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Installation de turbine à gaz et compresseur dynamique rotatif applicable à celle-ci.
La présente invention est relative aux installations de turbines à gaz du type dans lequel un milieu de travail ga- zeux se trouve comprimé dans un ou plusieurs compresseurs dynamiques rotatifs, est ensuite réchauffé et se détend en- fin dansune ou plusieurs turbines en produisant de l'éner- gie dans cette ou ces dernières.
Dans de telles installations, une partie considérable de l'energie fournie par la, ou les turbines sert à la compres- sion du milieu de travail et toute reduction apportée au tra- vail de compression se traduira par une augmentation du tra- vail effectif. On sait que le travail de compression est d' autant moindre que l'est la température du milieu de travail. au début du processus de compression -si la on suppose inchan- gées les conditions, de pression-, si bien qu'il est d'usage de diviser ledit processus de compression en plusieurs étages. successifs et de soumettre le milieu de travail à un refroi- dissement dans l'intervalle desdits étages, refroidissement qui s'opère dans des refroidisseurs ad hoc.
Moyennant ce qu'on. appelle le "refroidissement intermédiaire", une réduction du travail de compression effectué dans les étages ultérieure
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de compression est obtenue par suite de la plus basse tempéra- ture et du plus faible volume spécifique qui en découlent.
La présente invention est basée sur la constatation que 1 avantage obtenu de cette manière est en réalité assez limiter comparé à l'accroissement du cot et de la complication entrat- né pour l'ensemble de l'installation par la présence des volu- @ mineux refroidisseurs intermédiaires et,.dans une mesure qui n'est pas négligeable, par la perte de pression subie à tra- vers lesdits refroidisseurs intermédiaires.
Si l'on veut opte- ni' 'Une diminution sensible de l'élévation de température du milieu de travail, considère du début à la fin du processus de compression totale,, il appartiendra d'éliminer une quanti- té considérable de chaleur, c'est-à-dire qu'il faudra absorber non seulement la quantité de chaleur strictement apportée pur la compression et correspondant à la compression adiabatique depuis le stade initial de la compression jusqu'à la compres- sion finsle, mais encore l'échauffement découlent des pertes par frottement et autres pertes se produisant dans le compres- seur.
Si l'on veut obtenir un coefficient de transmission ther- mique satisfaisant dans les refroidisseurs Intermédiaires et maintenir dans des limites raisonnables les dimensions de ces derniers, il est nécessaire de recourir à des vitesses assez considérables d'écoulement du milieu de trovail travers les refroidisseurs intermédiaire, mais ceci donne lieu à une perte de pression considérable qui a pour effet de réduire le rende- ment de l'installation et qu'il faut compenser par un accrois- sement (Le la compression,. avec l'augmentation de la températu- re qui en résulte.
Ces inconvénients sont évités suivant l'invention moyennant une disposition du compresseur -ou d'au moins un des compres- seurs- dens le cas où l'installation se trouve en comprendre plusieurs- lui permettant de pourvoir au refroidissement du milieu de travail pendant le cours même de la compression, L'évacuation, des quantités de chaleur contenues dans le milieu de travail se trouve par conséquent effectuée concurremment
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et simultanément au dévppement du processus de compression lui-même et de préférence suivant l'invention, dans une me- sure telle que la compression se produit Jusqu'au bout de fa- ón sensiblement isothermique.
En procédant ainsi à 11'abduction de la chaleur au fur et à mesure qu'elle se développe dans le milieu de travail on parvient à maintenir de fagon permanente la température et le volume spécifique du milieu de travail à un niveau considéra- blement plus bas qu'on ne serait en état de le faire dans le cas où la compression se produit en l'absence de réfrigération ou dans celui d'une compression polyétagée à réfrigération in- termédiaire et l'on aboutit par là même à réduire de façon im- portante le travail de compression totale.
La vitesse de dépla- cement du milieu de travail par rapport aux surfaces avec les- quelles il entre en contact au cours de sa compression est fort élevée si bien que,dans le cas où le refroidissement s'opère dans le compresseur même,, un transfert de chaleur extrêmement effectif peut être obtenu.
