Généralement ,dans une'installation avec turbine à gaz du type à combustion continue, un compresseur à air, entraîné par la turbine elle-même débite de l'air qui est chauffé par un dispositif de chauffage, par exemple un dispositif de combustion dans lequel du. combustible brûle dans l'air, pour fournir le fluide moteur à la turbine. Ordinairement, pour chaque cheval-va- peur de puissance utile, le compresseur a besoin d'environ 20V pour être en- traîné et la turbine doit avoir une puissance d'environ 30V ce qui correspond à une puissance d'environ 50V pour les deux machines.
Il est évident que le dispositif de chauffage doit avoir une capacité correspondant à la puissance utile, c'est-à-dire qu'elle doit être capable de fournir une puissance égale à la puissance utile plus les pertes, quelle que soit la capacité effective de l'installation rotative.
Pour de nombreux genres d'installations de force motrice la source d'énergie est rarement chargée complètement pendant plus d'une faible partie de la journée et elle peut être entièrement déchargée pendant une partie de la journée. Des régimes industriels, par exemple, se présentent généralement pendant huit heures seulement sur vingt-quatre.
Par conséquent, si le dispo- sitif de combustion d'une installation, constituée comme à l'ordinaire et telle que spécifiée plus haut, est remplacé par un échangeur de chaleur d'un genre quelconque en vue de chauffer l'air par transfert de la chaleur, depuis une pile atomique ou toute autre source thermique d'un prix de revient élevé, cette source est utilisée d'une manière non économique puisqu'on s'en sert seulement pendant huit heures par jour au lieu de l'utiliser comme source de chaleur continue et constante pendant vingt-quatre heures par jour.
Pour réduire l'encombrement et le prix de revient des machines rotatives, il a été proposé d'alimenter la turbine à gaz avec des produits de combustion formés en faisant brûler du combustible dans de l'air aspiré hors d'un réservoir dans lequel on emmagasine de l'air et qui est logé dans un sous-sol, le réservoir étant alimenté, en air par des moyens compresseurs, de n'importe quel genre, indépendants de la turbine, laquelle, par conséquent, n'entraîne pas de compresseur.
L'invention concerne un dispositif qui permet de satisfaire à une charge pendant une partie de la journée et de réduire l'encombrement et le prix de revient de l'installation rotative.
Un mode particulier et important de réalisation de l'invention consiste en un dispositif pour lequel l'encombrement et le prix de revient, non seulement de l'installation rotative mais également du dispositif de chauffage, sont réduits en faisant fonctionner la turbine pendant des périodes plus longues que celles pendant laquelle la charge dure et, de préférence, d'une manière continue. Sous un aspect de l'invention on se sert du fait, indiqué plus haut, que la puissance nécessaire pour fournir l'air à la turbine est à peu près deux fois plus grande que la puissance utile fournie, ce qui permet d'utiliser la turbine pour entraîner la charge pendant un tiers de la journée et pour pomper de l'air dans le réservoir pendant les deux tiers restants de la journée.
L'invention a pour objet une installation de force motrice comprenant, en combinaison, un réservoir pour l'emmagasinage d'air, une source de chaleur et un dispositif de force motrice comprenant au moins une turbine à gaz reliée, de manière à pouvoir fournir de l'énergie, à la partie restante dudit dispositif, ladite turbine étant reliée au réservoir afin de pouvoir être alimentée en air par celui-ci, cet air étant chauffé par ladite source sur son trajet vers la turbine. Conformément à l'invention, on a recours, en outre, à des moyens propres à utiliser de l'énergie, fournie par une partie quelconque du dispositif de force motrice, pour comprimer l'air dans ledit réservoir quand la charge externe sur ce dispositif est faible. Il est possible de réduire le degré d'utilisation de cette énergie à zéro quand la charge augmente.
Par conséquent, on peut utiliser un dispositif compresseur qui peut être relié à une partie du dispositif de force motrice, de manière à être en-
<Desc/Clms Page number 3>
traîné par celle-ci, des moyens étant pr4vus pour établir et interrompre cette liaison d'entraînement. En particulier,on peut prévoir une liaison d'entraînements, qui peut être établie ou interrompue, entre la turbine et le dispositif compresseur.
Par ailleurs, une installation constituée conformément à l'invention, peut comporter une turbine ayant une puissance en CV sensiblement égale à la valeur totale en CV de la charge extérieure, un compresseur ayant à peu près la même puissance et entraîné par ladite turbine tout en étant propre à fournir de l'air à la turbine, un réservoir pour l'emmagasinage d'air et propre à recevoir de -l'air du compresseur ou à fournir de l'air à la turbi- ne, des moyens pour régler le débit d'air depuis le compresseur vers le réser- voir et capables d'interrompre à volonté la liaison d'entraînement entre le compresseur et la turbine, et des moyens comprenant une source de chaleur pour chauffer l'air sur son passage vers la turbine.
