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Installa.tion comportant une turbine à gaz.
L'invention concerne une installation comportant une turbine à gaz.
L'une des propriétés de la turbine à gaz est que sa puissance et son rendement varient fortement avec les conditions de fonctionnement de l'installation. C'est ainsi qu'il suffit d'un faible accroissement de la température de l'air aspiré par le ou les compresseurs, pour provoquer une notable diminution de la. puissance utile et du rendement de l'installation. De même, une faible diminution du rendement du ou des compresseurs et de la ou des turbines, due par exemple à l'usure, exerce une notable
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influence nuisible.
Cette propriété s'explique par le fait que la puissance utile d'une turbine à gaz est égale à la différence entre la puissance des turbines et celle des compresseurs, puissances qui sont des multiples de la puissance utile.
Pour que la turbine à gaz puisse développer sa pleine puissance dans toutes les circonstances, elle doit donc avoir des dimensions beaucoup plus grandes que celles qui seraient nécessaires dans le cas où cette turbine travaille toujours dans des conditions normales. De ce fait, dans les conditions normales, la machine ne travaille pas à pleine charge, c'est- à-dire que la quantité de fluide comprimée dans les compresseurs est beaucoup plus grande que celle qui serait nécessaire, ce qui est défavorable pour le rendement. Dans ces conditions, la ma- chine consomme notablement plus de combustible que si elle était construite pour ne travailler que dans des conditions normales.
Dans de nombreux cas, la charge moyenne d'une turbine à gaz sera. notablement inférieure à la. charge maximum. En général, le rendement d'une turbine à. gaz diminùe fortement avec la charge; il serait donc intéressant que la machine (en particulier le débit du compresseur ou des compresseurs) ne doive pas être rendue plus grande que ne le nécessite la charge moyenne.
Le grand débit des compresseurs est encore défavora- ble pour une autre raison. Dans de nombreuses turbines à gaz , la. détente s'effertue en deux étages,d'abord dans la turbine à haute pression, ensuite dans la turbine à basse pression. Fn général, l'une des deux turbines entraîne les compresseurs tan- dis que l'autre fournit la puissance utile. Comme la puissance nécessaire à l'entraînement des compresseurs est notablement plus élevée que la puissance utile, la chute de température dans la
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turbine entraînant le compresseur sera notablement plus élevée que celle dans la turbine qui fournit la puissance utile. Donc, une augmentation du débit des compresseurs entraîne une plus grande différence en chute de température dans les deux turbines.
Les lois de la thermodynamique permettent d'établir facilement que,le rendement optimum d'une turbine à gaz dont la détente s'ef- fectue en deux étages n'est obtenable que lorsque la chute de température est pratiquement la même dans les deux turbines.
Il en résulte qu'il serait intéressant de pouvoir limi- ter le débit des compresseurs d'une manière telle que la puis- sance de la turbine qui entraîne ces compresseurs ne doive dé- passer que peu ou guère la puissance utile.
La mise en oeuvre de l'invention permet de diminuer notablement le débit des compresseurs entraînés par la. turbine à gaz, bien que, dans toutes les conditions, la turbine puisse développer sa pleine puissance.
L'invention consiste à compenser un débit éventuelle- ment trop faible des compresseurs entraînés-par la turbine, à l'aide d'une source d'énergie indépendante de la turbine.
A cet effet, l'installation conforme à l'invention pré- sente la particularité de comporter en outre d'un.ou plusieurs compresseurs entraînés par la turbine à gaz elle-même, un ou plusieurs autres compresseurs séparés ou des générateurs de gaz comprimé, qui sont entraînés par des machines à piston et qui peuvent fournir à la turbine à gaz, suivant les besoins, du fluide sous pression.
La mise en service de plusieurs générateurs de gaz sous pression ou de plusieurs compresseurs à commande indivi- duelle à mesure que le manque de débit précité augmente, permet de faire en sorte que l'installation développe sa pleine puis- sance dans toutes les conditions. De cette manière,.la' turbine à @
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gaz travaille toujours à son rendement optimum.
A première vue, cette addition de compresseurs à com- mande individuelle à la turbine semble indésirable, car elle sup- prime l'unité de l'installation.
La Demanderesse a cependant constaté que cet agence- ment permet d'obtenir de notables avantages. D'ailleurs, il existe de nombreuses installations de force motrice qui ne constituent pas des unités.
C'est ainsi que les installations navales par exemple comportent outre la machine principale, une ou plusieurs machi- nes auxiliaires.
