CA2186589A1 - Registre de deviation des fumees d'installation de centrales electriques dites a cycle combine - Google Patents
Registre de deviation des fumees d'installation de centrales electriques dites a cycle combineInfo
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- CA2186589A1 CA2186589A1 CA002186589A CA2186589A CA2186589A1 CA 2186589 A1 CA2186589 A1 CA 2186589A1 CA 002186589 A CA002186589 A CA 002186589A CA 2186589 A CA2186589 A CA 2186589A CA 2186589 A1 CA2186589 A1 CA 2186589A1
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Abstract
Le registre est constitué d'une porte (10) articulée sur un arbre (11) destiné uniquement à supporter la porte (10), la manoeuvre de la porte (10) s'effectuantpar des tirants (13) articulés dans le bas de la porte (10), de préférence par l'intermédiaire de rotules sphériques (15) et traversant le corps du registre (2) dans une paroi oblique latérale (22) du conduit de fumée (21).
Description
2 Wo 9~27863 ; - I _lID/ ~
~FGISTRE DE DEvT~TIr~ DES E~lM~FC D ' I~STAT T ~TION DE
fF~TRAT~Fc TTFCTRIOI~ES DITFC A CyrTT~ rrMRTNF
O}~iet de 1 'inv~nti on La présente invention VisR à apporter des améliorations au registre de déviation des fumées qui est destine aux centrales électriques dites a cycle combiné.
,Z~rriPre--rl ~n t~rhn~l o~ique Les centrales électriques dites à cycle combiné
sont constituées d'une turbine à gaz entraînant un alternateur, d'une chaudière de récupération d'énergie générant de la vapeur et d'une turbine à vapeur entra~nant également un alternateur.
Une chaudière est prévue pour récupérer l ' énergie calorifique contenue dans les gaz d' échappement de la turbine à gaz, les derniers étant en fait caractérisés par un grand volume et une température élevée.
Le cycle combiné se caractérise par une pollution très réduite, un rendement très éleYé, et une grande vitesse de démarrage.
Dans ce type d' installation, un conduit de dérivation des fumées, qualifié géneralement de "by-pass fumée", est géneralement installé sur le circuit des gaz d'échappement de la turbine à gaz, avant la chaudière, afin de permettre, selon les necessités, de diriger les gaz chauds soit directement vers l ' atmosphère, soit vers la chaudière .
Ceci assure une indépendance des cycles gaz et vapeur et permet de bénéficier des avanta~es inhérents à la Wo 95/27863 2 1 8 ~ ~ 8 9 t ~1 /D1~
turbine à gaz, à savoir un démarrage extremement rapide et un delai d'installation très court, lorsque le cycle vapeur n'est pas disponible ou n'est pas nécessaire. La turbine travaille alors en cycle ouvert c'est-a-dire avec évacuation 5 directe des fumées à l ' atmosphère.
Bien entendu, le by-pass fumée doit être équipé
d' un organe permettant de dévier le débit de gaz chaud, a savoir un registre de déviation des fumées.
Il est à noter que le marché actuel des turbines 10 à gaz tend à une augmentation des pl~i ccAnrP~ des machines qui vont actuellement de 100 MW jusqu'à 230 MW, puissances qui risquent d' aller au-delà dans un proche avenir.
Dans ces conditlons opératoires, les gaz circulent à des vitesses de l'ordre de 100 à 150 l~n/H et présentent des 15 températures de l ' ordre de 650C.
Le registre de déviation des fumées qui est en fait un équipeme~t= sophistiqué, doit ~ répondre à beallcpup de critères de performances. On peut ~iter entre autre un tres haut niveau d' étanchéité = et une manoeuvrabilité rapide et 20 fiable en toutes circonstances. Il convient de noter également que ce fonctionnement est soumis a des conditions très sévères: très grandes dimensions (de l ' ordre de 6mx7mx7m), ~empératures élevées des fumées; chocs thermiques importants, haute vitesse des fumées et grandes turbulences 25 de celles-ci.
On connait déjà plusieurs technologies qui sont appliquees lndustri Pl l nt et qui beneficient chacune de leurs avantages et inconvénients.
On conna~t notamment les dispositifs dits "multi-30 ventelle" qui comportent deux registres, l'un sur le by-pass iumée, l ' autre sur le conduit des gaz en direction de la chaudi ère .
Chacun de ces registres se compose généralement de plusieurs volets tournant chacun sur leur axe. La rotation 35 des volets ouvre ou ferme le conduit des gaz où il est disposé .
.
~186a89 w0 9sl27863 r ~
Cette techni~ue permet une bonne capacité de réglage du débit des fumées mais cette caractérlsti~ue n ' est pas recherchée en cycle cor~biné. Leurs inconvénients sont la faible performance d'étanchéité du fait de la grande 5 longueur de leur joint d' etanchéité et un risque non négligeable pouvant provenir de la fen~Leture simultanée des deux registres ce qui entraInerait des dégâts importants au matériel amont.
Ces registres, par suite de leurs faibles 10 performances, ne sont pratiquement pas utilisés en cycle combiné mais sont réservés à des applications industrielles où un réglage de débit des fumées vers la chaudière peut s ' avérer nécessaire .
Il existe aussi des dispositifs à simple porte 15 articulée sur un arbre moteur. La porte ferme soit le conduit des gaz vers la chaudière, soit le conduit des gaz vers le by-pass.
Ce type de matériel offre de très bonnes performances d' étanchéité, garantissant le rendement maximum 20 au cycle combiné et est bien adapté aux ~-hinPs de puissance jusqu'à 120 MW.