Le refroidissement nécessaire ne pour- ra donc être obtenu dans la plupart des cas que moyennant le refroidissement des parties du compresseur avec lesquelles le milieu de travail entrera en contact pendant sa compression,si bien que le milieu de travail n'aura plus à passer à travers des refroidisseurs spéciaux, ni à tre exposé, dans ces refroi- disseurs, à des pertes de pression*
Suivant la présente Invention,, l'intensité du refroidisse-- ment pourra être augmentée moyennant l'injection d'eau ou de tout autre liquide inactif dans le milieu de travail simulta.- nément ou préalablement à son passage dans un ou plusieurs compresseurs*.
Par compression de l'air dans des soufflantes centrifuges. il est connu de refroidir le carter de la soufflante dans le but d'obtenir une réduction de la température de l'air compri- mé, mais ce faisant, on n'obtient aucune réduction substantielle du travail de compression, lequel est effectué essentiellement dans le rotor dépourvu de refroidissement. L'emploi de compres-
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saura centrifuges à carter de refroidissement dans les instal- lations de turbines à gaz rendra par conséquent nécessaire 10 emploi d'une compression par étages avec refroidissement inter- médiaire au moyen de refroidisseurs Intermédiaires ad hoc.
La présente invention s'étend également à un compresseur dynamique rotatif prévu pour tre utilisé dans des installations de turbines à gaz suivant l'invention et où, par conséquent,il a été pourvu au refroidissement du milieu de travail durant sa compression. Le compresseur suivant l'invention est du type comportant au moins deux éléments à aubes en rotation l'un. par rapport à l'autre, par exemple un élément immobile à aubes de guidage et un élément à aubes mobiles montées sur un rotor ou bien deux éléments à aubes animés d'un mouvement de rotation en sens opposés,. conjugués ou non à des éléments immobiles à aubes de guidage.
Le compresseur est, suivant l'invention; caractérisé en ce qu'il comporte des moyens de refroidissement d'une partie considérable, ou de la totalité des aubes comportés par tous les éléments à aubes.
Il a pu étre établi que, moyennant le refroidissement de la totalité des aubes avec lesquelles le milieu de travail est por- té en contact durant la compression,, ou tout au moins moyennant le refroidissement d'une grande partie de ces aubes, il est pos- sible de prélever sur le milieu de travail une quantité de cha- leur suffisante pour que l'élévation de température subie par ce dernier durant sa compression se trouve diminuée en très large mesure et meme dans certaines conditions; totalement sup- primée, de sorte que sa compression s'effectue dans des condi- tions se rapprochant ou s'identifiant à celles d'une compression. purement isothermique exigeant le minimum de dépense d'énergie.
Le refroidissement des aubes peut être effectué avec la plus grande facilité, suivant l'invention) moyennant une disposition conférée à la totalité des parois comportant la présence d'aubes. ou aux éléments de support correspondant, disposition visant au refroidissement de la totalité ou bien d'une partie considérable de leur superficie et effectué de préférence au moyen d'un liquide
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refroidisseur se trouvant en contact avec la face desdites parois ou desdits éléments de support située du côté opposé à celui des aubes.
Cette disposition de refroidis- sement se réalise aisément en pratique, sans 'être par 'ailleurs exposée à ruptures,.. en dépit du nombre de tours habituellement très élevé caractérisant les compresseurs dynamiques rotatifs ; elle présente en outre l'avantage que les éléments supportant les aubes (les parois suppor- tant les aubes du compresseur), avec lesquels le milieu de travail se trouve également en intime contact à des vitesses relatives élevées, servant également de surfaces de refroidissement du milieu de travail.
