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GROUPES MOTEURS A TURBINE A COMBUSTION INTERNEo
Cette invention est relative aux groupes moteurs à turbine à com- bustion interne du type ne devant fonctionner à pleine puissance que pendant une faible partie du temps de service et, plus particulièrement, aux grou- pes moteurs à turbine à combustion interne pour avions ou véhicules routiers ou ferroviaires.
Lorsque des véhicules et avions sont munis de turbines à combus- tion interne,il est désirable, mais habituellement difficile, d'inclure en- tre le compresseur et la ou les chambres de combustion un échangeur de cha- leur pour préchauffer l'air comprimé, la chaleur à cette fin étant prise aux gaz d'échappement de la turbine qui traversent l'échangeur de chaleur avant d'être déchargés dans l'échappement.
Avec une pareille disposition l'air aspiré par le compresseur est comprimé par celui-ci et par conséquent subit un certain échauffement et il passe ensuite d'un côté d'un échangeur de chaleur de n'importe quel type conventionnel qui peut, par exemple, être constitué par une série de tubes traversant une enveloppe extérieure dans laquelle les gaz chauds de l'échap- pement de la turbine sont forcés de circuler, ces gaz étant déviés ou for- cés de circuler autour des tubes pour assurer un bon échange de chaleur.
L'air comprimé traversant les tubes de l'échangeur de chaleur est préchauf- fé par conduction par les parois de ces tubes et l'air préchauffé pénètre dans la ou les chambres de combustion où la combustion du combustible lui apporte une nouvelle quantité de chaleur. Les gaz sortant de la ou des cham- bres de combustion se détendent ensuite dans la turbine pour effectuer un travail utile et ils quittent la turbine sous une pression légèrement supé- rieure à la pression atmosphérique .
, au lieu d'être déchargés directement dans l'échappement, les gaz brûlés chauds sont dirigés par des conduits vers l'autre coté de l'échangeur de chaleur où, comme il a été décrit ci-dessus.,
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ils circulent autour des tubes à l'intérieur desquels passe l'air et après avoir cédé une grande partie de leur chaleur, ils passent à l'échappement.
La chaleur ainsi extraite des gaz d'échappement de la turbine procure une économie de combustible approximativement équivalente.
Ce système bien connu incorporant le préchauffage de l'air com- primé dans un échangeur de chaleur peut être appliqué avec succès dans des centrales ou autres installations fixes. Cependant, lorsqu'on désire appliquer le principe de l'échangeur de chaleur aux turbines à combustion interne sur des avions ou des véhicules dans le but'de réaliser une économie de combustible, les limitations de poids et d'encombrement deviennent très importantes et en général le poids et les dimensions d'un échangeur de cha- leur nécessaire pour satisfaire aux conditions de marche à pleine puissance rendent douteuse la valeur de telles applications.
Suivant la présente invention, on prévoit un échangeur de chaleur comprenant deux ou plusieurs groupes d'éléments échangeurs de chaleur et, du coté air ou du côté échappement ou de préférence des deux côtés à la fois de l'échangeur de chaleur, un dispositif permettant d'utiliser ces groupes soit en série soit en parallèle les uns avec les autres.
La disposition est telle que lorsque la turbine fonctionne dans les conditions normales de charge partielle, les groupes peuvent être utilisés en série tandis que pour la marche à pleine charge, les groupes sont utilisés en parallèle, les di- mensions de l'échangeur de chaleur étant telles qu'il fonctionne avec les groupes en série avec le rendement optimum pour une masse réduite prédéter- minée de gaz produite dans les conditions normales de charge partielle ,mais que les groupes peuvent être utilisés en parallèle pour les conditions de marche à pleine charge ou approchant la pleine charge de manière à augmenter la capacité d'écoulement de l'échangeur de chaleur.
Le dispositif permettant de relier les groupes d'éléments de l'échangeur de chaleur en série ou en parallèle comporte de préférence des conduits dans lesquels sont placées des vannes qui peuvent s'ouvrir' progres- sivement automatiquement suivant l'augmentation de la charge au-dessus des conditions de charge normale. fin décrira ci-dessous l'invention plus en détails avec référence aux dessins annexés dans lesquels : .