Quand la turbine à gaz entrai ne une génératrice électrique, la charge cessant dans ce cas d'agir sur la turbine à l'aide d'un mécanisme interrupteur qui sépare le circuit de sortie de la génératrice d'un réseau électrique,le compresseur peut être entraîné par un moteur électrique alimenté par la génératrice et connecté à celle-ci quand la charge est déconnectée.
Suivant une autre variante, pour une génératrice électrique entraînée par une turbine à gaz et fonctionnant en parallèle avec d'autres génératrices entraînées par des turbines à gaz ou par d'autres sources d'énergie et établies, le cas échéant, en plusieurs stations productrices de force motrice reliées entre elles pour fournir du courant à un réseau électrique, le compresseur est entraîné par un moteur électrique alimenté par le ré- seau, généralement pendant que la turbine à gaz est à l'arrêt.
Les figs. 1 et 2 des dessins ci=annexés montrent, à titre d'exem- ple, respectivement deux installations de force motrice différentes, établies conformément à l'invention.
Sur la figo 1, une installation de force motrice comprend une turbine à gaz 1, une génératrice électrique 2 entraînée par cette turbine et un réseau électrique 3 auquel la génératrice fournit de l'énergie (dérivée de la turbine) par un mécanisme interrupteur 4 qui peut être ouvert pour interrompre la liaison par laquelle se fait l'alimentation d'énergie. Un compresseur 5 (qui peut être entraîné par le dispositif fournissant la force motrice) peut débiter de l'air, par le conduit 6 et la soupape 7 réglant le débit de l'air, vers une zone où le conduit se subdivise en deux branches 6a et 6b l'air s'é- coulent ensuite, ou bien par la branche 6a et la vanne 8 vers le réservoir 9 pour l'emmagasinage de l'air, ou bien par la branche 6b vers la turbine 1.
La soupape 7 est une soupape de retenue comprenant également des moyens de commande à l'aide desquels elle peut être fermée,. par exemple à la main. Sur le conduit 6 est également branché un robinet de décharge 19 par lequel la sortie du compresseur peut être reliée à l'air libre. Sur son trajet vers la turbine, l'air est chauffé à l'aide d'un échangeur de chaleur ordinaire 10, pour la ré- cupération de la chaleur perdue,et par le dispositif de chauffage 11-12-13 décrit plus explicitement ci-après. Les gaz sont déchargés hors de la turbine par le conduit 6c et passent, sur leur trajet, dans ledit échangeur de chaleur 10.
Une liaison d'entraînement peut être établie et interrompue à volonté entre le compresseur et le dispositif de force motrice à l'aide d'un accouplement 14, qui peut être serré et desserré, établi entre la turbine 1 et le compresseur 5. Cet accouplement peut être constitué par un embrayage positif ou à friction ou par un accouplement électrique ou hydraulique, ce mécanisme étant actionné de la manière usuelle.
La turbine a une puissance en CV suffisante pour entraîner la gé= nératrice quand la charge externe a une valeur maximum, cette puissance étant environ le tiers de celle des installations usuelles avec turbines à gaz. Le compresseur 5 a environ la même puissance. Si la turbine 1, quand elle a cessé de subir la charge extérieure par suite de l'ouverture de l'interrupteur 4 et quand elle est reliée au compresseur 5 par le serrage de l'embrayage 14, fonctionne par exemple pendant 16 heures, environ un tiers de la puissance du com=-
<Desc/Clms Page number 4>
presseur 5 est disponible pour pomper dans le réservoir 9 une quantité d'air suffisante pour que la turbine puisse fonctionner pendant huit heures.
Par conséquent, pendant les huit heures suivantes de la journée, la turbine 1, qui n'est plus reliée au compresseur 5 mais qui entraîne le générateur 2, re- lié au réseau 3 par l'interrupteur 4, peut être utilisée seulement pour entrai- ner la charge extérieure, 1;air pour la turbine étant fourni, par le réservoir
9 avec un débit environ deux fois plus grand que celui avec lequel il a été emmagasiné. La capacité du dispositif de chauffage 11-12-13 correspond à la puissance nécessaire pour emmagasiner l'air , c'est-à-dire à environ un tiers de la charge totale.
Quand la charge est entraînée, les deux tiers restants de la puissance proviennent de l'énergie contenue dans l'air emmagasiné, Le dis- positif pour le chauffage de l'air est constitué par une source de chaleur'11, telle qu'une pile atomique, qui fournit de la chaleur à l'air circulant dans le conduit 6b, à l'aide de l'échangeur de chaleur 12 dans lequel passe l'air et un courant d'un fluide, en particulier du métal fondu, qui circule dans le conduit 13 et qui est chauffé directement par la pile. Un tel dispositif de chauffage est par nature de construction coûteuse et la réduction de sa capacité peut, du point de vue économique, avoir une valeur beaucoup plus gran- de que la réduction de l'encombrement et du prix de revient de l'ensemble ro- tatif 1-5.
