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"Perfectionnements apportés aux installations à compresseur et turbine et traversées par un fluide élastique fonctionnant à cycle fermé et à leurs commandes."
La présente invention est relative à des instal lations à compresseur et turbine et traversées par un fluide élastique fonctionnant à cycle fermé et à leurs commandes.
Il est bien connu que l'avantage thermodynamiqu principal d'une installation à compresseur et turbine, traversée par un fluide élastique fonctionnant à cycle fermé, comparativement à celle fonctionnant à cycle ou- 'vert, est que pour la première le rapport de pression du compresseur et la température à l'entrée de la tur- bine peuvent être maintenus constants pour une charge partielle ce qui permet d'obtenir de bons rendements individuels et un rendement total virtuellement cons- tant pour des charges variables entre des limites très écartées.
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Le réglage de la puissance fournie par une ins- tallation à compresseur et turbine, traversée par un fluide élastique fonctionnant à cycle fermé peut être effectué en faisant varier le niveau de pression du flui de actif dans le circuit fermé de l'installation pour modifier la masse du fluide qui le traverse. Ceci est effectué normalement en déchargeant une certaine quanti- té du fluide dans un ou plusieurs réservoirs, dans le- quel le fluide comprimé peut étre gardé en séserve jus- en qu'à ce qu/on/ait besoin, ou en prélevant du fluide hors de ce réservoir.
La présente invention a pour objet une installa- tion à compresseur et turbine, dont on fait varier la puissance fournie en modifiant le niveau de la pression du fluide qui le traverse en circuit fermé et qui est caractérisée par le fait que l'on transfère le fluide dans le circuit fermé à partir de l'air libre, pour ob- tenir un accroissement de ladite puissance, le niveau de pression du fluide actif dans le circuit fermé étant tel que, pour toute puissance fournie en dessous de la puissance maximum, la pression minimum soit/moindre que la pression atmosphérique. De cette manière l'air peut- être aspiré dans un étage à basse pression du cycle, 1' atmosphère étant utilisée comme un équivalent du ou des réservoirs des installations usuelles.
Suivant une autre caractéristique de l'inventi on donne au niveau de pression du fluide actif dans le circuit fermé de l'installation une valeur telle que, pour toute puissance fournie au-dessus d'un minimum dé- terminé, la pression maximum soit supérieure à la pres- sion atmosphérique, pour permettre,le prélèvement de 1' air hors du circuit fermé à partir d'un étage à haute pression du cycle par échappement à l'air libre en réd@ sant ainsi la puissance fournie par l'installation.
Avantageusement on agence l'installation de ma-
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nière telle que le fluide actif dans le circuit fermé, pour une puissance maximum, ait une pression minimum é- gale à la' pression atmosphérique et que, pour une puis- sance minimum prédéterminée, le pression maximum soit égale à la pression atmosphérique.
L'invention a également pour objet une installa- tion du genre tel que spécifié phus haut, dans laquelle .l'air constitue le fluide élastique et dans laquelle une sortie réglable est prévue en aval d'un étage de compres- sion du cycle pour permettre la décharge d'une certaine quantité de l'air comprimé actif hors du circuit fermé pour réduire à la fois le débit massif et le niveau de pression du fluide actif pour diminuer ainsi la puissan- ce fournie par la turbine, une entrée réglable étant pré vue en amont dudit étage de compression pour permettre l'admission d'air en vue d'accroître à la fois le débit massif et le niveau de pression du fluide actif dans le circuit pour augmenter ainsi la puissance fournie par la turbine.
Si l'on admet que, dans l'intérêt de la produc- tion de puissance et, également, pour maintenir constant le rapport de pression du compresseur, il soit nécessai- re de faire tourner la turbine à une vitesse constante, on peut commander les distributeurs d'échappement et d' admission par un régulateur de vitesse que l'on agence de manière telle, lorsque une diminution de la charge tend à augmenter la vitesse de la turbine au-dessus d'un valeur prédéterminée, que le distributeur d'échappement soit ouvert pour diminuer la puissance fournie par l'inc tallation et, lorsqu'un accroissement de la charge tend à diminuer la vitesse de la turbine en-dessous d'une valeur prédéterminée, le distributeur d'admission soit ouvert pour augmenter la puissance fournie par l'in stal- lation,
et gui tend à maintenir la turbine à une vitesse prédéterminée.
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Une difficulté, qui se produit pour l'applica- tion de l'invention, est l'encaissement d'une charge croissante puisque l'air peut seulement être admis, de- puis l'atmosphère, du côté de la basse pression dans un étage de compression et doit traverser cet étage avant d'atteindre la turbine de sorte que cet air agit d'abord .comme un frein.