Néanmoins, du fait de la pression des gaz qui s ' oppose au début à l ' ouverture de la porte puis ensuite vers le milieu de la course d'ouverture, les gaz d'échappement 25 tour à tour s'opposent ou facilitent l'ouverture ce qui provoque de fortes vibrations puis enfin cette pression tend à augrenter la vitesse d'ouverture, toutes ces variations tres importantes de contraintes dans l ' arbre support de porte ainsi que dans tout le système de, ~nr1P nécessitent un 30 ensemble de très forte dimension. Un autre inconvénient résulte de la limite technologique de hauteur de porte, interdisant son utilisation pour les turbines à gaz modernes de grande puissance.
Ce type de registre est cependant de loin le plus 35 couramment utilisé de par le monde, pour des turbines à gaz limitees en puissance.
~186~89' i`
W09s/27863 r~l~D~
On a en conséquence proposé des registres à simple porte mais dont la ~ qn~le est assurée par un arbre auxiliaire, qualifié genéralement de "Toggle". , Dans cette forme d' exécution, une simple porte est montée sur un arbre support mais la ~ ~n~.o s'effectue par .
un arbre tubulaire séparé relié à la porte par des bielles.
Tout en offrant les mêmes avantages que les registres à 1~ qnr~o directe précités, elles peuvent etre mieux adaptées aux turbines à gaz de grande puissance.
Cependant, leurs inconvénients sont que le problème d'instabilité existe toujours quoi~ que réduit par rapport à
la solution precedente.
De plus, la commande hydraulique est plus difficile A implanter, I'arbre ayant une rotation supérieure a 120C.
L'arbre de, ~n~.~ tubulaire doit etre de gros diamètre et d'PpAisse1lr importante car, étant situé dans le by-pass fumée il subit des contraintes thermiques et mécaniques importantes lors de la manoeuvre de la porte.
On a également proposé des registres à trois portes qui sont constitués de trois portes indépendantes les unes des autres et qui ferment chacune une partie du passage des fumées. Tout en étant adaptables aux turbines à gaz modernes de grande puissance, ils se caracterisent par de moins bonnes performances d'étanchéité (résultant de la surlongueur des joints d'étanchéité) par une complexité de - n~l~S
importantes puisqu'il faut agir sur trois arbres et par une sécurité intrinsèque douteuse du fait qu'une ouverture accidentelle est possible par simple défaut de la tension électrique.
1e document W0~8/09~5~ decrit un mécanisme de commande de porte exposé aux fumées à haute température, de telle sorte que l ' arbre et les bielles subissent des contraintes thermiques importantes lors de la manoeuvre de la porte, pouvant conduire à des déformations qui peuvent porter préjudice a l'étanchéité de la porte. En effet, les joints flexibles ne possèdent qu'une capacité dladaptation 2186~89 wo gs/27863 A .~
limitée et insuffisante pour compenser les déformations subies par une porte "voilée".
Le document US-A-3 605 811 décrit un mécanisme qui peut être assimilé à une vanne ou un distributeur pneumatique , 5 de type à tiroir coulissan~l qui présente comme principal inconvénient une étanchéité insuffisante à hautes températures .
De par sa conception, les dimensions de la vanne sont forcément réduites. Le fait d'utiliser le principe de 10 couIissement du tiroir avec une certaine précision d'usinage, en particulier des glissières, ne permet pas de s ' ~cl ~der de températures élevées ni de grands débits gazeux.
En outre, on observe que le vérin qui - ~,n~ le tiroir est en attaque directe, de telle sorte que la tige de 15 celui-ci souffrira des contraintes thermiques imposees au système .
Le document EP-A-0 533 282 décrit le principe de commande d'une porte par un arbre charnière. Ainsi que déja mentionné, il convient de noter que ce type de, ~ndf~ est - 20 réservé aux portes de petite dimension et aux turbines de puissance limitée. En effet, pour des tailles supérieures, on observe que le couple moteur de l ' arbre atteint des valeurs élevées cnn~ ; s~nt a surdimensionner le mécanisme.
En ~ outre, la r~ ~n~l.o par l ' arbre dans le cas de 25 l'utilisation de portes de grande dimension, n'offre aucune garantie contre les vibrations lors de manoeuvres d'ouverture et de fermeture.
Le document US-A-4 354 528 décrit un registre utilisé dans une application totalement différente 30 (coIlecteur de poussière) dans laquelle l'étanchéité n'est en aucun cas requise. En outre, on observe que la tige de cr~-~ntl~ du volet est quidée dans un tube de sortie et ne peut en aucun cas être exposée aux hautes températures qui seraient susceptibles de la détériorer ou qui risqueraient 35 de la coincer dans le tube de guidage.
wo 95~7863 ~ 1 8 ~ ~ 8 9 . , ~I/D~SI~
Le document FR-A-2 305 666 décrit un registre pour carneaux de fumée mais qui ne concerne probablement pas les turbines à gaz. On observe que dans ce document, la direction des fumées se présente dans le sens articulation - extrémité
en glissant vers la porte, de telle sorte que la manoeuvre par un systeme à cables d ' une porte placée dans un tel courant gazeux va provoquer le problème suivant: pour une position précise de la porte, les turbulences qui se creent dans une zone située au nez de celle-ci vont engendrer des efforts aérodynamiques variables en = intensité et en direction. Ceux-ci vont provoquer des v;hr~t;nnc qui risquent de s ' amplifier si la porte se met en resonnance avec son système de commande qui est elasti~ue, éventuellement jusqu'à
la ruine de celui-ci. Il convient enfin de noter que le - système à câbles, de par son élasticité, n'assure pas un poslt;onr t précis de la porte, car celui-ci dépend essentiellement de la position d'équilibre entre la pression des gaz agissant sur une face et l'élasticité du système de manoeuvre .
