiquement, par exemple par des moyens thermostatiques, si nécessaire.
L'injection d'une certaine proportion d'eau dans l'air comprimé peut également être prévue dans les deux cas
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comme un moyen de réglage et quand on désire tailler avec une teneur élevée en humidité ou avec une teneur proportionnée en vapeur dans le fluide actif. pour le démerrege et pour d'autres effets temporales on peut brûler du combustible liquide en emont de le turbine, à l'aide de brûleurs 18 (fig. 1) et/ou même en amont du régénérateur, au côté chauffant, à l'aide de brûleurs 19. Dans ce dernier ces le matrice du régénérateur peut être réchauffée préalablement et d'une manière moins brutale que si le départ. était ef- feotué uniquement à l'aide de la combustion principale (en aval).
REVENDICATIONS
1. Une installation motrice avec turbine à gaz et qui comporte un compresseur d'air, des moyens avec turbine à air pour entraîner le compresseur et pour.fournir de le puissance utile sur son arbre si né- cessaire, des moyens de combustion pour brûler du oom- bustible dans l'air d'échappement de le turbine et des moyens pour échanger ou transférer le chaleur, préle- vée eux produits de le combustion et pour fournir cette cheleur à l'air comprimé avent que celui-ci traverse Restime lesdits moyens à turbine.
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"Improvements made to their engine installations with turbines".
The present invention relates to power plants with turbines of the kind which can be used as main engines on boats, vehicles, power stations or alougues or as power generators. in the form of a gas flow capable of supplying energy by virtue of its heat, speed and pressure; and it relates more specifically to installations of this type operating with an open cycle at constant or adiabatic pressure.
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For gas turbines high speeds are generally used for blading and fatigue and blade temperatures are factors which limit both efficiency and service life. Anything which tends to wear or deform the turbine blades is detrimental and, from a metallurgical point of view, it may be desirable to avoid any contact of the blading with gaseous products, resulting from combustion, for example oxides. sulfur.
The object of the invention is, above all, to make these installations such that the products resulting from the combustion do not pass through the turbine and to arrange these installations so that they have a comparatively high efficiency for maintenance costs. reduced and allow the use of different fuels or fuel qualities in the same machine with a minimum of adaptation.
The subject of the invention is a motive gas installation with turbine / and which comprises an air compressor, means with an air turbine for driving the compressor and for supplying useful power on its shaft if necessary, combustion means for burning fuel in the exhaust air of the turbine and means for exchanging or transferring the heat taken from the combustion products and for supplying this heat to the compressed air before it passes through said turbine means .
The invention also relates to a power plant with a gas turbine and which comprises an air compressor, a heat exchanger established in the flow thereof, a gas turbine driven by the hot compressed air supplied. by the exchanger
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heat, means of combustion established in the exhaust of the turbine and out of which the products of combustion, pass through the heat exchanger to heat the compressed air to a minimum temperature of 500 C.
Another particular feature of the invention is that the heat exchanger is formed by a regenerator containing a matrix which is brought into contact alternately, in passing, with the products of combustion and the compressed air.
The invention also consists in having recourse to a regenerator comprising a rotating container, having in substance the form of an orous cylindrical drum, which contains a material suitable for fulfilling the function of a matrix, segmented subdivisions of said container being consecutively brought to the passage of the combustion products (heating fluid) and that of the compressed air (heated fluid). Preferably, the rotating container or drum, the wall of which constitutes, in reality, the matrix, is subdivided into two chambers by a separating partition established following a cord of the transverse section of the container, one chamber being reserved for the fluid to heat. and the other to heated fluid.
The regenerator can also be arranged so that it allows the passage, through the die, of a flow of purging air to mitigate certain losses and to carry away solid ash, carbon and other impurities which, if they are present. left in place could be detrimental to regenerator performance.
The invention also consists in having recourse to means for allowing a bypass flow of the compressed air, mainly for the purpose of
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setting mixed also and if desired for the purpose of refrigeration.
The accompanying drawing shows, by way of example, one embodiment of the invention.
Figs. 1 and 2 show, schematically and respectively in vertical section and in transverse section, a power plant with a gas turbine, established in accordance with the invention.