Suivent une autre caractéristique de l'invention. on a recours à des moyens supplémentaires pour répondre temporairement à un accroissement de charges, autrement qu'en faisant varier le débit massif du fluide actif dan le circuit fermé, ces moyens supplémentaires étant arti- culés à la commande par laquelle on obtient la modifica- tion du débit massif afin qu'ils interviennent seulement quand ce débit doit être accru pour compenser l'effet de freinage temporaire obtenu par l'accroissement dudit débit massif.
On peut agencer les moyens supplémentaires sus- dits de manière qu'ils soient propres à augmenter tempo- rairement la chaleur fournie à l'air actif pénétrant dan la/turbine en vue d'accroitre la température à l'entrée de la turbine quand le distributeur d'admission est ou- vert pour admettre de l'air et accroitre ainsi le débit massif et le niveau da la pression pour accroître la puissance fournie par l'installationcompresseur à/tur- bine.
Ainsi, on peut régler l'apport de chaleur à l'air actif par un thermostat sensible à la température d'en- trée de la turbine et qui tend à maintenir cette tempé- rature constante, un régulateur de vitesse, entrainé par la turbine, étant propre à régler la température à l'entrée de la turbine au-delà du contrôle thermostati- que pour permettre un surchauffage temporaire de l'air actif au delà de la température prédéterminée susdite, pour vaincre l'effet de freinage temporaire du compres- seur, quand de l'air est admis dans celui-ci .
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Le dessin ci-annexé montre, à titre d'exemple, un mode de réalisation de l'invention.
La figure unique de ce dessin, montre, schéma- tiquement, une installation motrice avec turbine à gaz et établie selon l'invention.
L'installation comprend une turbine 1 traversée par un fluide élastique et dans laquelle l'air est le fluide actif, cette turbine entraînant un compresseur d'air 2 et une génératrice électrique 3. Avantageusement et pour plus de simplicité, ces trois machines sont co- axiales et leurs arbres 4 sont reliés directement entre- eux. L'air actif passe par un cycle répété d'opérations consistant en une compression dans le compresseur 2, un premier réchauffage dans un échangeur de chaleur 5 et un chauffage final dans un réchauffeur d'air 6, une détente dans la turbine 1, un premier refroidissement dans un échangeur de ohaleur et un refroidissement final dans un refroidisseur d'air 7.
Une soupape d'échappement d'air 8 est établie dans le circuit d'air actif en aval du compresseur et soupape d'admission d'air 9 est montée dans ce circuit en amont du compre sseur. Les deux soupapes 8 et 9 ont des servo-commandes représentées respectivement par les pistons 10 et 11. Pour obtenir une production économique de puissance et pour maintenir constant le rapport de pression du compresseur, le vitesse de la turbine est conservée par un régulateur de vitesse constante 12.
Egalement pour maintenir constante la températu- re à l'entrée de la turbine, l'apport de chaleur au ré- chauffeur d'air (réglé par un distributeur de combus- tible 13) est contrôlé par un thermostat 14, établi dans l'entrée d'air actif dans la turbine, comme indiquée par la ligne 15 en traits interrompus.
Quand l'installation fonctionne, pour fournir
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sa puissance maximum, la pression minimum de l'air ac- tif est la pression atmosphérique et la pression à la- quelle débite le compresseur et la masse d'air circu- lant dans le circuit de l'installation sont à leurs valeurs maxima. Pour pouvoir réduire la puissance four- nie par l'installation, la soupape d'échappement 8 est ouverte et l'air s'échappe dans l'atmosphère, la pres- sion fournie par le compresseur est réduite et la pres- sion minimum de l'air actif devient inférieure à la pre- sion atmosphérique pendant que la soupape d'admission est maintenue fermée.
Au contraire, pour augmenter la puissance fournie, la soupape d'échappement 8 est main- tenue fermée et la soupape d'admission 9 est ouverte, ce qui permet à une quantité plus grande d'air, de par-
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ticiper au cycle en augmentant it niveau de pression de l'air actif. Les servo-commandes des soupapes 8 et 9 sont commandées respectivement par le régulateur de vitesse constante, comme indiqué par des traits interrom pus 16 et 17, ce régulateur étant entraîné par l'arbre 4 de la turbine et, quand une diminution de la charge tend à augmenter la vitesse de la turbine, la soupape d'échappement 8 est ouverte et l'air s'échappe jusqu'à ce que la puissance fournie par la turbine soit abais- sée en concordance de la réduction de la charge.