BUtC visé~ r la ~ro~nte invf~ntinn ~a présente invention vi~se à offrir un dispositif amélioré adaptable aux registres des machines actuelles ainsi qu' à celles futures de puis5ance élevée en particulier, tout cela en évitant les inconvénients precités de5 solutions de 1 ' état de la technique .
En particulier, la présente invention vise à offrir un dispositif qui permet de combiner les avantages suivants:
une bonne étanchéité, une ~ In,l,~ non exposée aux hautes températures, des pièces simples de manoeuvre de porte ainsi qu'une conception pouvant s'adapter aux grandes dimensions de gaines dans le cas de turbines puissantes.
Divers avantages, caractéristiques techniques et perfectlonnements propres à l'invention appara~tront dans la description qui suit des eléments caractéristiques de l'invention et de formes d'exécution preférées de l'invention WO 9s/27863 2 1 ~ 6 ~ ~ 9 ts c :~ractr ristt ~ q de l ~ inv~nti cn Pour atteindre les buts précités, il importe de protéger autant que possible les eléments de r nrt,~ de la porte, de l'effet de chocs thermiques auxquels ils sont 5 exposés dans les formes d'exécution préc~t~ ^nt décrites.
La solution proposée par l ' invention consiste en un registre constitué d'une seule porte articulee sur un arbre destiné uniquement à supporter la porte afin de bénéficier des avantages qui y sont associés dans la forme 10 d' exécution "Toggle" .
Selon la forme d'exécution de l'invention, la manoeuvre de la porte s'effectue par des tirants articulés dans le bas de la porte par l ' intermédiaire de rotules sphériques et qui traversent le corps du registre dans une 15 paroi oblique latérale du conduit de fumée.
Les tirants sont connectés a une poutre transversale guidée, elle-même manoeuvrée par des moyens appropriés situés de part et d'autre du corps du registre.
De préférence, cette manoeuvre est assurée par deux 20 vérins dont le mouvement rectiligne ouvre ou ferme la porte en imprimant à la poutre transversale guidée un uv~ ~nt essentiellement vertical le long des guides de la poutre.
~ fin de réduire nettement les pertes de charge des fumées en cycle ouvert ainsi que la génération de bruits, 25 consécutive au changement brutal de direction des fumées, diverses mesures spécifiques sont prévues selon l ' invention .
D'une part, la porte dans sa position fermée vers la chaudière, c'est-à-dire celle du fonctionnement en cycle ouvert est disposée selon un angle incliné par rapport à
30 l 'horizontale.
Ceci contribue à guider les fumées en cycle ouvert vers la cheminée.
D'autre part, le coin supérieur vers le by-pass est fortement coupé par une paroi latérale, de préférence 35 pratiquement parallèle a la porte dans ladite position f ermée .
, ~18~?~
W095/27863 ''' Ç` '''~` r~l,D~
Finalement, le fond du registre comporte un logement pouvant recevoir le bas de la porte et ~ormant butée pour celle-ci.
Toutes ces mesures contribuent à éviter les turbulences pouvant entralner des pertes de charge et des bruits et de plus, le coin coupé permet aisément de recevoir le point de passage des tirants dans la paroi ~atérale du registre .
La porte est constituée d'un chassis tubulaire de résistance étudié pour pouvDir résister éventuellement à des efforts de torsion, assurant ainsi une grande stabilité de l'ensemble, et sur leouel sont montées des faces d'étanchéité
munies chacune de joints d' étanchéité simples ou doubles et d' isolation thermioue. Les faces sont reliées au châssis par un système souple, permettant de maniere connue en soi, les libres dilatations différentielles entre les eléments.
1es ~oints d'étanchéité sont du type classique à
lamelles metallurgiques souples, montes en simple ou double rangées, éventuellement avec injection d'air d'etanchéité
assurant une totale etanchéite aux fumées.
1'~r~1=nrh~; té des tirants au passare du corps, est réalisée par un système de labyrinthe muni ou non de segments d' étanchéité, montés sur un système mobile permettant des - uv~ ts transversaux relatifs des tirants par rapport au corps. Par une disposition appropEiée des tirants, les r uvl ts transversaux précités sont cependant généralement de faible ampleur.
Dans cette forme d'exécution, l'arbre de la porte a uniquement pour fonction de soutenir celle-ci, cet arbre n'est donc pas moteur et ses extremités ne traversent pas le corps du registre et aucun arbre moteur complémentaire (qui dans le cas de la forme d' exécution Toggle est prévu) n'existe dans la forme proposée, ce qui évite les problèmes d'étanchéité spécifiques à ce niveau.
1es paliers de l'arbre support selon la forme d' exécution sont également constitués de rotules sphériques, ! 2186~8'9'' WO gS/27863 ~ , 5 De manière classique et connue en soi, le corps du registre est isolé thermiquement, soit intérieurement, soit extéri eurement .
Les systèmes de . sn~le incluant des vérins 5 peuvent etre mécaniques ou hydrauliques. Dans le cas d'une commande hydraulique, un système de contrôle est prévu pour assurer en permanence la manoeuvre parfaitement synchronisée des deux vérins.
De plus, le registre peut etre équipé d'une tole 10 de fermeture intégrée, installée à la sortie du registre en direction de la chaudière et qui assure une étanchéité totale aux fumées et à la température et permet le montage et/ou 1 ' entretien de la chaudière tout en maintenant la turbine à
gaz en service, en cycle ouvert.