suivant cette disposition, on doit 'être en mesure d'as- surer une évacuation sans obstacles de la chaleur absorbée par les aubes, évacuation qui,suivant l'invention, est ob- tenue moyennant un mode de fixation des aubes sur les pièces qui les supportent réalisé de telle manière que la résistan- ce offerte à la conductibilité thermique, au point de transi- tion entre aube et pièce de support, devienne plus petite ou pour le moins égale à la résistance opposée à l'évacuation de la chaleur s'opérant longitudinalement à travers l'aube. Ce résultat peut ''être obtenu en effectuant, sur l'un au moins, des éléments à aubes, la fixation par soudure des aubes à leur support, ou bien en faisant en sorte que les surfaces de contact entre la base de l'aube et son support,
soient de dimensions supérieures à la plus grande section transversale de la partie travaillante de l'aube, ou encore-), par la combi- naison de ces deux modes de fixation*.
Dans la recherche du refroidissement effectif du milieu de travail obtenue par le refroidissement des aubes, il est avan- tageux de faire contribuer substantiellement à l'évacuation de chaleur la totalité des éléments à aubes, ce qu'on peut ob- tenir tout particulièrement par une répartition passablement uniforme de la fonction compressive entre les divers éléments à aubes.
Dans un compresseur à deux éléments à aubes,on peut
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obtenir une telle uniformité dans la distribution en choisissant les angles des aubes de telle manière que le rapport d'augmenta- tion de la pression, calculé pour une section transversale opé- rée au milieu de la longueur active des aubes, s'établisse entre les valeurs de 0, 4 et de 2, 5, le rapport d'augmentation dési- gnant la proportion existante entre l'élévation de pression ob- tenue dans les deux rangées d'aubes successives du même étage.
Les dessins annexes,, se rapportant à une forme de réalisation de la présente Invention, sont donnés à titre d'exemple.
La figure 1 représente un graphique de rendement
La figure 2 représente schématiquement une forme de réalisa- tion d'une installation de turbine à gaz suivant l'Invention et
La figure 3 représente, schématiquement encore et à plus grande échelle, une coupe longitudinale opérée à travers une forme de réalisation d'un compresseur suivant l'invention.
Le mode de fonctionnement d'une forme de mise en oeuvre d' une installation de turbine à gaz suivant l'invention est illus- tré par le graphique de pression et de volume représenté sur la figure 1.
Le processus est supposé commencer au point a, avec une cer- taine quantité de milieu de travail , dont l'état est fourni par les coordonnées du point a. La première phase de son dérou- lement est celle d'une compression avec refroidissement simulta- né s'effectuant conformément à la courbe a-b-c. Pour la simpli- cité, on pourra considérer cette courbe comme une courbe isother- mique, et, en pratique, on s'efforcera, moyennant un réglage approprié du refroidissement, de faire coïncider le plus possible le déroulement du processus de compression avec la courbe isothermique. Après sa compression, le milieu de travail reçoit de la chaleur dans un échangeur de tem-- pérature à pression constante, la chaleur en étant fournie par les "gaz perdus' de l'installation.
Il en résulte une augmentation de volume, qui passe de c à f. Un second réchauffage est effectué dans une chambre de combustion,, ou dans une chaudière, portant ainsi le volume à pression
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constante passer de 1 à g. Partant de g, 'le milieu de travail se détend et produit l'énergie dans une turbine, conformément à la courbe g-h, qu'on pourra supposer 'être une courbe adiaba- tique Après quoi, il reçoit à nouveau de la chaleur dans une chambre de combustion ou dans une chaudière, ce qui détermine une augmentation du volume à pression constante,; qui passe de h à k.
Puis, le milieu de travail se détend à nouveau et pro- duit de l'énergie dans la turbine, comme indiqué par la courbe k-1, qu'on pourra également supposer être une courbe adiabati- que, et enfin, le milieu de travail détendu ,.constituant les gaz perdus@, abandonne de la chaleur en passant dans l'échan- geur dé température précédemment mentionné,, en quoi le volume à pression constante s'abaisse de 1 à m.
Dans les installations en circuit rectiligne, le point m se trouve par conséquent indiquer l'état où se trouve le milieu de travail à sa sortie de l'installation., tandis que dans les ins- tallations en circuit fermé, le milieu de travail, partant des conditions caractérisées par les coordonnées du point m, doit être ramené, par refroidissement, l'état initial qu'il présen- tait en a.