Ces machines auxiliaires sont en général a.ccouplées à,des dynamos. Un tel groupe est en général appelé dynamo auxi- liaire, Elles fournissent la puissance électrique nécessaire à l'entraînement des machines du pont et des machines auxiliaires, à l'éclairage etc. Les machines motrices sont en général des moteurs Diesel, mais parfois aussi des machines à vapeur.
Dans la plupart des bateaux, la puissance électrique nécessaire en mer est notablement inférieure à celle utilisée au port de sorte qu'en mer au moins une, mais en général deux dynamos auxiliaires sont hors service.
Dans une forme d'exécution de l'invention, on utilise la partie de la puissance des dynamos auxiliaires non utilisée en pleine mer, pour augmenter le débit des compresseurs entrai- nés par la. turbine à gaz, par exemple en augmentant la vitesse de rotation de ces compresseurs à l'aide d'un moteur électrique.
Ce moteur reçoit donc du courant des dynamos auxiliaires.
Comme la fourniture précitée d'énergie électrique à la turbine provoque des pertes totales d'environ 20% dans la dynamo et dans le moteur électrique,alors que ces pertes ne se produisent pas dans le premier système mentionnée on s'ef- @
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forcera en général de suppléer au manque de débit du ou des compresseurs entraînés par la turbine à gaz à l'aide de générateurs de gaz sous pression ou de. compresseurs à commande individuelle et on considérera l'excès de puissance électrique des dynamos auxiliaires uniquement comme un complément additionnel que l'on utilisera dans des conditions particulièrement défavorables.
Pour utiliser autant que possible la puissance des moteurs auxiliaires tout en évitant les pertes électriques précitées, on peut aussi faire en sorte que les moteurs des dynamos auxiliaires entraînent directement un compresseur. Comme ce compresseur ne doit pas toujours fonctionner au moment où la dynamo auxiliaire doit fournir du courant, il faut prévoir un dispositif de débrayage entre le moteur et le compresseur.
On peut cependant aussi limiter le nombre de dynamos auxiliaires entraînées par les moteurs Diesel en utilisant le fluide, que l'on a comprimé dans les générateurs de gaz sous pression ou-dans les condensateurs à commande individuelle, pour entraîner des machines à détente (par exemple des moteurs à air comprimé) auxquelles sont accouplées des dynamos.
On peut aussi entraîner au gaz sous pression ou à l'air sous pression certaines pompes, des machines du pont et d'autres machines auxiliaires, machines dont le prix sera bien souvent inférieur à celui des machines à commande électrique et qui, en outre, sont extrêmement dociles. Le gaz sous pression ou l'air comprimé peuvent aussi s'utiliser pour faire démarrer la turbine à gaz ; à cet effet, on lance du gaz sous pression ou de l'air comprimé dans la canalisation utilisée pour compléter le manque de débit des compresseurs entraînés par la turbine.
Suivant une autre particularité de l'invention, l'énergie cédée par la turbine à gaz aux compresseurs qu'elle entraîne est au maximum si grande que ces compresseurs soient à même de four-
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nir à la turbine à gaz une quantité de fluide qui est approximativement égale aux besoins de la turbine à gaz pour une charge inférieure à la charge minimum de cette turbine. Il est alors suppléé au manque de débit aux charges élevées de la manière pré- cédemment décrite.
La description du dessin annexé, donné à titre d'exemple non limitatif, fera bien comprendre comment l'invention peut être réalisée, les particularités qui ressortent tant du texte que du dessin faisant, bien entendu, partie de l'invention.
Les fige 1 et 2 représentent schématiquement des exemples d'installations comportant une turbine à gaz conforme à l'invention.
Sur la fig. 1, la turbine proprement dite 1 entraîne non seulement le compresseur 2 mais elle fournit aussi la puis- sance utile, par exemple à l'hélice 3.
Le compresseur 2 aspire le fluide en 4. Dans le cas d'une turbine à gaz à cycle ouvert, telle que représentée ici, ce fluide est de l'air à la pression atmosphérique et à la température ambiante.
Dans le cas d'une turbine à gaz à cycle fermé à laquelle l'invention peut aussi s'appliquer, la pression peut avoir une valeur arbitraire, mais la température sera, de préférence, maintenue aussi bas que possible.
Le compresseur 2 comprime le fluide et le conduit, par une canalisation 5, à la chambre de combustion 6. Dans cette chambre, le fluide est chauffé à l'aide d'un combustible qui est amené en 7 et qui brûle dans cette chambre.
La canalisation 8 conduit le fluide dans la turbine
1, où il se détend pour être évacué par la cheminée (turbine à gaz à cycle ouvert) ou être refroidi et ensuite être de nouveau aspiré par le compresseur en 4 (turbine à cycle fermé).