La source 11 pourrait être une installation industrielle fonctionnant toute la journée et fournissant, normalement, de grandes quantités de chaleuro
La soupape 7 peut fonctionner de manière à régler le débit de l'air qui s'écoule depuis le compresseur 5 vers le réservoir 9. Quand l'em- brayage 14 est desserré pour provoquer l'arrêt du compresseur 5, le robinet de décharge 19 est ouvert pour mettre le compresseur en communication avec l'air libre après quoi la soupape 7, qui est une soupape de retenue, se ferme automatiquement par l'effet de la pression régnant dans le réservoir 9 pour interrompre ainsi la liaison pour l'air entre le compresseur arrêté 5 et le réservoir 9, ce dernier continuant à être relié, par les moyens de chauffage 10 et 12, à la turbine.
La machine 5 peut être un compresseur à débit variable, de sorte qu'elle peut fonctionner de manière à fournir de l'air, à un débit réduit, au réservoir 9 pendant que la turbine 1 et la génératrice 2 fonctionnent sous une charge extérieure inférieure à celle correspondant à la pleine charge.
A cet'effet, le compresseur peut être tel que ces conditions de débit puissent être réglées à des valeurs différentes dans une gamme allant jusqu;au débit maximum quand aucune charge extérieure n'existe. C'est ainsi, par ex- ple, que le compresseur peut être à débit variable par pivotement de ses aubes à l'aide d'un mécanisme habituel désigné par 5c. Il pourrait aussi être entraîné à une vitesse variable à l'aide d'un convertisseur de couple tel qu'une boite de vitesse 15. De toute manière, on peut prévoir un compresseur pour alimenter le dispositif de chauffage et la turbine et un autre compresseur pour fournir l'air au réservoir. Ce dernier peut être isolé de la partie restante de l'installation par la fermeture de la vanne 8.
La puissance de la turbine 1 peut varier, par exemple par la variation usuelle de l'alimentation partielle de celle-ci.
Sur la fig. 2, le compresseur 5 peut être relié, en entraînement, à la turbine 1 à l'aide d'une transmission électrique. L'embrayage 11 est supprimé. Le moteur électrique 18 est relié au compresseur 5 et entraîne celui-ci.
Le moteur 18 peut être relié à la génératrice 2, par l'interrupteur 16 et les fils de connexion 17, et sa vitesse peut varier de la manière décrite ci-après.
Les organes 3,4 et 6 à 13 sont les mêmes que ceux montrés sur la fig. 1. L'interrupteur 16 peut être fermé quand l'interrupteur 4 est ouvert, de sorte que la turbine 1 entraîne le compresseur 5 quand elle ne subit pas une charge ex- térieure ou le moteur 18 peut être réglé de manière qu'il puisse entraîner le compresseur 5 à une vitesse réduite pour qu'il ait un débit faible quand la charge extérieure, sur la turbine 1, et sur la génératrice 2, est inférieure à la pleine charge, de sorte que la puissance totale fournie par la turbine et
<Desc/Clms Page number 5>
la génératrice est maintenue à une valeur correspondant à'la pleine charge ou est augmentée jusqu'à cette valeur.
La partie du dispositif de force motrice à laquelle le compresseur est relié n'est pas nécessairement la turbine 1 mais peut, également être le réseau 3.
Par conséquent, l'autre compresseur 25 est montré comme étant entraîné par le mo= teur électrique 33, à vitesse variable,qui est alimenté par une autre partie du ' réseau 3 à l'aide de l'interrupteur 34. Une turbine à gaz 21 peut entraîner @ une génératrice 22 qui alimente le réseau 3 par l'intermédiaire de l'interrup- teur 24. Le conduit 26 relie 1er compresseur à la soupape 27 et aux robinets 28 et 29, qui correspondent à la soupape 7 et aux robinets 8 et 19 de la fig.
1, le conduit 26 étant prolongé; par la branche 26a aboutissant au réser= voir 9a et par la branche 26b aboutissant à la turbine 21 et passant par le dispositif de chauffage. Ce dernier est montré comme étant constitué par une chambre de combustion 30 dans laquelle on brûle du combustible solide, liquide ou gazeux fourni au brûleur 31 par le conduit de combustible 32. Dans cette installation complète, le nombre total de compresseurs n'a pas besoin d'être égal au nombre total de turbines du moment que la capacité du ou des compresseurs est suffisante pour permettre l'emmagasinage, pendant la marche au cours de la plus grande partie de la journée (quand la charge du réseau 3 est faible) de la quantité d'air nécessaire pour faire fonctionner l'ensemble des turbines à gaz pendant les heures de travail de la journée.
Le nombre de compresseurs qui fonctionnent peut être réglé en concordance avec la charge de l'installation et, à certaines périodes du jour, il peut arriver que quelques-unes des turbines, mais pas toutes, fonctionnent sous charge pendant que quelques uns, mais pas tous , des compresseurs travaillent. Les interrupteurs 34 et 24 peuvent être fermés en même temps, de sorte que la génératrice 22 fournit du courant au moteur 33. Par contre ,l'interrupteur 24 peut être ouvert pendant que l'interrupteur 34 est fermé et que le robinet 41 est également fermé.