Sur le graphique, on a tracé les courbes a-d et b-c qui in- diquent le développement de la compression partant des mêmes conditions initiales et aboutissant à la même pression finale que celles observées précédemment, mais obtenu en deux étages,, avec refroidissement intermédiaire et sans l'application du re- froidissement opéré pendant la compression elle-même à chacun des étages. Les zones hachurées abd et bce, représentent l'éco- nomie de travail réalisée par l'application du refroidissement au cours même de la compression, suivant la courbe abc, au lieu que par le procédé du refroidissement intermédiaire..
A part le fait que, suivant l'invention, l'emploi de refroi- disseurs intermédiaires, volumineux et coûteux, est rendu super- flu,. on doit donc constater une réduction considérable du travail absorbé,par la compression et une augmentation dans la même mesu- re de l'énergie utile fournie par l'installation.
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La figure 2 représente schématiquement une forme de réali- sation d'une installation de turbine à gaz suivant l'invention, dans laquelle la compression est effectuée dans un seul compres- seur à refroidissement simultané et l'expansion dans deux tur- bines. La référence numérique 1 désigne le compresseur, dont A arbre 19 est accouple directement à la turbine 7 qui, dans 1' exemple de réalisation ici considéré, sert uniquement à 1'entrai- nement du compresseur. L'autre turbine 11 fournit le travail utile, son arbre 24 pouvant être accouplé directement ou inci- rectement à celui.d'un quelconque consommateur d'énergie, par exemple une hélice ou une génératrice d'électricité.
Le compresseur aspire de l'air atmosphérique à travers son tuyau d'aspiration 14 et comprime cet air en le refroidissant grâce à un courant d'eau de refroidissement fourni, par les tuyaux 15 et 16 respectivement, au rotor et au stator du com- presseur et ensuite évacué par les tuyaux 17 et 18. L'air com- primé est acheminé, moyennant un tube 2, vers un échangeur de température 3 dans lequel il s'écoule à travers un grand nombre de tubes relativement étroits 20 montés entre des plaques d'ex- trémité 21. Au cours de ce passage, l'air reçoit de la chaleur provenant des gaz perdus émis par l'installation et s'écoulant extérieurement aux tubes 20.
Quittant 1'échangeur de température 3, l'air surchauffé pénètre) à travers un tube 4, dans une cham- bre de combustion 5 dans laquelle une tuyère 22 injecte un com- bustible liquide qui est brûlé dans l'air dont il élève la température. Le mélange brûlant de l'air et des produits de combustion passe ensuite, à travers un tube 6, dans la turbine 7 ou, per son expansion,, il fournit l'énergie nécessaire à 1' entraînement du compresseur, puis, à travers un tube 8, dans une chambre de combustion 9, dans laquelle une seconde opération de chauffage est effectuée moyennsnt l'injection d'un combusti- ble liquide par une tuyère 23.
Le milieu de travail est ensuite.. conduit, àtravers un tube 10, à la turbine 11 où le travail utile est transmisl'arbre 24 et les gaz perdus., désormais détendus., traversent un tuyau 13 et passent dans 1'échangeur
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de température 3 avant de s'échapper par le tuyau 13.
une forme avantageuse de réalisation d'un compresseur uti- lisable dans une installation semblable ou analogue et compor- tant un mode de refroidissement s'opérant durant la compression, est illustrée sur la figure 3..Le compresseur ici représenté est du type axial comprenant des aubes de guidage immobiles et des aubes mobiles en rotation mais pourrait en lui-même et sans s'écarter pour cela du cadre de la présente invention, être constitué par un quelconque autre type de compresseur comprenant deux ou plusieurs éléments à aubes animés d'un mouvement de ro- tation l'un par rapport l'autre,
lesquels éléments compren- dront normalement plusieurs groupes d'ailettes et dans lequel le milieu de travail se propage le long d'une surface de rotation dont la section méridienne suit une ligne droite ou une courbe quelconque..