- - Par rapport aux systèmes existants, le dispositif de l'invention offre des avantages importants:
- Dimensions réduites de 1 ' arbre puisque uniquement support de porte et non moteur.
- Les tirants travaillent en traction-compression pure, et sont donc facilement chargés: les lourdes pièces résistant mal aux contraintes thermiques sont évitées.
- Les pertes de charge fumée sont réduites en fonct; ~nn~ t de la turbine à gaz vers le by-pass fumée: le rendement s'en trouve nettement amélioré
en cycle ouvert.
- - Les dimensions sont adaptables à toute turbine à
gaz, quelque soit sa puissance et sa température d' échappement.
- La porte est fermement tenue en ~ points avec jeux réduits et de par sa conception le point d'instabilité n'existe pratiquement plu5.
- Pas de fuite aux étanchéités d'arbre puisque l ' arbre ne traverse pas le corps: gains en - rendement, plus de risques inhérents aux fuites de gaz chauds .
~ 8~.9~
Wo 95l27~63 P~ /D~'7_.
- De par la forme genérale, la génération de bruit est fortement réduite et permet d'éviter un silencieux additionnel eventuel.
L'invention sera décrite~ plus en détail sous forme 5 d'un mode d'exécution préféré de l'invention en référence aux dessins annexés, le tout étant destlné à illustrer l ' invention, sans aucun caractère limitatif .
Brève descril~tion rlAC deS.Ct nc L2 figure 1 es~c une représentation sche~matique lO d'une centrale électrique a cycle combiné.
La figure 2 représente~ une vue de côté, schématique, en coupe partielle, d'un registre à tirants traversants selon 1 ' invention dans la position d' ouverture vers le conduit de derivation des: fumées (by-pass fumée) .
La figure 3 est une vue schematique similaire à la figure 2 illustrant les deux positions de la porte et le mouvement des tirants.
La figure ~ est une vue de face, de la gauche vers la droite, c'est-à-dire du coté turbine à gaz vers chaudière correspondant à la figure 2.
La figure 5 est une vue genérale en perspective du registre depuis l'arri~re, c'est-à-dire que les gaz provenant de la turbine à gaz arrivent depuis la droite de la figure.
La figure Fest une vue de détail de l'articulation de la porte sur son axe (détail ~A sur la figure 3) .
La figure 7 est une vue de ~étail des joints d'étanchéité pour des tirants dans le corps du by-pass (detail B sur la figure 3) I~Aqnrintinn d~llnA f, d'A~ tinn l~réfPrée de l'invAntion.
Une centrale electrique à cycle combiné, comme l'indique la figure 1, es~ essen~iellement constituée d'une turbine à gaz 1 entraSnant un alternateur, d'une chaudière de récuperation d' énergie 3 générant de la vapeur servant à
alimenter une turbine a vapeur entralnant également un alternateur Un registre 2 doit permettre selon le cas ~ ~186~`9`
WO 95127863 P~
d'utilisation ou non de la chaudière, de diriger les gaz soit directement vers l'atmosphère par la cheminée 4, soit vers la chaudiere 3 et ensuite vers l ' atmosphère par la f~hf~mi née 5.
La caractéristi.q~e essentielle est le fait que le registre selon l ' invention est tout d ' abord mono-ventelle donc est constitué d'une seule porte 10 articulée à un arbre 11 destiné unIquement à supporter la porte.
Selon l ' invention, la manoeuvre de la porte s ' effectue par des tirants 13 articulés dans le bas de la porte par l'intf~ ciiAire de rotules sphériques 15. Les tirants articulés traversent le corps du registre 2 dans une paroi oblique latérale 22 du conduit de dérivation de fumée 21 .
Comme il appara~t le mieux aux figures 4 et 5, les tirants sont connectes à leur partie supbrieure à une poutre transversale 31, elle-même manoeuvrée par des moyens appropriés, situés de part et d'autre du corps du registre en l ' occurrence, des verins hydrauliques 35 .
Avantageusement, la poutre 31 est maintenue dans un dispositif de guidage 33.
La porte peut ainsi effectuer un mouvement depuis une position sensiblement horizontale qui ferme le conduit de dérivation de fumée ~indiqué co~me lO ' dans la figure 3) vers une position (indiqué comme lO' ' dans la figure 3) qui est :inclinée par rapport à l'horizontale, le coin 40 vers le by-pass est fortement coupé pour les raisons citées dans les élements caractéristiques.
Avantageusement, le fond du registre comporte un logement formant butée 41 pouvant recevoir la porte et éviter des :turbulences qui autrement seraient provoquées par la partie saillante de la porte debordant du fond.
La porte est constituée d'un châssis tubulaire de résistance sur lequel sont montées des faces d' étanchéité.
Les joints d'étanchéité sont de type classique.
WO 95~27863 1 ~, IID~: S. ~
Pour ce qui concerne l ' étanchéité des tirants 13 au passage du corps du registre, plus particulièrement sur la partie inclinée 22, l'invention prévoit que le tirant est pourvu d'un systeme d'étanchéité à soufflets 43 qui permet 5 des mouvements transversaux relatifs des tirants par rapport au corps 22.
Un système de labyrinthe de préférence muni de segments d'étanchéité permet également le mouvement longitudinal du tirant par rapport au corps.
Ainsi qu'on le notera, une disposition appropriée des tirants permet le mouvement complet ~depuis la position 10' vers la position 10'') de la porte avec des mouvements transversaux limités des tirants par rapport au corps du registre. ~ ~ ~
On notera égale~ent que contrairement aux dispositifs de l'etat de la technique, aucun arbre de commande n'est disposé dans le courant de gaz chauds ~fuméesl dérivé par le by-pass.