L'énergie à fournir au moteur 33 provient alors d'une autre source reliée au réseau, de sorte que l'installation avec turbine à gaz peut fonctionner en paral- lèle avec une installation à vapeur qui, pendant la période d'accalmie, peut fournir du courant pour actionner le compresseur 25 en vue d'emmrgasiner de l'air.
Cet agencement peut améliorer 11 économie de la turbine -de gaz, telle que 21, qui consomme du combustible liquide, puisque environ les deux tiers de sa puissance peuvent provenir de l'énergie contenue dans l'air emmagasiné par le compresseur 25 quand ce dernier est actionné par le moteur 33 alimenté par une génératrice entraînée par une installation motrice à vapeur et reliée au réseau principal 3, c'est-à-dire par une énergie fournie indirectement par du charbon brûlé dans l'installation motrice à vapeur. Un dispositif de chauffage indirect, brûlant du charbon, pourrait également être utilisé économiquement.
Pour les dispositifs montrés sur la fig. 2, comme les compresseurs 5 et 25 ne sont pas accouplés mécaniquement aux turbines 1 et 2, on obtient l'avantage que la vitesse de la turbine n'a pas besoin d'être mise en concordance avec celle du compresseur.
Pour faire varier la vitesse du compresseur , le moteur électrique peut être un moteur Schrage, désigné par 18, dont la vitesse peut être modifiée par un mouvement relatif des balais 18a et 18b par rapport au collecteur 18c. Suivant une variante,ce moteur électrique peut être un moteur tel que 33 alimenté par un changeur de fréquence variable 35.
Les réservoirs, montrés en 9 et 9a , font probablement partie d'un système à réservoirs communs mais ils dépendent toutefois également des emplacements relatifs des turbines 1 et 21. De préférence, chaque réservoir est un accumulateur chargé qui emmagasine l'air à une pression approximativement constante. Ainsi, l'air peut être emmagasiné dans le sol dans des réservoirs naturels 9, 9a... ou construits artificiellement, .... tout au moins en parties et,pour cet emmagasinage souterrain, le déplacement de l'eau contenu
<Desc/Clms Page number 6>
dans un réservoir 20, 20a ..., établi en surface ou sous le sol, avec une charge constante, peut être utilisé pour conserver une pression d'emmagasi- nage sensiblement constante.
Comme le déclenchement ou l'interruption du courant d'air depuis chaque compresseur vers le réservoir dépend d'un petit changement de la pression d'air, qui est seulement suffisant pour faire fonc- tionner la soupape de retenue 7 et 27, un certain réglage peut être obtenu en ayant recours à une pompe de renfort 23 ou 23a pour faire varier la pres- sion dans le réservoir en modifiant la charge d'eau.
En pompant de l'air avec un débit réduit dans le réservoir, quand la charge extérieure est faible, il est possible d'emmagasiner un surplus d'air dont on peut disposer, à l'occasion, pour qu'il intervienne pour supporter des surcharges qui sont supérieures à la capacité de la source thermique 11.
A cet effet, un des robinets, 38 et 38a peut être ouvert pour alimenter la turbine à air 37 qui entraine la génératrice 39 celle-ci pouvant être reliée au réseau 3 par l'interrupteur 40.
La conduite d'échappement 6c de la turbine 1 peut passer par le dispositif 36 pour la récupération de la chaleur perdue et, comme la turbine 1 peut fonctionner toute la journée, il est possible d'alimenter le dispositif 36 qui a besoin de chaleur principalement ou seulement quand la charge principale n'agit pas sur la génératrice 2.
En cas de nécessité, quand l'air emmagasiné est temporairement épuisé, une partie de la charge peut être satisfaite en fermant le robinet 8 ou 28 et en faisant fonctionner la turbine 1 ou 21 avec de l'air débité par son propre compresseur 5 ou 25, de la manière usuelle.
L'invention peut être appliquée à une installation qui n'est utilisée que d'une manière intermittente, l'installation fonctionnant alors automatiquement pour assurer l'emmagasinage de l'air. Après qu'une telle installation a fonctionné pour entraîner une charge pendant une courte période en aspirant de l'air hors du réservoir, des moyens qui sont sensibles à la sion de la charge sur la turbine et qui sont également sensibles à la diminution de la quantité d'air emmagasinée dans le réservoir, interviennent pour provoquer le serrage de l'accouplement ou pour établir la liaison électrique entre la turbine et le compresseur.
La turbine entraîne alors le compresseur pour charger à nouveau le réservoir jusqu'à ce que des moyens, sensibles au remplissage complet ainsi rétabli du réservoir, interrompent l'alimentation de la turbine après quoi on ferme un robinet pour empêcher toute décharge du réservoir vers le compresseur ou vers les moyens de chauffage.
R E S U M E.