Dans la figure 3, les aubes de guidage 25 sont montées di- rectement l'intérieur du carter immobile du compresseur, tandis que la partie des parois dudit carter supportant les aubes est, extérieurement, complètement entourée par une chemise d'eau com- portant un raccord d'entrée 16 et un raccord d'évacuation 18 de l'eau de refroidissement. Le carter supporte des paliers 32 entre= lesquels pivote le rotor 27 du compresseur. Les aubes mobiles 28 sont fixées au rotor et la partie des parois du rotor supportant les aubes comporte un espace de refroidissement 29' parcouru par de l'eau acheminée de façon appropriée.
Dans la forme de réali- sation ici considérée, l'eau de refroidissement est conduite par un tube 15 introduit axialement à travers l'extrémité creuse 31 de l'arbre du rotor et s'écoUle à travers l'arbre creux se trou- vant recueillie par un écran entourant ce dernier.*
Le refroidissement des aubes est effectué, dans cette forme de réalisation, uniquement par conductibilité thermique s'opé- rant longitudinalement), à travers les aubes et dans les parois qui les supportent* Afin de réduire la résistance qui lui est opposée au point de transition entre aube et paroi de supporta les aubes sont fixées par soudure,
ou bien sont munies de bases
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dort la surface de contact avec la paroi qui supporte les aubes est pour le moins égale à la section des aubes
Si l'on veut obtenir un refroidissement suffisamment effi- cace, faire de la surface de refroidissement active doit être proportionnée de façon convenable par rapport à l'effet trans- formé dans le compresseur, Suivant l'invention, la totalité de l'aire F des surfaces de refroidissement et l'effet de compres- sion transformé N doivent satisfaire à l'équation
F = N x 0,001 dans laquelle F est exprimée en m2 et N en chevauxvapeur.
LA présente Invention n'est pas limitée à la forme de réali- sation représentée ci-joint et décrite précédemment, se rappor- tant au compresseur ou à l'installation complète. L'installation peut comprendre un ou plusieurs compresseurs et une ou plusieurs turbines associés de façon convenable. L'échangeur de températu- re entre les gaz perdus et milieu de travail pourra être inséré en d'autres points du circuit que celui indiqué, ou bien 'être totalement supprimé. L'échauffement du milieu de travail pour- ra s'opérer dans une seule chambre de combustion ou bien dans deux ou plus et la place des chambres de combustion, pourront 'être utilisées des chaudières ou des combinaisons de chaudières et des chambres de combustion assurant le chauffage indirect du milieu de travail.
Le circuit parcouru par le milieu de travail peut 'être constitué, comme indiqué plus haut, par un circuit rectiligne ou un circuit ferme, ou assumer des formes intermé- diaires entre ces deux systèmes.
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Installation of gas turbine and rotary dynamic compressor applicable to it.
The present invention relates to gas turbine installations of the type in which a gaseous working medium is compressed in one or more dynamic rotary compressors, is then reheated and finally expands in one or more turbines, producing gas. energy in this or these.
In such installations, a considerable part of the energy supplied by the turbine (s) is used for the compression of the working environment and any reduction in compression work will result in an increase in the actual work. It is known that the compression work is as much less than the temperature of the working environment. at the start of the compression process -if the pressure conditions are assumed to be unchanged, so that it is customary to divide said compression process into several stages. successive stages and subjecting the working environment to cooling in the interval between said stages, which cooling takes place in ad hoc coolers.
For what we. calls "intermediate cooling", a reduction in the compression work performed in the subsequent stages
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compression is obtained as a result of the lower temperature and lower specific volume that results.
The present invention is based on the observation that the advantage obtained in this way is in reality quite limited compared to the increase in the cost and the complication caused for the whole installation by the presence of the volumines. intercoolers and, to an extent which is not negligible, by the pressure loss undergone through said intercoolers.