~FGISTRE DE DEvT~TIr~ DES E~lM~FC D ' I~STAT T ~TION DE
fF~TRAT~Fc TTFCTRIOI~ES DITFC A CyrTT~ rrMRTNF
O}~iet de 1 'inv~nti on La présente invention VisR à apporter des améliorations au registre de déviation des fumées qui est destine aux centrales électriques dites a cycle combiné.
,Z~rriPre--rl ~n t~rhn~l o~ique Les centrales électriques dites à cycle combiné
sont constituées d'une turbine à gaz entraînant un alternateur, d'une chaudière de récupération d'énergie générant de la vapeur et d'une turbine à vapeur entra~nant également un alternateur.
Une chaudière est prévue pour récupérer l ' énergie calorifique contenue dans les gaz d' échappement de la turbine à gaz, les derniers étant en fait caractérisés par un grand volume et une température élevée.
Le cycle combiné se caractérise par une pollution très réduite, un rendement très éleYé, et une grande vitesse de démarrage.
Dans ce type d' installation, un conduit de dérivation des fumées, qualifié géneralement de "by-pass fumée", est géneralement installé sur le circuit des gaz d'échappement de la turbine à gaz, avant la chaudière, afin de permettre, selon les necessités, de diriger les gaz chauds soit directement vers l ' atmosphère, soit vers la chaudière .
Ceci assure une indépendance des cycles gaz et vapeur et permet de bénéficier des avanta~es inhérents à la Wo 95/27863 2 1 8 ~ ~ 8 9 t ~1 /D1~
turbine à gaz, à savoir un démarrage extremement rapide et un delai d'installation très court, lorsque le cycle vapeur n'est pas disponible ou n'est pas nécessaire. La turbine travaille alors en cycle ouvert c'est-a-dire avec évacuation 5 directe des fumées à l ' atmosphère.
Bien entendu, le by-pass fumée doit être équipé
d' un organe permettant de dévier le débit de gaz chaud, a savoir un registre de déviation des fumées.
Il est à noter que le marché actuel des turbines 10 à gaz tend à une augmentation des pl~i ccAnrP~ des machines qui vont actuellement de 100 MW jusqu'à 230 MW, puissances qui risquent d' aller au-delà dans un proche avenir.
Dans ces conditlons opératoires, les gaz circulent à des vitesses de l'ordre de 100 à 150 l~n/H et présentent des 15 températures de l ' ordre de 650C.
Le registre de déviation des fumées qui est en fait un équipeme~t= sophistiqué, doit ~ répondre à beallcpup de critères de performances. On peut ~iter entre autre un tres haut niveau d' étanchéité = et une manoeuvrabilité rapide et 20 fiable en toutes circonstances. Il convient de noter également que ce fonctionnement est soumis a des conditions très sévères: très grandes dimensions (de l ' ordre de 6mx7mx7m), ~empératures élevées des fumées; chocs thermiques importants, haute vitesse des fumées et grandes turbulences 25 de celles-ci.
On connait déjà plusieurs technologies qui sont appliquees lndustri Pl l nt et qui beneficient chacune de leurs avantages et inconvénients.
On conna~t notamment les dispositifs dits "multi-30 ventelle" qui comportent deux registres, l'un sur le by-pass iumée, l ' autre sur le conduit des gaz en direction de la chaudi ère .
Chacun de ces registres se compose généralement de plusieurs volets tournant chacun sur leur axe. La rotation 35 des volets ouvre ou ferme le conduit des gaz où il est disposé .
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~186a89 w0 9sl27863 r ~
Cette techni~ue permet une bonne capacité de réglage du débit des fumées mais cette caractérlsti~ue n ' est pas recherchée en cycle cor~biné. Leurs inconvénients sont la faible performance d'étanchéité du fait de la grande 5 longueur de leur joint d' etanchéité et un risque non négligeable pouvant provenir de la fen~Leture simultanée des deux registres ce qui entraInerait des dégâts importants au matériel amont.
Ces registres, par suite de leurs faibles 10 performances, ne sont pratiquement pas utilisés en cycle combiné mais sont réservés à des applications industrielles où un réglage de débit des fumées vers la chaudière peut s ' avérer nécessaire .
Il existe aussi des dispositifs à simple porte 15 articulée sur un arbre moteur. La porte ferme soit le conduit des gaz vers la chaudière, soit le conduit des gaz vers le by-pass.
Ce type de matériel offre de très bonnes performances d' étanchéité, garantissant le rendement maximum 20 au cycle combiné et est bien adapté aux ~-hinPs de puissance jusqu'à 120 MW.
Néanmoins, du fait de la pression des gaz qui s ' oppose au début à l ' ouverture de la porte puis ensuite vers le milieu de la course d'ouverture, les gaz d'échappement 25 tour à tour s'opposent ou facilitent l'ouverture ce qui provoque de fortes vibrations puis enfin cette pression tend à augrenter la vitesse d'ouverture, toutes ces variations tres importantes de contraintes dans l ' arbre support de porte ainsi que dans tout le système de, ~nr1P nécessitent un 30 ensemble de très forte dimension. Un autre inconvénient résulte de la limite technologique de hauteur de porte, interdisant son utilisation pour les turbines à gaz modernes de grande puissance.
Ce type de registre est cependant de loin le plus 35 couramment utilisé de par le monde, pour des turbines à gaz limitees en puissance.