L'invention a pour objet des perfectionnements apportés aux installations de force motrice comprenant une turbine à gaz qui peut fournir de l'énergie à la partie restante de l'installation, un réservoir pour l'emmagasinage d'air et qui peut fournir de l'air à la turbine à gaz, et une source de chaleur pour chauffer l'air sur son trajet depuis le réservoir vers la turbine, ces perfectionnements présentant les caractéristiques suivantes, considérées séparément ou en combinaison. a) l'installation comporte des moyens qui utilisent de l'énergie, fournie par une certaine partie de ladite installation pour pomper de l'air comprimé dans ledit réservoir quand la charge extérieure, agissant sur l'installation, est faible; b) les moyens susdits peuvent prélever directement l'énergie nécessaire à leur entraînement dans ladite turbine à gaz;
c) un compresseur d'air est relié audit réservoir et est entraîné par une partie de l'installation de force motrice; d) une liaison d'entraînement, qui peut être serrée et desserrée,
<Desc/Clms Page number 7>
est établie entre ledit compresseur et ladite turbine; e) dans le cas où l'installation comprend un réseau électrique de force motrice et une génératrice électrique entraînée par ladite turbine et alimentant ledit réseau, l'installation comporte un moteur électrique pour entraîner ledit compresseur et un dispositif interrupteur propre à relier ledit moteur à la génératrice et à interrompre cette liaison;
f) dans le cas où la charge extérieure, agissant sur la turbine à gaz, a une durée journalière qui correspond à environ un tiers de la jour née, la turbine a une puissance à peu près égale à la charge extérieure totale qui agit sur la turbine alors que le compresseur a environ la même puis= sance ; ladite source de chaleur étant une pile atomique qui a une capacité thermique suffisante pour faire fonctionner la turbine sous une charge qui correspond à peu près à un tiers de la charge extérieure totale de sorte que la turbine et la source de chaleur peuvent fonctionner pendant à peu près un tiers de la journée pour satisfaire à la charge extérieure et pendant la partie restante de la journée pour emmagasiner l'air;
g) dans le cas où l'installation comprend un réseau électrique de force motrice qui peut être alimenté par des sources comprenant une génératrice entraînée par ladite turbine, le compresseur susdit est entraîné par un moteur électrique branché directement sur ledit réseau; h) l'installation comporte des moyens réglables propres à faire varier le débit du compresseur; i) l'installation comporte des moyens propres à-faire varier la vitesse du compresseur; j) le compresseur comporte des aubes réglables individuellement; k) la vitesse du moteur électrique peut être modifiée ;
1) l'installation comprend des organes distributeurs qui comportent un robinet de décharge établi à la sortie du compresseur et une soupape de retenue intercalée entre le réservoir et le compresseur, cette soupape permettant au réservoir d'être isolé à la turbine; m) ledit réservoir est un accumulateur fonctionnant sous une charge; n) ledit réservoir est un accumulateur fonctionnant sous charge pour emmagasiner de l'air à une pression prédéterminée, dès moyens étant prévus pour faire varier cette pression; o) le débit de la turbine est réglé par une admission partielle et variable de la turbine; p) l'installation comporte une turbine auxiliaire qui peut être reliée, en cas de nécessité, audit réservoir et peut être entraînée par l'air débité par celui-ci afin de fournir une énergie supplémentaire à la partie restante de l'installation.
L'invention vise, plus particulièrement, certains modes d'application, ainsi que certains modes de réalisation, desdits perfectionnements; et elle vise plus particulièrement encore, et ce à titre de produits industriels nouveaux, les installations de force motrice du genre en question comportant application desdits perfectionnements, ainsi que les éléments, appareils, machines et outils spéciaux propres à leur établissement.
En annexe: 2 dessins.
Generally, in an installation with a gas turbine of the continuous combustion type, an air compressor, driven by the turbine itself delivers air which is heated by a heating device, for example a combustion device in which of. fuel burns in the air, to supply the working fluid to the turbine. Usually, for each horsepower of useful power, the compressor needs about 20V to be driven and the turbine should have a power of about 30V which corresponds to a power of about 50V for both. machines.
It is obvious that the heater must have a capacity corresponding to the useful power, that is to say it must be able to provide a power equal to the useful power plus losses, whatever the effective capacity. of the rotary installation.
For many types of motive power installations the power source is seldom fully charged for more than a small part of the day and it can be fully discharged for part of the day. Industrial diets, for example, typically show up for only eight hours out of the day.
Therefore, if the combustion device of an installation, constituted as usual and as specified above, is replaced by a heat exchanger of some kind for the purpose of heating the air by transfer of heat. heat, from an atomic cell or other high cost thermal source, this source is used in an uneconomical way since it is only used for eight hours a day instead of being used as continuous and constant heat source for twenty-four hours a day.
To reduce the size and cost of rotary machines, it has been proposed to feed the gas turbine with combustion products formed by burning fuel in air drawn from a tank in which it is stores air and which is housed in a basement, the reservoir being supplied with air by compressor means of any kind, independent of the turbine, which, therefore, does not drive a compressor .