If one wishes to opt for '' A significant decrease in the temperature rise in the working environment, consider from the start to the end of the total compression process, it will be necessary to remove a considerable amount of heat, that is to say that it will be necessary to absorb not only the quantity of heat strictly supplied for the compression and corresponding to the adiabatic compression from the initial stage of the compression to the fine compression, but also the heating result from frictional and other losses occurring in the compressor.
In order to obtain a satisfactory thermal transmission coefficient in intercoolers and to keep the dimensions of the latter within reasonable limits, it is necessary to have recourse to fairly considerable flow velocities of the working medium through the coolers. intermediate, but this gives rise to a considerable pressure loss which has the effect of reducing the efficiency of the installation and which must be compensated for by an increase (The compression ,. with the increase in temperature). - re resulting.
These drawbacks are avoided according to the invention by arranging the compressor - or at least one of the compressors - in the case where the installation is found to include several - allowing it to provide for the cooling of the working environment during cooling. during the compression itself, The removal of the quantities of heat contained in the working environment is therefore carried out concurrently
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and simultaneously with the release of the compression process itself and preferably according to the invention, to such an extent that the compression takes place until the end in a substantially isothermal manner.
By thus carrying out the abduction of heat as it develops in the working environment, it is possible to permanently maintain the temperature and the specific volume of the working environment at a considerably lower level. that it would not be possible to do so in the case where the compression takes place in the absence of refrigeration or in that of a multi-stage compression with intermediate refrigeration, and this results in a considerable reduction - bearing the work of total compression.
The speed of movement of the working medium relative to the surfaces with which it comes into contact during its compression is very high so that, in the case where the cooling takes place in the compressor itself, a Extremely efficient heat transfer can be achieved.
The necessary cooling can therefore be obtained in most cases only by cooling the parts of the compressor with which the working medium will come into contact during its compression, so that the working medium will no longer have to pass to through special coolers, nor to be exposed, in these coolers, to pressure losses *
According to the present invention, the intensity of the cooling may be increased by injecting water or any other inactive liquid into the working environment simultaneously or prior to its passage through one or more compressors * .
By compressing the air in centrifugal blowers. it is known to cool the blower housing in order to obtain a reduction in the temperature of the compressed air, but in doing so, no substantial reduction in the compression work is obtained, which is carried out mainly in the rotor without cooling. The use of compres-
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Cooling-cased centrifugals in gas turbine installations will therefore necessitate the use of step compression with intercooling by means of ad hoc intercoolers.
The present invention also extends to a dynamic rotary compressor intended to be used in gas turbine installations according to the invention and where, consequently, it has been provided for cooling the working environment during its compression. The compressor according to the invention is of the type comprising at least two rotating vane elements one. relative to the other, for example a stationary element with guide vanes and an element with movable vanes mounted on a rotor or else two vane elements animated with a rotational movement in opposite directions ,. combined or not with stationary elements with guide vanes.
The compressor is, according to the invention; characterized in that it comprises means for cooling a considerable part, or all of the blades comprised by all the blade elements.
It has been established that, by cooling all of the blades with which the working medium is brought into contact during compression, or at least by cooling a large part of these blades, it is it is possible to take a sufficient quantity of heat from the working medium so that the temperature rise undergone by the latter during its compression is reduced to a very large extent and even under certain conditions; completely suppressed, so that its compression takes place under conditions approaching or identifying with those of a compression. purely isothermal requiring minimum energy expenditure.
The cooling of the blades can be carried out with the greatest ease, according to the invention) by means of an arrangement conferred on all of the walls comprising the presence of blades. or to the corresponding support elements, an arrangement aimed at cooling all or a considerable part of their surface and preferably carried out by means of a liquid
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cooler being in contact with the face of said walls or of said support elements located on the side opposite to that of the blades.