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W09s/27863 r~l~D~
On a en conséquence proposé des registres à simple porte mais dont la ~ qn~le est assurée par un arbre auxiliaire, qualifié genéralement de "Toggle". , Dans cette forme d' exécution, une simple porte est montée sur un arbre support mais la ~ ~n~.o s'effectue par .
un arbre tubulaire séparé relié à la porte par des bielles.
Tout en offrant les mêmes avantages que les registres à 1~ qnr~o directe précités, elles peuvent etre mieux adaptées aux turbines à gaz de grande puissance.
Cependant, leurs inconvénients sont que le problème d'instabilité existe toujours quoi~ que réduit par rapport à
la solution precedente.
De plus, la commande hydraulique est plus difficile A implanter, I'arbre ayant une rotation supérieure a 120C.
L'arbre de, ~n~.~ tubulaire doit etre de gros diamètre et d'PpAisse1lr importante car, étant situé dans le by-pass fumée il subit des contraintes thermiques et mécaniques importantes lors de la manoeuvre de la porte.
On a également proposé des registres à trois portes qui sont constitués de trois portes indépendantes les unes des autres et qui ferment chacune une partie du passage des fumées. Tout en étant adaptables aux turbines à gaz modernes de grande puissance, ils se caracterisent par de moins bonnes performances d'étanchéité (résultant de la surlongueur des joints d'étanchéité) par une complexité de - n~l~S
importantes puisqu'il faut agir sur trois arbres et par une sécurité intrinsèque douteuse du fait qu'une ouverture accidentelle est possible par simple défaut de la tension électrique.
1e document W0~8/09~5~ decrit un mécanisme de commande de porte exposé aux fumées à haute température, de telle sorte que l ' arbre et les bielles subissent des contraintes thermiques importantes lors de la manoeuvre de la porte, pouvant conduire à des déformations qui peuvent porter préjudice a l'étanchéité de la porte. En effet, les joints flexibles ne possèdent qu'une capacité dladaptation 2186~89 wo gs/27863 A .~
limitée et insuffisante pour compenser les déformations subies par une porte "voilée".
Le document US-A-3 605 811 décrit un mécanisme qui peut être assimilé à une vanne ou un distributeur pneumatique , 5 de type à tiroir coulissan~l qui présente comme principal inconvénient une étanchéité insuffisante à hautes températures .
De par sa conception, les dimensions de la vanne sont forcément réduites. Le fait d'utiliser le principe de 10 couIissement du tiroir avec une certaine précision d'usinage, en particulier des glissières, ne permet pas de s ' ~cl ~der de températures élevées ni de grands débits gazeux.
En outre, on observe que le vérin qui - ~,n~ le tiroir est en attaque directe, de telle sorte que la tige de 15 celui-ci souffrira des contraintes thermiques imposees au système .
Le document EP-A-0 533 282 décrit le principe de commande d'une porte par un arbre charnière. Ainsi que déja mentionné, il convient de noter que ce type de, ~ndf~ est - 20 réservé aux portes de petite dimension et aux turbines de puissance limitée. En effet, pour des tailles supérieures, on observe que le couple moteur de l ' arbre atteint des valeurs élevées cnn~ ; s~nt a surdimensionner le mécanisme.
En ~ outre, la r~ ~n~l.o par l ' arbre dans le cas de 25 l'utilisation de portes de grande dimension, n'offre aucune garantie contre les vibrations lors de manoeuvres d'ouverture et de fermeture.
Le document US-A-4 354 528 décrit un registre utilisé dans une application totalement différente 30 (coIlecteur de poussière) dans laquelle l'étanchéité n'est en aucun cas requise. En outre, on observe que la tige de cr~-~ntl~ du volet est quidée dans un tube de sortie et ne peut en aucun cas être exposée aux hautes températures qui seraient susceptibles de la détériorer ou qui risqueraient 35 de la coincer dans le tube de guidage.
wo 95~7863 ~ 1 8 ~ ~ 8 9 . , ~I/D~SI~
Le document FR-A-2 305 666 décrit un registre pour carneaux de fumée mais qui ne concerne probablement pas les turbines à gaz. On observe que dans ce document, la direction des fumées se présente dans le sens articulation - extrémité
en glissant vers la porte, de telle sorte que la manoeuvre par un systeme à cables d ' une porte placée dans un tel courant gazeux va provoquer le problème suivant: pour une position précise de la porte, les turbulences qui se creent dans une zone située au nez de celle-ci vont engendrer des efforts aérodynamiques variables en = intensité et en direction. Ceux-ci vont provoquer des v;hr~t;nnc qui risquent de s ' amplifier si la porte se met en resonnance avec son système de commande qui est elasti~ue, éventuellement jusqu'à
la ruine de celui-ci. Il convient enfin de noter que le - système à câbles, de par son élasticité, n'assure pas un poslt;onr t précis de la porte, car celui-ci dépend essentiellement de la position d'équilibre entre la pression des gaz agissant sur une face et l'élasticité du système de manoeuvre .
BUtC visé~ r la ~ro~nte invf~ntinn ~a présente invention vi~se à offrir un dispositif amélioré adaptable aux registres des machines actuelles ainsi qu' à celles futures de puis5ance élevée en particulier, tout cela en évitant les inconvénients precités de5 solutions de 1 ' état de la technique .
En particulier, la présente invention vise à offrir un dispositif qui permet de combiner les avantages suivants:
une bonne étanchéité, une ~ In,l,~ non exposée aux hautes températures, des pièces simples de manoeuvre de porte ainsi qu'une conception pouvant s'adapter aux grandes dimensions de gaines dans le cas de turbines puissantes.