The invention relates to a device which makes it possible to satisfy a load during part of the day and to reduce the size and the cost price of the rotary installation.
A particular and important embodiment of the invention consists of a device for which the size and cost price, not only of the rotary installation but also of the heating device, are reduced by operating the turbine for periods longer than those during which the charge lasts and, preferably, continuously. In one aspect of the invention, use is made of the fact, indicated above, that the power necessary to supply the air to the turbine is approximately twice as large as the useful power supplied, which makes it possible to use the air. turbine to drive the load for one third of the day and to pump air into the tank for the remaining two thirds of the day.
The object of the invention is a motive force installation comprising, in combination, a tank for storing air, a heat source and a motive force device comprising at least one gas turbine connected, so as to be able to supply energy, to the remaining part of said device, said turbine being connected to the reservoir so as to be able to be supplied with air by the latter, this air being heated by said source on its path to the turbine. According to the invention, recourse is also had to means suitable for using energy, supplied by any part of the motive force device, to compress the air in said reservoir when the external load on this device is weak. It is possible to reduce the degree of use of this energy to zero as the load increases.
Therefore, a compressor device can be used which can be connected to a part of the motive force device, so as to be in-
<Desc / Clms Page number 3>
dragged by it, means being provided to establish and interrupt this drive link. In particular, a drive connection can be provided, which can be established or interrupted, between the turbine and the compressor device.
Furthermore, an installation constituted in accordance with the invention may comprise a turbine having a power in CV substantially equal to the total value in CV of the external load, a compressor having approximately the same power and driven by said turbine while at the same time being suitable for supplying air to the turbine, a reservoir for storing air and suitable for receiving air from the compressor or for supplying air to the turbine, means for adjusting the air flow from the compressor to the reservoir and capable of interrupting the drive link between the compressor and the turbine at will, and means comprising a heat source for heating the air in its path to the turbine .
When the gas turbine enters an electric generator, the load in this case ceasing to act on the turbine by means of a switch mechanism which separates the output circuit of the generator from an electrical network, the compressor can be driven by an electric motor supplied by the generator and connected to the generator when the load is disconnected.
According to another variant, for an electric generator driven by a gas turbine and operating in parallel with other generators driven by gas turbines or by other energy sources and established, where appropriate, in several production stations of motive forces interconnected to supply current to an electrical network, the compressor is driven by an electric motor supplied by the network, generally while the gas turbine is stopped.
Figs. 1 and 2 of the accompanying drawings show, by way of example, respectively two different motive power installations, established in accordance with the invention.
In figo 1, a motive power installation comprises a gas turbine 1, an electric generator 2 driven by this turbine and an electrical network 3 to which the generator supplies energy (derived from the turbine) by a switch mechanism 4 which can be opened to interrupt the connection through which the power supply is made. A compressor 5 (which can be driven by the device providing the motive force) can deliver air, through the duct 6 and the valve 7 regulating the air flow, to a zone where the duct is subdivided into two branches 6a and 6b the air then flows, either through branch 6a and valve 8 to reservoir 9 for the storage of air, or through branch 6b to turbine 1.
The valve 7 is a check valve also comprising control means by means of which it can be closed. eg by hand. A discharge valve 19 is also connected to line 6, through which the compressor outlet can be connected to the open air. On its way to the turbine, the air is heated by means of an ordinary heat exchanger 10, for the recovery of the waste heat, and by the heater 11-12-13 described more explicitly here. -after. The gases are discharged out of the turbine through line 6c and pass, on their path, into said heat exchanger 10.
A drive connection can be established and interrupted at will between the compressor and the motive power device by means of a coupling 14, which can be tightened and loosened, established between the turbine 1 and the compressor 5. This coupling can be constituted by a positive or friction clutch or by an electric or hydraulic coupling, this mechanism being actuated in the usual manner.
The turbine has sufficient power in CV to drive the generator when the external load has a maximum value, this power being approximately one third of that of usual installations with gas turbines. Compressor 5 has about the same power. If the turbine 1, when it has ceased to be subjected to the external load following the opening of the switch 4 and when it is connected to the compressor 5 by the tightening of the clutch 14, operates for example for 16 hours, approximately a third of the power of the com = -
<Desc / Clms Page number 4>
presser 5 is available to pump into the reservoir 9 a sufficient quantity of air so that the turbine can operate for eight hours.
Consequently, during the next eight hours of the day, the turbine 1, which is no longer connected to the compressor 5 but which drives the generator 2, connected to the network 3 by the switch 4, can be used only for input. - regulate the external load, 1; air for the turbine being supplied, by the tank
9 with a flow rate approximately twice as large as that with which it was stored. The capacity of the heater 11-12-13 corresponds to the power required to store the air, that is, about one third of the total load.