This cooling arrangement is easily achieved in practice, without otherwise being subject to breakage, despite the usually very high number of revolutions characterizing dynamic rotary compressors; it also has the advantage that the elements supporting the blades (the walls supporting the compressor blades), with which the working environment is also in intimate contact at high relative speeds, also serving as cooling surfaces of the compressor. Workplace.
according to this arrangement, it must be possible to ensure an unobstructed evacuation of the heat absorbed by the vanes, evacuation which, according to the invention, is obtained by means of a method of fixing the vanes on the parts which support them made in such a way that the resistance offered to thermal conductivity, at the point of transition between vane and support part, becomes smaller or at least equal to the resistance opposed to the evacuation of heat s 'operating longitudinally through the vane. This result can '' be obtained by carrying out, on at least one of the blade elements, the attachment by welding of the blades to their support, or by ensuring that the contact surfaces between the base of the blade and its support,
be of dimensions greater than the largest cross section of the working part of the blade, or else-), by the combination of these two fixing methods *.
In the search for effective cooling of the working environment obtained by cooling the vanes, it is advantageous to make all of the vane elements contribute substantially to the removal of heat, which can be obtained in particular by a fairly uniform distribution of the compressive function between the various vane elements.
In a two-element bladed compressor, one can
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obtain such uniformity in the distribution by choosing the angles of the vanes in such a way that the pressure increase ratio, calculated for a cross-section operated in the middle of the active length of the vanes, is established between the values of 0, 4 and 2, 5, the increase ratio designating the existing proportion between the pressure rise obtained in the two successive rows of blades of the same stage.
The accompanying drawings, relating to one embodiment of the present invention, are given by way of example.
Figure 1 shows a yield graph
FIG. 2 schematically represents an embodiment of a gas turbine installation according to the invention and
FIG. 3 represents, schematically still and on a larger scale, a longitudinal section made through an embodiment of a compressor according to the invention.
The mode of operation of one embodiment of a gas turbine installation according to the invention is illustrated by the pressure and volume graph shown in Figure 1.
The process is supposed to start at point a, with some quantity of working medium, the state of which is provided by the coordinates of point a. The first phase of its development is that of a compression with simultaneous cooling taking place in accordance with the curve a-b-c. For simplicity, we can consider this curve as an isothermal curve, and, in practice, one will try, by means of an appropriate adjustment of the cooling, to make the course of the compression process coincide as much as possible with the curve. isothermal. After its compression, the working environment receives heat in a temperature exchanger at constant pressure, the heat being supplied by the "waste gases" of the installation.
This results in an increase in volume, which goes from c to f. A second reheating is carried out in a combustion chamber, or in a boiler, thus bringing the volume to pressure.
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constant change from 1 to g. Starting from g, 'the working environment relaxes and produces energy in a turbine, in accordance with the curve gh, which can be assumed to be an adiabatic curve. After which, it receives heat again in a combustion chamber or in a boiler, which determines an increase in volume at constant pressure; which goes from h to k.
Then, the working environment relaxes again and produces energy in the turbine, as indicated by the curve k-1, which can also be assumed to be an adiabatic curve, and finally, the working environment. relaxed work, constituting the waste gases, gives up heat by passing through the previously mentioned temperature exchanger, whereby the volume at constant pressure drops from 1 to m.
In rectilinear circuit installations, the point m is therefore found to indicate the state of the working environment when it leaves the installation., While in closed circuit installations, the working environment, starting from the conditions characterized by the coordinates of the point m, must be brought back, by cooling, to the initial state which it presented in a.
On the graph, we have plotted the curves ad and bc which indicate the development of the compression starting from the same initial conditions and ending at the same final pressure as those observed previously, but obtained in two stages, with intermediate cooling and without the application of the cooling operated during the compression itself to each of the stages. The hatched areas abd and bce represent the labor savings achieved by the application of cooling during compression itself, following the curve abc, instead of by the process of intermediate cooling.
Apart from the fact that, according to the invention, the use of intermediate coolers, bulky and expensive, is made superfluous. there must therefore be a considerable reduction in the work absorbed by compression and an increase in the same measure of the useful energy supplied by the installation.