Divers avantages, caractéristiques techniques et perfectlonnements propres à l'invention appara~tront dans la description qui suit des eléments caractéristiques de l'invention et de formes d'exécution preférées de l'invention WO 9s/27863 2 1 ~ 6 ~ ~ 9 ts c :~ractr ristt ~ q de l ~ inv~nti cn Pour atteindre les buts précités, il importe de protéger autant que possible les eléments de r nrt,~ de la porte, de l'effet de chocs thermiques auxquels ils sont 5 exposés dans les formes d'exécution préc~t~ ^nt décrites.
La solution proposée par l ' invention consiste en un registre constitué d'une seule porte articulee sur un arbre destiné uniquement à supporter la porte afin de bénéficier des avantages qui y sont associés dans la forme 10 d' exécution "Toggle" .
Selon la forme d'exécution de l'invention, la manoeuvre de la porte s'effectue par des tirants articulés dans le bas de la porte par l ' intermédiaire de rotules sphériques et qui traversent le corps du registre dans une 15 paroi oblique latérale du conduit de fumée.
Les tirants sont connectés a une poutre transversale guidée, elle-même manoeuvrée par des moyens appropriés situés de part et d'autre du corps du registre.
De préférence, cette manoeuvre est assurée par deux 20 vérins dont le mouvement rectiligne ouvre ou ferme la porte en imprimant à la poutre transversale guidée un uv~ ~nt essentiellement vertical le long des guides de la poutre.
~ fin de réduire nettement les pertes de charge des fumées en cycle ouvert ainsi que la génération de bruits, 25 consécutive au changement brutal de direction des fumées, diverses mesures spécifiques sont prévues selon l ' invention .
D'une part, la porte dans sa position fermée vers la chaudière, c'est-à-dire celle du fonctionnement en cycle ouvert est disposée selon un angle incliné par rapport à
30 l 'horizontale.
Ceci contribue à guider les fumées en cycle ouvert vers la cheminée.
D'autre part, le coin supérieur vers le by-pass est fortement coupé par une paroi latérale, de préférence 35 pratiquement parallèle a la porte dans ladite position f ermée .
, ~18~?~
W095/27863 ''' Ç` '''~` r~l,D~
Finalement, le fond du registre comporte un logement pouvant recevoir le bas de la porte et ~ormant butée pour celle-ci.
Toutes ces mesures contribuent à éviter les turbulences pouvant entralner des pertes de charge et des bruits et de plus, le coin coupé permet aisément de recevoir le point de passage des tirants dans la paroi ~atérale du registre .
La porte est constituée d'un chassis tubulaire de résistance étudié pour pouvDir résister éventuellement à des efforts de torsion, assurant ainsi une grande stabilité de l'ensemble, et sur leouel sont montées des faces d'étanchéité
munies chacune de joints d' étanchéité simples ou doubles et d' isolation thermioue. Les faces sont reliées au châssis par un système souple, permettant de maniere connue en soi, les libres dilatations différentielles entre les eléments.
1es ~oints d'étanchéité sont du type classique à
lamelles metallurgiques souples, montes en simple ou double rangées, éventuellement avec injection d'air d'etanchéité
assurant une totale etanchéite aux fumées.
1'~r~1=nrh~; té des tirants au passare du corps, est réalisée par un système de labyrinthe muni ou non de segments d' étanchéité, montés sur un système mobile permettant des - uv~ ts transversaux relatifs des tirants par rapport au corps. Par une disposition appropEiée des tirants, les r uvl ts transversaux précités sont cependant généralement de faible ampleur.
Dans cette forme d'exécution, l'arbre de la porte a uniquement pour fonction de soutenir celle-ci, cet arbre n'est donc pas moteur et ses extremités ne traversent pas le corps du registre et aucun arbre moteur complémentaire (qui dans le cas de la forme d' exécution Toggle est prévu) n'existe dans la forme proposée, ce qui évite les problèmes d'étanchéité spécifiques à ce niveau.
1es paliers de l'arbre support selon la forme d' exécution sont également constitués de rotules sphériques, ! 2186~8'9'' WO gS/27863 ~ , 5 De manière classique et connue en soi, le corps du registre est isolé thermiquement, soit intérieurement, soit extéri eurement .
Les systèmes de . sn~le incluant des vérins 5 peuvent etre mécaniques ou hydrauliques. Dans le cas d'une commande hydraulique, un système de contrôle est prévu pour assurer en permanence la manoeuvre parfaitement synchronisée des deux vérins.
De plus, le registre peut etre équipé d'une tole 10 de fermeture intégrée, installée à la sortie du registre en direction de la chaudière et qui assure une étanchéité totale aux fumées et à la température et permet le montage et/ou 1 ' entretien de la chaudière tout en maintenant la turbine à
gaz en service, en cycle ouvert.
- - Par rapport aux systèmes existants, le dispositif de l'invention offre des avantages importants:
- Dimensions réduites de 1 ' arbre puisque uniquement support de porte et non moteur.
- Les tirants travaillent en traction-compression pure, et sont donc facilement chargés: les lourdes pièces résistant mal aux contraintes thermiques sont évitées.
- Les pertes de charge fumée sont réduites en fonct; ~nn~ t de la turbine à gaz vers le by-pass fumée: le rendement s'en trouve nettement amélioré
en cycle ouvert.
- - Les dimensions sont adaptables à toute turbine à
gaz, quelque soit sa puissance et sa température d' échappement.
- La porte est fermement tenue en ~ points avec jeux réduits et de par sa conception le point d'instabilité n'existe pratiquement plu5.
- Pas de fuite aux étanchéités d'arbre puisque l ' arbre ne traverse pas le corps: gains en - rendement, plus de risques inhérents aux fuites de gaz chauds .