When the load is driven, the remaining two-thirds of the power comes from the energy contained in the stored air. The device for heating the air is constituted by a heat source'11, such as a atomic cell, which supplies heat to the air flowing in the duct 6b, with the aid of the heat exchanger 12 through which passes the air and a stream of a fluid, in particular molten metal, which circulates in line 13 and which is heated directly by the battery. Such a heating device is by nature of expensive construction and the reduction in its capacity can, from an economic point of view, have a much greater value than the reduction in the size and the cost price of the whole ro - tative 1-5.
Source 11 could be an industrial installation operating all day and normally providing large amounts of heat.
The valve 7 can operate to regulate the flow of air flowing from the compressor 5 to the reservoir 9. When the clutch 14 is released to cause the compressor 5 to stop, the relief valve 19 is opened to put the compressor in communication with the free air after which the valve 7, which is a check valve, closes automatically by the effect of the pressure prevailing in the reservoir 9 to thereby interrupt the connection for the air between the stopped compressor 5 and the reservoir 9, the latter continuing to be connected, by the heating means 10 and 12, to the turbine.
The machine 5 can be a variable flow compressor, so that it can operate to supply air, at a reduced flow rate, to the tank 9 while the turbine 1 and generator 2 are operating under a lower external load. to that corresponding to full load.
For this purpose, the compressor can be such that these flow conditions can be set to different values in a range up to the maximum flow when no external load exists. It is thus, for example, that the compressor can have a variable flow rate by pivoting of its blades using a usual mechanism designated by 5c. It could also be driven at a variable speed using a torque converter such as a gearbox 15. In any case, a compressor can be provided to supply the heater and the turbine and another compressor. to supply air to the tank. The latter can be isolated from the remaining part of the installation by closing valve 8.
The power of the turbine 1 can vary, for example by the usual variation of the partial supply of the latter.
In fig. 2, the compressor 5 can be connected, as a drive, to the turbine 1 by means of an electric transmission. Clutch 11 is removed. The electric motor 18 is connected to the compressor 5 and drives the latter.
The motor 18 can be connected to the generator 2, by the switch 16 and the connection wires 17, and its speed can vary as described below.
The members 3, 4 and 6 to 13 are the same as those shown in FIG. 1. Switch 16 can be closed when switch 4 is open, so that turbine 1 drives compressor 5 when not under an external load or motor 18 can be adjusted so that it can drive the compressor 5 at a reduced speed so that it has a low output when the external load, on the turbine 1, and on the generator 2, is less than the full load, so that the total power supplied by the turbine and
<Desc / Clms Page number 5>
the generator is maintained at a value corresponding to full load or is increased to this value.
The part of the motive power device to which the compressor is connected is not necessarily the turbine 1 but can also be the network 3.
Therefore, the other compressor 25 is shown to be driven by the electric motor 33, at variable speed, which is supplied by another part of the network 3 by means of the switch 34. A gas turbine. 21 can drive @ a generator 22 which supplies the network 3 via the switch 24. The conduit 26 connects the 1st compressor to the valve 27 and to the taps 28 and 29, which correspond to the valve 7 and to the taps 8 and 19 of FIG.
1, the conduit 26 being extended; by branch 26a leading to the reservoir = see 9a and by branch 26b leading to the turbine 21 and passing through the heating device. The latter is shown to be constituted by a combustion chamber 30 in which solid, liquid or gaseous fuel is burned supplied to the burner 31 by the fuel pipe 32. In this complete installation, the total number of compressors does not need to be equal to the total number of turbines as long as the capacity of the compressor (s) is sufficient to allow storage, during operation during the greater part of the day (when the load on network 3 is low) of the amount of air required to operate all gas turbines during the working hours of the day.
The number of compressors that are running can be adjusted according to the load of the installation and at certain times of the day it may happen that some of the turbines, but not all, are operating under load while a few, but not all, compressors are working. Switches 34 and 24 can be closed at the same time, so that generator 22 supplies current to motor 33. On the other hand, switch 24 can be opened while switch 34 is closed and valve 41 is also on. closed.
The energy to be supplied to the engine 33 then comes from another source connected to the network, so that the installation with a gas turbine can operate in parallel with a steam installation which, during the lull period, can operate in parallel. supplying current to actuate the compressor 25 for the purpose of storing air.
This arrangement can improve the economy of the gas turbine, such as 21, which consumes liquid fuel, since about two-thirds of its power can come from the energy contained in the air stored by the compressor 25 when the latter. is actuated by the motor 33 supplied by a generator driven by a steam power plant and connected to the main network 3, that is to say by energy supplied indirectly by coal burned in the steam power plant. An indirect heating device, burning coal, could also be used economically.
For the devices shown in fig. 2, since the compressors 5 and 25 are not mechanically coupled to the turbines 1 and 2, the advantage is obtained that the speed of the turbine does not need to be matched to that of the compressor.
To vary the speed of the compressor, the electric motor can be a Schrage motor, designated by 18, the speed of which can be modified by a relative movement of the brushes 18a and 18b with respect to the collector 18c. According to one variant, this electric motor can be a motor such as 33 supplied by a variable frequency changer 35.