La figure 1 est une coupe verticale schématique d'un échangeur de chaleur montrant particulièrement les déta,ils du côté air et des conduits et vannes de commande associés; -
La figure 2 est une vue similaire à la figure 1, mais montrant les vannes dans une position différente ;
La figure 3 est une coupe transversale dans un plan perpendicu- laire au plan de coupe des figures 1 et 2, montrant particulièrement les dé- tails du côté échappement de l'échanger de chaleur et des conduites et van- nes de commande associées et
La-figure 4 est une vue semblable à la figure 3 mais montrant les vannes dans des positions différentes.
Les figures 1 et 2 montrent que .l'échangeur de chaleur comporte deux groupes 10 et 11, respectivement, de tubes échangeurs de chaleur, les deux groupes étant placés côte à côte et sépar,és par un panneau de division 12. L'air comprimé par le compresseur entraîné par la turbine (non repré- senté) est amené de ce côté air de l'échangeur de chaleur par une conduite primaire 13 qui immédiatement devant l'échangeur de chaleur est divisée en deux conduites secondaires 14 et 15 respectivement, comme la figure 2 le montre le plus clairement, par un prolongement vers l'avant du panneau de division 12 .
La conduite secondaire 14, alimente le groupe -de tubes 10,en tous temps mais une vanne pivotante 17 peut se déplacer de la position repré- sentée sur la figure 1 dans laquelle elle sépare la conduite secondaire 15 de la conduite primaire 13 , à la position représentée sur la figure 2 dans
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laquelle la conduite secondaire 15 communique avec la conduite 13 et alimente le groupe 11 de tubes échangeurs de chaleur.
Sur la figure 1, la vanne 17 sépare la conduite secondaire 15 de l'arrivée d'air comprime qui est par conséquent obligé de passer par le con- duit 14 et le groupe 10 de tubes échangeurs de chaleur, l'air sortant des tubes dans un conduit de transfert 18 commun aux deux groupes 10 et 11. En- tre le conduit de transfert 18 et un conduit de sortie adjacent 19 se trou- ve une autre vanne pivotante 20 qui, sur la figure 1, occupe la position de fermeture,isolant les conduits 18 et 19. Le courant d'air sortant du grou- pe 10 de tubes échangeurs de chaleur est donc forcé de passer en sens inver- se dans le second groupe 11 de tubes échangeurs de chaleur d'ou. il sort dans le conduit 15.
Ce conduit 15 est isolé du conduit primaire 13 par la vanne 17 qui en réalisant cette séparation met aussi en communication le conduit 15 avec un autre conduit d'échappement 21. Les conduits d'échappe- ment 19 et 21 aboutissent tous les deux dans le conduit principal d'alimen- tation 22 qui évidemment amène le courant d'air à la chambre de combustion (non représentée) de la turbine de sorte que l'air réchauffé sortant du groupe 11 de tubes échangeurs de chaleur passe dans les conduits 15 et 21 pour aboutir dans le conduit principal d'alimentation 22. Le circuit du courant d'air est indiqué sur la figure 1 par des flèches et on remarquera que le courant est forcé de traverser les groupes 10 et 11 en série.
La figure 2 représente les deux vannes 17 et 20 dans leurs posi- tions d'ouverture et la vanne 17, en mettant le conduit secondaire 15 en communication avec le conduit primaire 13,isole en même temps les conduits 15 et 21. Les deux conduits 14 et 15 reçoivent le courant d'air du con- duit primaire 13 de sorte qu'il est divisé et les deux parties traversent les deux groupes 10 et 11 de tubes échangeurs de chaleur en parallèle, se rejoignent dans le conduit de transfert 18, passent par la vanne 20 ouverte dans le conduit de sortie 19 et pénètrent dans le conduit principal d'ali- mentation 22. Le circuit du courant d'air est indiqué par des flèches sur la figure 2.
Les figures 3 et 4 représentent le côté échappement du même échangeur de chaleur et on remarquera que la disposition est semblable en principe au côté air représenté sur les figures 1 et 2. Le conduit primai- re 23 amène les gaz brûlés de la turbine (non représentée) au côté échappe- ment de l'échangeur de chaleur et la figure 3 représente les groupes 10 et 11 utilisés en série, le circuit des gaz étant indiqué par des flèches.
Le conduit primaire 23 se divise en deux conduits secondaires 24 et 25 res- peetivement et le conduit 24 est toujours en communication avec le conduit primaire 23 mais le: conduit 25 amène les gaz uniquement dans le groupe 11 et il peut être isolé du conduit primaire 23 par une vanne pivotante 26.