De mê- pour me,/une diminution de la vitesse due à un accroissement de la charge, on obtient l'ouverture de la soupape 9 et une admission d'air dans le circuit. Mais, comme 1' air admis dans le circuit doit passer par le compresseur avant de pouvoir agir sur la turbine,la charge de celle- ci aura augmenté. Il est donc nécessaire de faire inter- venir des moyens pour augmenter temporairement la puis- sance fournie par la turbine pendant que l'air est admi dans celle-ci. Pour l'exemple montré, ceci est obtenu en permettant au régulateur 12 à vitesse constante d'in- tervenir au-delà du contrôle thermostatique de la tempé-
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rature à l'entrée de la turbine et en surchauffant l'air dans le réchauffeur ce qui augmente la température de l'air dans la turbine.
Cette action supplémentaire est indiquée, sur le dessin, par la ligne 18 en traits interrompus. La puissance fournie par la turbine est augmentée et tend à pourvoir à la fois à la charge accrue et au débit mas- sif additionnel dans le compresseur.
Quand une quantité suffisante d'air a été admise pour satisfaire à la nouvelle charge, la température à l'entrée de la turbine descend jusqu'à la valeur voulu@
Dans certains cas, quand le travail le permet, une variante peut être adoptée pour compenser temporai- rement le supplément de charge et permettre ainsi à la turbine d'admettre rapidement de ]!'air frais et rétablir la charge quand la puissance voulue devient disponible.
Les soupapes 8 et 9 sont toutes maintenues en place pendant la marche normale, par les différences des pressions d'air et la force extérieure fournie aux serve commandes sert uniquement à ouvrir et à fermer les sou- papes pendant les variations de la charge. Les efforts agissant sur les soupapes peuvent être modifiés de manie re à produire des effets similaires pour toutes les char ges. Les effets des deux soupapes sont également pour ainsi dire complémentaires. Ainsi, quand la soupape d'échappement nécessite un effort puissant pour pouvoir s'ouvrir contre l'action d'une pression élevée, la dif- férence des pressions agissant sur les deu faces de la soupape d'admission est faible et l'effort à exercer sur cette soupape est réduit.
En admettant que la vites- se de l'air passant par les soupapes dépende des diffé- rences des pressions d'air agissant sur celles-ci, l'ou- verture de la soupape d'échappement à pleine charge a pour effet de produire une diminution rapide du débit de la turbine alors que l'ouverture de la soupape d'ad-
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mission, pour une charge croissante, a pour effet de faire diminuer la vitesse d'accroissement de la charge quand on s'approche de la pleine charge.
Le pourcentage de pleine charge, pour lequel une installation du type spécifié peut maintenir le rendement total constant ou sensiblement constant, dépend unique- ment du rapport de pression du cycle car il est évident que la pression maximum ne doit pas devenir inférieure à la pression atmosphérique. Ainsi, si le rapport de pression du cycle est 8 : 1, le niveau de pression peut être diminué jusqu'à ce que la pression maximum diminue depuis 8 atmosphères jusqu'à 1 atmosphère et la pression minimum passe de 1 atmosphère à 1/8 atmosphère. Le débit massif étant proportionnel à la pression et le débit spécifique restant constant, le débit peut être égal à 1/8 du débit total calculé.
En dessous de cette valeur, déterminée par le rapport de pression, une réduction du débit devrait être obtenue par d'autres moyens, par exem ple par une réduction de la température à l'entrée de la turbine.
Comparativement à une turbine à cycle ouvert, le type proposé de la turbine à cycle fermé présente l'avantage qu'on peut obtenir de bons rendements pour des charges partielles et cela quand ces charges sont bien plus basses que celles à considérer pour une tur- ,bine à cycle ouvert. Par rapport à une turbine usuelle à cycle fermé, la turbine proposée présente l'avantage connu d'un rendement constant à charge partielle, qui caractérise une turbine à cycle fermé mais cette charge peut se trouver dans une zone bien plus basse qu'avec les turbines ordinaires de ce genre. Les réservoirs d'air sont supprimés car on utilise l'atmosphère à la fois comme source d'air et pour décharger l'air.
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"Improvements made to compressor and turbine installations traversed by an elastic fluid operating in a closed cycle and at their controls."
The present invention relates to compressor and turbine installations traversed by an elastic fluid operating in a closed cycle and to their controls.
It is well known that the main thermodynamic advantage of a compressor and turbine installation, through which an elastic fluid operating in a closed cycle passes, compared to that operating in an open cycle, is that for the first the pressure ratio of compressor and the temperature at the inlet of the turbine can be kept constant for a partial load which allows to obtain good individual efficiencies and a total efficiency virtually constant for varying loads between very wide limits.