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Le fluide utilisé pour la turbine 1 sera porté à la température maximum compatible avec le matériau des aubes de la turbine, car le rendement de la turbine à gaz augmente avec cette température.
Si, par exemple par suite d'influences atmosphériques, la température du fluide aspiré en 4 augmente, le compresseur 2 aspire par unité de temps, un moindre poids de fluide de sorte qu'une plus petite quantité (en poids) se détendra dans la turbine.
Comme il est impossible d'augmenter la température de la 'turbine il faudra abaisser la pression pour la turbine, donc le rapport de détente et la chute de température dans la turbine baisseront ce qui entraîne une diminution notable de la puissance de la turbine.
Il est vrai que, par suite du plus faible rapport de compression, la puissance absorbée par le compresseur diminuera aussi quelque peu mais comme le volume aspiré ne varie pas, cette diminution de la puissance absorbée par le compresseur sera beaucoup plus petite que la diminution de la puissance de la turbine. Il en résulte que la puissance utile fournie à l'hélice 3, puissance utile qui est égale à la différence entre les puissances beaucoup plus grandes de la turbine et du compresseur, diminue très fortement:
Une diminution du rendement du compresseur ou de la turbine, diminution qui peut résulter par exemple de l'usure ou d'un encrassement, provoque un effet analogue.
Une turbine à gaz est donc très sensible aux conditions de fonctionnement. C'est pourquoi jusqu'à présent il a été d'usage d'utiliser un condensateur dont le débit est beaucoup plus grand que celui qui serait nécessaire si l'installation devait toujours fournir la pleine puissance sous les mêmes
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conditions. Ceci influence évidemment la consommation de combustibles.
Dans l'installation en question, le débit du compresseur 2 ne dépasse cependant pas celui qui est nécessaire pour fournir à la turbine la quantité de fluide requise dans des conditions fixées d'avance. On choisira comme étalon la charge usuelle (moyenne) de la turbine. On peut même utiliser un compresseur 2 à débit plus faible encore lorsque, en pratique, la turbine estsouvent chargée à une valeur inférieure à la charge moyenne.
Cependant, s'il faut développer la puissance maximum dans des conditions défavorables et que le débit du compresseur ne suffit donc pas, la canalisation 9 amène au système une quantité de fluide en un endroit situé entre le compresseur 2 et la chambre de combustion.
Cette quantité additionnelle de fluide est comprimée dans un ou plusieurs des compresseurs 10, 11, 12 et 13 et traverse la canalisation 14 pour se diriger vers la canalisation 9.
Les compresseurs 10, 11 et 12 sont entraînés respecti- vement par les moteurs auxiliaires 15, 16 et 17 lorsqu'on embraye les accouplements 21, 22 et 23.
Cette disposition peut être utilisée par exemple dans une installation navale. Les moteurs auxiliaires 15, 16 et 17 y sont accouplés aux dynamos 18, 19 et 20 qui, en mer, doivent fournir peu de courant étant donné que les grues ne sont pas en service. Le surplus de puissance des moteurs auxiliaires 15, 16 et 17 peut donc alors être utilisé pour entraîner des compresseurs 10, 11 et 12. Les dynamos 18, 19 et 20 sont entraînées par des machines non représentées sur le dessin, par exemple, par des moteurs à essence ou des moteurs Diesel.
Cependant, en général, ce surplus ne sera pas suffi-
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sant pour compléter, dans des conditions désavantageuses, le débit insuffisant du compresseur 2; il faudra donc installer un quatrième compresseur 13 qui est entraîné par la machine à piston 24.
Lorsque la turbine à gaz est à cycle fermé, les canalisations d'aspiration des compresseurs 10, 11, 12 et 13 sont raccordées à la canalisation d'aspiration 4 du compresseur 2.
Sur la fig, l, les compresseurs 10, 11, 12 et 13 sont branchés en parallèle avec le compresseur 2.
Dans certains cas, il peut être avantageux de monter les compresseurs 10, 11, 12 et 13 en série avec le compresseur 2.
Dans ce cas, le fluide est d'abord aspiré par le compresseur 2, y est porté à une pressio. intermédiaire pour être finalement comprimé à une pression élevée par les compresseurs 10, 11, 12 et 13 ou bien, le fluide est d'abord aspiré par les compresseurs 10, 11, 12 et 13, y est comprimé à une pression intermédiaire, et.est ensuite comprimé par le compresseur 2 à une pression élevée.
La fig. 2 représente schématiquement une installation de turbine à gaz dans laquelle la compression et la détente s'effectuent en deux étages. Dans cette installation on utilise un échangeur de chaleur.