Le conduit secondaire 24 aboutit à un conduit de transfert 27 commun aux deux groupes 10 et 11 et ce dernier peut être isolé du conduit 24 par une autre vanne pivotante 28.
Sur la.. figure 3,la vanne 26 est ouverte et l'autre vanne 28 est fermée de sorte que le conduit de transfert 27 est isolé du courant de gaz qui peut seulement pénétrer dans le conduit secondaire 25, passant par con- séquent dans le groupe 11 de tubes échangeurs de chaleur et dans le conduit de transfert 27 d'où il circule en sens inverse dans l'autre groupe 10 de tubes échangeurs de chaleur, y desquels il sort dans le conduit principal d'échappement 29. '
Sur la figure 4, les positions des deux vannes sont inversées; la première vanne est 'fermée pour isoler le conduit 25 du courant de gaz entrant et en même temps elle met ce conduit 25 en communication avec le con- duit principal d'échappement 29.
L'autre vanne 28 est ouverte et elle met le conduit de transfert 27 en communication avec le conduit secondaire 24 à travers lequel passe tout le gaz entrant. Le courant de gaz se divise dans le conduit de transfert 27 en deux parties qui traversent les deux groupes 10 et 11 en parallèle et en sortant elles se rejoignent dans le con-
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duit principal d'échappement 29.
Dans la groupe moteur à turbine à combustion interne dans lequel 1'échangeur de chaleur décrit ci-dessus est incorporé, le débit de gaz dans les conditions de marche normale à charge partielle est traité par l'échan- geur de chaleur avec le rendement optimum lorsque les groupes sont en série.
Pour fonctionner dans les conditions de pleine charge ou approchant la pleine charge, les groupes sont utilisés en parallèle en ouvrant complètement les vannes 17, 20, 24 et 30 et on voit donc que les dimensions de l'échangeur de chaleur requis pour toute installation peuvent être beaucoup plus petites que celles qui étaient nécessaires jusqu'à présent, d'où résulte une écono- mie d'espace et de poids.
Au lieu de relier les côtés échappement des groupes de l'échan- geur de chaleur en parallèle lorsque les cotés air de ceux-ci sont aussi re- liés de cette façon avec en conséquence une perte d'échange de chaleur, il peut être préférable de laisser les côtés¯ échappement reliés en séria et de prévoir à cette fin un espace plus grand pour le débit correspondant de cha- que coté échappement.
De cette façon, on atteint un degré utile d'échange de chaleur.même à pleine charge avec un échangeur de chaleur relativement petit tout en maintenant une chute de pression raisonnablemet faible à la fois du côté air et du coté échappement de l'échangeur de chaleur et il n'y a pas de perte de rendement jusqu'à la charge partielle prédéterminée tandis qu'il y a un échange de chaleur utile jusqu'à la pleine charge.
En outre, il peut y avoir des applications dans lesquelles il est plus commode de laisser les groupes du côté échappement de l'échangeur de chaleur en parallèle et de faire passer uniquement les groupes d'admis- sion de série en'parallèle lorsque la charge varie de.la charge partielle à la pleine charge.
Dans un échangeur de chaleur comportant plusieurs groupes., on peut obtenir une variation du degré d'échange de chaleur par des dispositions appropriées série et parallèle des groupes afin de conserver le rendement maximum de l'échange de chaleur jusqu'à la charge partielle prédéterminée et une gradation progressive de l'échange de chaleur jusqu'à la pleine char- ge où les côtés air de tous,les groupes sont reliés en parallèle.
La commande des vannes de mise en série et en parallèle des groupes de l'échangeur de chaleur, dans n'importe quelle forme d'exécution de l'invention,est de préférence automatique en concordance avec les va- riations de l'état de charge, par exemple par interconnection mécanique de la commande des vannes avec la commande de l'admission du combustible à la turbine, de manière connue.
REVENDICATIONS.
1. Groupe moteur à turbine à combustion interne du type précité ayant un échangeur de chaleur comportant deux ou plusieurs groupes d'éléments échangeurs de chaleur et, du côté air ou du côté échappement ou de préféren- ce des deux côtés à la fois de l'échangeur de chaleur., un dispositif permet- tant d'utiliser ces groupes soit en série soit en parallèle l'un avec l'autre 2. Groupe moteur à turbine à combustion interne suivant la re- vendication 1, caractérisé en ce que le dispositif de connexion des groupes de tubes échangeurs de chaleur en série ou en parallèle comporte des con- duits munis de vannes.
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