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The adjustment of the power supplied by a compressor and turbine installation, crossed by an elastic fluid operating in a closed cycle can be carried out by varying the pressure level of the active fluid in the closed circuit of the installation to modify the pressure. mass of the fluid passing through it. This is normally done by discharging a quantity of the fluid into one or more reservoirs, where the compressed fluid can be held in reserve until needed, or by withdrawing fluid. out of this tank.
The present invention relates to a compressor and turbine installation, the power supplied to which is varied by modifying the pressure level of the fluid which passes through it in a closed circuit and which is characterized by the fact that the power is transferred. fluid in the closed circuit from the free air, to obtain an increase in said power, the pressure level of the active fluid in the closed circuit being such that, for any power supplied below the maximum power, the minimum pressure is / less than atmospheric pressure. In this way the air can be drawn into a low pressure stage of the cycle, the atmosphere being used as an equivalent of the reservoir (s) of conventional installations.
According to another characteristic of the invention, the pressure level of the active fluid in the closed circuit of the installation is given a value such that, for any power supplied above a defined minimum, the maximum pressure is greater than at atmospheric pressure, to allow the air to be taken out of the closed circuit from a high pressure stage of the cycle by exhaust into the open air, thus reducing the power supplied by the installation .
Advantageously, the installation of my
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such that the fluid active in the closed circuit, for maximum power, has a minimum pressure equal to atmospheric pressure and that, for a predetermined minimum power, the maximum pressure is equal to atmospheric pressure.
The object of the invention is also an installation of the kind as specified above, in which air constitutes the elastic fluid and in which an adjustable outlet is provided downstream of a compression stage of the cycle for. allow the discharge of a certain quantity of the active compressed air out of the closed circuit to reduce both the massive flow rate and the pressure level of the active fluid to thereby reduce the power supplied by the turbine, an adjustable inlet being viewed upstream of said compression stage to allow the admission of air in order to increase both the bulk flow and the pressure level of the active fluid in the circuit to thereby increase the power supplied by the turbine.
If it is accepted that, in the interest of power production and also to keep the compressor pressure ratio constant, it is necessary to run the turbine at a constant speed, it is possible to control the exhaust and intake distributors by a speed regulator which is arranged in such a way, when a decrease in the load tends to increase the speed of the turbine above a predetermined value, that the distributor d The exhaust is opened to decrease the power supplied by the installation and, when an increase in load tends to decrease the speed of the turbine below a predetermined value, the intake manifold is opened to increase the load. power supplied by the installation,
and mistletoe tends to maintain the turbine at a predetermined speed.
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A difficulty, which arises in the application of the invention, is the collection of an increasing load since air can only be admitted, from the atmosphere, from the low pressure side into a chamber. compression stage and must pass through this stage before reaching the turbine so that this air first acts as a brake.
Another characteristic of the invention follows. additional means are used to temporarily respond to an increase in loads, other than by varying the massive flow rate of the active fluid in the closed circuit, these additional means being linked to the control by which the modification is obtained. tion of the massive flow so that they intervene only when this flow must be increased to compensate for the temporary braking effect obtained by the increase in said massive flow.
The aforesaid additional means can be arranged so that they are suitable for temporarily increasing the heat supplied to the active air entering the / turbine with a view to increasing the temperature at the inlet of the turbine when the inlet distributor is open to admit air and thus increase the massive flow rate and the pressure level to increase the power supplied by the compressor / turbine installation.
Thus, the supply of heat to the active air can be regulated by a thermostat sensitive to the inlet temperature of the turbine and which tends to maintain this constant temperature, a speed regulator, driven by the turbine. , being able to regulate the temperature at the inlet of the turbine beyond the thermostatical control to allow temporary overheating of the active air beyond the aforesaid predetermined temperature, to overcome the temporary braking effect of the compressor - seur, when air is admitted into it.
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The accompanying drawing shows, by way of example, one embodiment of the invention.
The single figure of this drawing shows, diagrammatically, a power plant with a gas turbine and established according to the invention.
The installation comprises a turbine 1 traversed by an elastic fluid and in which air is the active fluid, this turbine driving an air compressor 2 and an electric generator 3. Advantageously and for greater simplicity, these three machines are combined. - axial and their shafts 4 are directly connected to each other. The active air goes through a repeated cycle of operations consisting of a compression in the compressor 2, a first heating in a heat exchanger 5 and a final heating in an air heater 6, an expansion in the turbine 1, a first cooling in a heat exchanger and final cooling in an air cooler 7.