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FIG. 2 schematically shows an embodiment of a gas turbine installation according to the invention, in which the compression is carried out in a single compressor with simultaneous cooling and the expansion in two turbines. Reference numeral 1 designates the compressor, the shaft 19 of which is coupled directly to the turbine 7 which, in the exemplary embodiment considered here, serves only for driving the compressor. The other turbine 11 provides the useful work, its shaft 24 being able to be coupled directly or indirectly with that of any energy consumer, for example a propeller or an electricity generator.
The compressor sucks in atmospheric air through its suction pipe 14 and compresses this air by cooling it by means of a cooling water stream supplied, through pipes 15 and 16 respectively, to the rotor and stator of the compressor. presser and then discharged through pipes 17 and 18. The compressed air is conveyed, by means of a tube 2, to a temperature exchanger 3 in which it flows through a large number of relatively narrow tubes 20 mounted between end plates 21. During this passage, the air receives heat from the waste gases emitted by the installation and flowing outside the tubes 20.
Leaving the temperature exchanger 3, the superheated air enters) through a tube 4, into a combustion chamber 5 in which a nozzle 22 injects a liquid fuel which is burned in the air, the air of which it raises. temperature. The burning mixture of air and combustion products then passes, through a tube 6, into the turbine 7 or, by its expansion, it supplies the energy necessary to drive the compressor, then, through a tube 8, in a combustion chamber 9, in which a second heating operation is carried out by means of the injection of a liquid fuel through a nozzle 23.
The working medium is then ... conducted, through tube 10, to turbine 11 where useful work is transmitted to shaft 24 and the waste gases, now relaxed, pass through pipe 13 and pass into the exchanger.
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temperature 3 before escaping through pipe 13.
an advantageous embodiment of a compressor which can be used in a similar or similar installation and comprising a cooling mode taking place during the compression, is illustrated in FIG. 3. The compressor here represented is of the axial type comprising stationary guide vanes and rotating vanes but could in itself and without departing from the scope of the present invention, be constituted by any other type of compressor comprising two or more vane elements driven by a movement of rotation relative to each other,
which elements will normally comprise several groups of fins and in which the working medium propagates along a rotating surface whose meridian section follows any straight line or curve.
In Figure 3, the guide vanes 25 are mounted directly inside the stationary compressor housing, while the part of the walls of said housing supporting the vanes is, on the outside, completely surrounded by a water jacket comprising. an inlet connector 16 and an outlet connector 18 for the cooling water. The housing supports bearings 32 between = which pivot the rotor 27 of the compressor. The movable vanes 28 are attached to the rotor and the portion of the rotor walls supporting the vanes has a cooling space 29 'through which water is supplied appropriately supplied.
In the embodiment considered here, the cooling water is conducted by a tube 15 introduced axially through the hollow end 31 of the rotor shaft and flows through the hollow shaft located. collected by a screen surrounding it. *
The cooling of the vanes is effected, in this embodiment, only by thermal conductivity taking place longitudinally), through the vanes and in the walls which support them * In order to reduce the resistance which is opposed to it at the transition point between the blade and the supporting wall the blades are fixed by welding,
or are equipped with bases
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sleeping the contact surface with the wall which supports the blades is at least equal to the section of the blades
If sufficient cooling is to be achieved, the active cooling surface must be suitably proportioned to the effect transformed in the compressor. According to the invention, the entire area F of the cooling surfaces and the transformed compression effect N must satisfy the equation
F = N x 0.001 where F is expressed in m2 and N in horsepower.
The present invention is not limited to the embodiment shown hereinafter and described above, relating to the compressor or to the complete installation. The installation may include one or more compressors and one or more turbines suitably associated. The temperature exchanger between the waste gases and the working environment can be inserted at other points of the circuit than that indicated, or else be completely eliminated. Heating of the working environment can take place in a single combustion chamber or in two or more and instead of the combustion chambers, boilers or combinations of boilers and combustion chambers can be used. indirect heating of the working environment.
The circuit traversed by the working environment can be constituted, as indicated above, by a rectilinear circuit or a closed circuit, or assume intermediate forms between these two systems.