Le turbine à haute pression 25 ,entraîne dans ce cas le compresseur à basse pression 26 et le compresseur à haute pression 27. La turbine à basse pression n'entraîne pas de.com- presseur; elle fournit uniquement la puissance utile par exemple à une hélice 68.
Dans cette installation, la turbine 25 doit être à même d'entraêner, dans toutes les conditions, les compresseurs
26 et 27. Pour des raisons d'ordre thermodynamique, le rendement de l'installation est maximum lorsque la puissance de la turbine à haute pression 25 est du même ordre de grandeur que celle de la turbine à basse pression 28. Ce résultat ne peut , cependant s'obtenir qu'en limitant le débit des compresseurs
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26 et 27. Dans ce cas l'invention offre donc un très grand in- térêt.
L'installation fonctionne de la manière suivante : Le fluide est aspiré en 29 par le compresseur à basse pression 26. Il est comprimé dans ce compresseur et se dirige ensuite, par le réfrigérant intermédiaire 30, vers le compresseur à haute pression 27 dans lequel il est de nouveau comprimé. La canalisation 31 mène le fluide vers l'échangeur de chaleur 32 dans lequel il absorbe une partie de la chaleur du fluide détendu par la suite dans les turbines. De cet échangeur de chaleur, le fluide est amené, par la canalisation 33, dans la chambre de combustion à haute pression 34 dans laquelle il est chauffé pour se détendre ensuite partiellement dans la turbine 25. Le fluide est ensuite réchauffé dans la chambre de combustion à basse pression 35 et se détend enfin entièrement dans la, turbine 28.
Par l'intermédiaire du récupérateur 32, le gaz s'échappe par la canalisation 36 dans la cheminée dans le cas d'une turbine à gaz à cycle ouvert; lorsque la turbine à gaz travaille en cycle fermé, le fluide est aspiré par le compresseur 26 à travers un réfrigérant.
La capacité des compresseurs 26 et 2'7 est insuffisante pour assurer le fonctionnement des turbines dans toutes les conditions. C'est pour quoi la canalisation 48 peut éventuellement compenser un manque de capacité de ces compresseurs 26 et 27.
Les compresseurs 39 et 41 aspirent le fluide (air at- mosphérique) à ,travers 43, respectivement 44 (lorsque la turbine à gaz est du type fermé, les canalisations d'aspiration 43 et 44 sont raccordées à la canalisation d'aspiration 29 du compresseur à basse pression 26) et le refoulent, à l'état comprimé, à travers les canalisations 45, respectivement 46, dans
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la canalisation commune 47, qui est raccordée à la canalisation 48. Les compresseurs 39, respectivement 41, sont entraînés par les machines à piston 40, respectivement 42. Si les groupes 39-40, respectivement 41-42, sont des générateurs de gaz sous pression,
dans les compresseurs 39 et 41 de l'air comprimé est mélangé avec les gaz d'échappement des moteurs 40 et 42, de sorte que, dans ce cas, le fluide qui afflue à travers la canalisation 48 vers la turbine à gaz, est du gaz sous pression.
Comme, en mer, les dynamos auxiliaires ne sont que partiellement chargées, la puissance en excès de ces dynamos peut être utilisée pour augmenter la capacité des compresseurs 26 et 27.
A l'aide du moteur électrique 60, qui reçoit du courant électrique du secteur par l'intermédiaire des lignes 59 et des interrupteurs 58, on peut augmenter la vitesse de rotation des compresseurs 26 et 27.
Les dynamos auxiliaires 49-50, respectivement 51-52, engendrent l'énergie électrique qui est cédée au secteur par l'intermédiaire des lignes 53 et 54 et des interrupteurs 55 et 56.
La combinaison d'alimentation en énergie à l'aide de fluide comprimé dans des compresseurs à commande individuelle et l'appoint d'énergie électrique précité permet d'utiliser entièrement les machines motrices dans des conditions défavorables pour permettre à la turbine à gaz de développer sa pleine puissance.
Enfin, la turbine à gaz peut être démarrée de la même manière que sur la fig. 1, à savoir en amenant à la turbine, par l'intermédiaire de la canalisation 48 le fluide comprimé dans les compresseurs à commande individuelle. Ce fluide peut aussi servir à entraîner diverses ma-
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chines auxiliaires, par exemple la dynamo 63 qui est entraînée par une machine à détente 62 alimentéepar la canalisation 61, en fluide comprimé ou la pompe 66 qui est entraînée par le piston dans le cylindre 65, cylindre dans lequel se détend le fluide amené dans la canalisation 64.
La canalisation 67 permet encore d'alimenter en fluide comprimé d'autres machines auxiliaires, par exemple des grues, des machines de pilotage etc..