An air exhaust valve 8 is established in the active air circuit downstream of the compressor and air intake valve 9 is mounted in this circuit upstream of the compressor. The two valves 8 and 9 have servo-controls represented by pistons 10 and 11 respectively. To obtain an economical production of power and to maintain constant the pressure ratio of the compressor, the speed of the turbine is maintained by a speed regulator. constant 12.
Also to maintain constant the temperature at the inlet of the turbine, the heat input to the air heater (regulated by a fuel distributor 13) is controlled by a thermostat 14, established in the air heater. active air inlet in the turbine, as indicated by line 15 in dotted lines.
When the installation is working, to provide
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its maximum power, the minimum pressure of the active air is atmospheric pressure and the pressure at which the compressor delivers and the mass of air circulating in the installation circuit are at their maximum values. In order to be able to reduce the power supplied by the installation, the exhaust valve 8 is opened and the air escapes into the atmosphere, the pressure supplied by the compressor is reduced and the minimum pressure of the active air becomes lower than atmospheric pressure while the inlet valve is kept closed.
On the contrary, to increase the power delivered, the exhaust valve 8 is kept closed and the intake valve 9 is opened, which allows a larger quantity of air to pass through.
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ticipate in the cycle by increasing the active air pressure level. The servo-controls of the valves 8 and 9 are controlled respectively by the constant speed regulator, as indicated by broken lines 16 and 17, this regulator being driven by the shaft 4 of the turbine and, when a decrease in load tends to increase the speed of the turbine, the exhaust valve 8 is opened and air escapes until the power supplied by the turbine is lowered in accordance with the reduction in load.
Likewise, / a reduction in speed due to an increase in the load, the opening of the valve 9 and an admission of air into the circuit are obtained. However, as the air admitted to the circuit must pass through the compressor before it can act on the turbine, the load thereof will have increased. It is therefore necessary to bring in means to temporarily increase the power supplied by the turbine while the air is admitted into the latter. For the example shown, this is obtained by allowing the regulator 12 at constant speed to intervene beyond the thermostatic control of the temperature.
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erases the inlet of the turbine and overheating the air in the heater which increases the temperature of the air in the turbine.
This additional action is indicated in the drawing by line 18 in broken lines. The power supplied by the turbine is increased and tends to provide for both the increased load and the additional mass flow in the compressor.
When a sufficient quantity of air has been admitted to satisfy the new load, the temperature at the inlet of the turbine drops to the desired value @
In certain cases, when the work permits it, a variant can be adopted to compensate temporarily for the additional load and thus allow the turbine to quickly admit fresh air and restore the load when the desired power becomes available. .
Valves 8 and 9 are all held in place during normal operation by differences in air pressure, and the external force supplied to the controls serves only to open and close the valves during variations in load. The forces acting on the valves can be changed so as to produce similar effects for all loads. The effects of the two valves are also virtually complementary. Thus, when the exhaust valve requires a powerful force to be able to open against the action of a high pressure, the difference in the pressures acting on the two faces of the intake valve is small and the force to exert on this valve is reduced.
Assuming that the velocity of the air passing through the valves depends on the differences in the air pressures acting on them, the opening of the exhaust valve at full load has the effect of producing a rapid decrease in turbine flow rate as the opening of the inlet valve
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The mission, for an increasing load, has the effect of decreasing the rate of increase of the load as one approaches full load.
The percentage of full load, for which an installation of the specified type can keep the total efficiency constant or substantially constant, depends only on the pressure ratio of the cycle since it is evident that the maximum pressure must not fall below atmospheric pressure. . So, if the cycle pressure ratio is 8: 1, the pressure level can be decreased until the maximum pressure decreases from 8 atmospheres down to 1 atmosphere and the minimum pressure goes from 1 atmosphere to 1/8 atmosphere. The massive flow being proportional to the pressure and the specific flow remaining constant, the flow can be equal to 1/8 of the calculated total flow.
Below this value, determined by the pressure ratio, a reduction in flow rate should be obtained by other means, for example by reducing the temperature at the inlet of the turbine.
Compared to an open cycle turbine, the proposed type of closed cycle turbine has the advantage that good yields can be obtained for partial loads and that when these loads are much lower than those to be considered for a turbine. , open cycle bine. Compared to a conventional closed cycle turbine, the proposed turbine has the known advantage of constant efficiency at partial load, which characterizes a closed cycle turbine, but this load can be in a much lower zone than with ordinary turbines of this kind. Air reservoirs are omitted because the atmosphere is used both as a source of air and to discharge the air.