1, the installation comprises a casing 1 which is heat-insulated to avoid heat loss and which comprises an air inlet 2 and an exhaust nozzle 3. The admitted air feeds an axial compressor 4, with multiple stages, which flows, through any suitable diffuser, into an air duct 5, one wall of which forms the outer face of a regenerator drum 6, of annular section. The interior of the drum 6 is subdivided into two chambers 7 and 8 by a partition 9, established in substance along a chord of the cross section of the drum and the edges of which are sufficiently close to the internal peroi of the drum so that leaks are minimal.
The compressed air, after passing through the die 10, suitably subdivided into segments 10A, 10B, etc., which (together with the supporting structure) form the drum, is led to the inlet of an air turbine. 11 which is coupled directly to the rotor of the compressor by the shaft 12. On leaving the turbine, this air enters the chamber 8 of the drum 6, but in its path fuel is burned in this air. This is achieved with the aid of an apparatus or burner 13 delivering fuel oil or with the aid of a grate 14 of a suitable type on which solid fuel is burnt.
As the air is
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already heated, it facilitates combustion less for certain types of fuels and the hot air can be used to obtain a preliminary drying of the fuel if this is advantageous. After this combustion, the gaseous products pass through the matrix 10 and are evacuated through the nozzle 3, giving up their heat to the matrix. The drum is rotated by suitable motor means, including means which take their energy from the shaft of the turbine itself.
The cycle is obvious and differs from the more orthodox and constant pressure cycle of a gas turbine in that the fuel is burnt downstream of the turbine and the active air is heated after compression and only per. regenerator matrix (except that an inevitable passage of gas through the matrix may contribute to reheating). The result is, in fact, that the products of combustion and any solid or harmful matter which they may contain do not pass through the turbine.
Preferably a stream of purging air is provided for the regenerator and which, if at a suitably chosen pressure, can also help to ensure the seal at the places where the drum is to pass, in a manner. as tight as possible, between the housing 1 and the dividing wall 9.
For this purpose an air intake 15 is provided between the stages of the turbine to end in the gap 16 existing between the regenerator and the adjacent part of the casing 1 and which does not cover much less than two segments (10a and 10B ) of the matrix. The oloison 9 can be hollow to bring air through one
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and the other of the intervals exist on either side of the partition 9, and to ensure the pressure balancing. In this way, air can be blown, at an appropriate pressure, through the die into the interior of the heating chamber in order to get rid of ash, etc., and the die can be charged with the pure air. before it is crossed by the compressed en *.
The invention also envisages the direct passage, in bypass, of compressed air coming from the duct 5 to the inlet of the turbine. This air flow can be throttled, in an adjustable manner, by means of a distributor register 17, this additional adjustment makes it possible to obtain a faster effect than that achieved only by adjusting the flow rate of the oombustible, since this last adjustment may act with a certain delay if the speed of rotation of the regenerator drum is constant or of a reduced order. Part of the bypass air can be supplied, for example along the shaft 12, from the compressor to the turbine so as to be able to cool the turbine if necessary and at the desired locations.
The bypass flow of air is preferably regulated by means of a turbine driven regulator and the fuel supply to the burners 13 and / or the grate 14 can be regulated. by slow acting thermostatic means which are sensitive to the temperature of the regenerator matrix. The rotational speed of the regenerator can also be regulated manually or automatically, for example by thermostatic means, if necessary.
The injection of a certain proportion of water into the compressed air can also be provided in both cases.
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as a means of regulation and when it is desired to cut with a high moisture content or with a proportionate content of vapor in the working fluid. for the demerrege and for other temporal effects it is possible to burn liquid fuel upstream of the turbine, using burners 18 (fig. 1) and / or even upstream of the regenerator, on the heating side, at the using burners 19. In the latter these the matrix of the regenerator can be reheated beforehand and in a less abrupt manner than if the start. was only fired using the main (downstream) combustion.
CLAIMS
1. A power plant with a gas turbine and which includes an air compressor, means with an air turbine for driving the compressor and for providing useful power on its shaft if necessary, combustion means for burning fuel in the exhaust air of the turbine and means for exchanging or transferring the heat, taken from them combustion products and for supplying this chelator to the compressed air before the latter passes Restime said turbine means.
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