The reservoirs, shown at 9 and 9a, are probably part of a common reservoir system, but they also depend, however, also on the relative locations of the turbines 1 and 21. Preferably each reservoir is a charged accumulator which stores air at a pressure. approximately constant. Thus, the air can be stored in the ground in natural reservoirs 9, 9a ... or constructed artificially, ... at least in parts and, for this underground storage, the displacement of the water contained
<Desc / Clms Page number 6>
in a tank 20, 20a ..., established on the surface or under the ground, with a constant load, can be used to maintain a substantially constant storage pressure.
As the initiation or interruption of the air flow from each compressor to the reservoir depends on a small change in the air pressure, which is only sufficient to operate the check valve 7 and 27, a certain This adjustment can be achieved by using a booster pump 23 or 23a to vary the pressure in the tank by changing the water load.
By pumping air at a reduced flow rate into the tank, when the external load is low, it is possible to store a surplus of air which can be used, on occasion, to intervene to withstand overloads that are greater than the capacity of the heat source 11.
For this purpose, one of the valves, 38 and 38a can be opened to supply the air turbine 37 which drives the generator 39, which can be connected to the network 3 by the switch 40.
The exhaust pipe 6c of the turbine 1 can pass through the device 36 for the recovery of the waste heat and, as the turbine 1 can operate all day, it is possible to feed the device 36 which mainly needs heat. or only when the main load does not act on the generator 2.
If necessary, when the stored air is temporarily exhausted, part of the load can be satisfied by closing the tap 8 or 28 and by operating the turbine 1 or 21 with air supplied by its own compressor 5 or 25, in the usual manner.
The invention can be applied to an installation which is used only intermittently, the installation then functioning automatically to ensure the storage of air. After such an installation has operated to drive a load for a short time by sucking air out of the tank, means which are responsive to the load pressure on the turbine and which are also responsive to decreasing the load. quantity of air stored in the tank, intervene to cause the coupling to tighten or to establish the electrical connection between the turbine and the compressor.
The turbine then drives the compressor to charge the tank again until means, sensitive to the complete filling thus restored of the tank, interrupt the supply to the turbine, after which a valve is closed to prevent any discharge from the tank to the tank. compressor or to the heating means.
ABSTRACT.
The invention relates to improvements made to motive power installations comprising a gas turbine which can supply energy to the remaining part of the installation, a tank for storing air and which can supply energy. air to the gas turbine, and a heat source for heating the air on its path from the reservoir to the turbine, these improvements having the following characteristics, considered separately or in combination. a) the installation comprises means which use energy, supplied by a certain part of said installation to pump compressed air into said tank when the external load, acting on the installation, is low; b) the aforesaid means can directly take the energy necessary for their drive in said gas turbine;
c) an air compressor is connected to said tank and is driven by part of the motive power plant; d) a drive link, which can be tightened and loosened,
<Desc / Clms Page number 7>
is established between said compressor and said turbine; e) in the case where the installation comprises an electrical motive power network and an electric generator driven by said turbine and supplying said network, the installation comprises an electric motor for driving said compressor and a switch device suitable for connecting said motor to the generator and to interrupt this connection;
f) in the event that the external load acting on the gas turbine has a daily duration which corresponds to approximately one third of the day born, the turbine has a power approximately equal to the total external load which acts on the gas turbine. turbine while the compressor has approximately the same power = sance; said heat source being an atomic cell which has sufficient thermal capacity to operate the turbine under a load which corresponds to approximately one third of the total external load so that the turbine and the heat source can operate for little nearly a third of the day to satisfy the external load and during the remaining part of the day to store the air;
g) in the case where the installation comprises an electrical motive power network which can be supplied by sources comprising a generator driven by said turbine, the aforesaid compressor is driven by an electric motor connected directly to said network; h) the installation comprises adjustable means suitable for varying the flow rate of the compressor; i) the installation includes means suitable for varying the speed of the compressor; j) the compressor has individually adjustable vanes; k) the speed of the electric motor can be changed;
1) the installation comprises distributing members which comprise a discharge valve established at the outlet of the compressor and a check valve interposed between the reservoir and the compressor, this valve allowing the reservoir to be isolated from the turbine; m) said reservoir is an accumulator operating under load; n) said reservoir is an accumulator operating under load to store air at a predetermined pressure, with means being provided to vary this pressure; o) the flow rate of the turbine is regulated by a partial and variable admission of the turbine; p) the installation comprises an auxiliary turbine which can be connected, if necessary, to said tank and can be driven by the air delivered by the latter in order to supply additional energy to the remaining part of the installation.
The invention relates more particularly to certain modes of application, as well as certain embodiments, of said improvements; and it relates more particularly still, and this as new industrial products, to the motive power installations of the type in question comprising the application of said improvements, as well as the elements, apparatus, machines and special tools specific to their establishment.
In annex: 2 drawings.