~ 8~.9~
Wo 95l27~63 P~ /D~'7_.
- De par la forme genérale, la génération de bruit est fortement réduite et permet d'éviter un silencieux additionnel eventuel.
L'invention sera décrite~ plus en détail sous forme 5 d'un mode d'exécution préféré de l'invention en référence aux dessins annexés, le tout étant destlné à illustrer l ' invention, sans aucun caractère limitatif .
Brève descril~tion rlAC deS.Ct nc L2 figure 1 es~c une représentation sche~matique lO d'une centrale électrique a cycle combiné.
La figure 2 représente~ une vue de côté, schématique, en coupe partielle, d'un registre à tirants traversants selon 1 ' invention dans la position d' ouverture vers le conduit de derivation des: fumées (by-pass fumée) .
La figure 3 est une vue schematique similaire à la figure 2 illustrant les deux positions de la porte et le mouvement des tirants.
La figure ~ est une vue de face, de la gauche vers la droite, c'est-à-dire du coté turbine à gaz vers chaudière correspondant à la figure 2.
La figure 5 est une vue genérale en perspective du registre depuis l'arri~re, c'est-à-dire que les gaz provenant de la turbine à gaz arrivent depuis la droite de la figure.
La figure Fest une vue de détail de l'articulation de la porte sur son axe (détail ~A sur la figure 3) .
La figure 7 est une vue de ~étail des joints d'étanchéité pour des tirants dans le corps du by-pass (detail B sur la figure 3) I~Aqnrintinn d~llnA f, d'A~ tinn l~réfPrée de l'invAntion.
Une centrale electrique à cycle combiné, comme l'indique la figure 1, es~ essen~iellement constituée d'une turbine à gaz 1 entraSnant un alternateur, d'une chaudière de récuperation d' énergie 3 générant de la vapeur servant à
alimenter une turbine a vapeur entralnant également un alternateur Un registre 2 doit permettre selon le cas ~ ~186~`9`
WO 95127863 P~
d'utilisation ou non de la chaudière, de diriger les gaz soit directement vers l'atmosphère par la cheminée 4, soit vers la chaudiere 3 et ensuite vers l ' atmosphère par la f~hf~mi née 5.
La caractéristi.q~e essentielle est le fait que le registre selon l ' invention est tout d ' abord mono-ventelle donc est constitué d'une seule porte 10 articulée à un arbre 11 destiné unIquement à supporter la porte.
Selon l ' invention, la manoeuvre de la porte s ' effectue par des tirants 13 articulés dans le bas de la porte par l'intf~ ciiAire de rotules sphériques 15. Les tirants articulés traversent le corps du registre 2 dans une paroi oblique latérale 22 du conduit de dérivation de fumée 21 .
Comme il appara~t le mieux aux figures 4 et 5, les tirants sont connectes à leur partie supbrieure à une poutre transversale 31, elle-même manoeuvrée par des moyens appropriés, situés de part et d'autre du corps du registre en l ' occurrence, des verins hydrauliques 35 .
Avantageusement, la poutre 31 est maintenue dans un dispositif de guidage 33.
La porte peut ainsi effectuer un mouvement depuis une position sensiblement horizontale qui ferme le conduit de dérivation de fumée ~indiqué co~me lO ' dans la figure 3) vers une position (indiqué comme lO' ' dans la figure 3) qui est :inclinée par rapport à l'horizontale, le coin 40 vers le by-pass est fortement coupé pour les raisons citées dans les élements caractéristiques.
Avantageusement, le fond du registre comporte un logement formant butée 41 pouvant recevoir la porte et éviter des :turbulences qui autrement seraient provoquées par la partie saillante de la porte debordant du fond.
La porte est constituée d'un châssis tubulaire de résistance sur lequel sont montées des faces d' étanchéité.
Les joints d'étanchéité sont de type classique.
WO 95~27863 1 ~, IID~: S. ~
Pour ce qui concerne l ' étanchéité des tirants 13 au passage du corps du registre, plus particulièrement sur la partie inclinée 22, l'invention prévoit que le tirant est pourvu d'un systeme d'étanchéité à soufflets 43 qui permet 5 des mouvements transversaux relatifs des tirants par rapport au corps 22.
Un système de labyrinthe de préférence muni de segments d'étanchéité permet également le mouvement longitudinal du tirant par rapport au corps.
Ainsi qu'on le notera, une disposition appropriée des tirants permet le mouvement complet ~depuis la position 10' vers la position 10'') de la porte avec des mouvements transversaux limités des tirants par rapport au corps du registre. ~ ~ ~
On notera égale~ent que contrairement aux dispositifs de l'etat de la technique, aucun arbre de commande n'est disposé dans le courant de gaz chauds ~fuméesl dérivé par le by-pass.
Claims (11)
1. Registre de déviation d'installation de fumée destine à des centrales électriques à cycle combiné
constitue d'une porte (10) articulée sur un arbre (11) destiné uniquement à supporter la porte (10) caractérisé en ce que la manoeuvre de la porte (10) s'effectue par des tirants (13) articulés dans le bas de la porte (10), qui traversent le corps du registre (2) dans une paroi oblique latérale (22) du conduit de fumée (21).
constitue d'une porte (10) articulée sur un arbre (11) destiné uniquement à supporter la porte (10) caractérisé en ce que la manoeuvre de la porte (10) s'effectue par des tirants (13) articulés dans le bas de la porte (10), qui traversent le corps du registre (2) dans une paroi oblique latérale (22) du conduit de fumée (21).
2. Registre selon la revendication 1 caractérisé
en ce que la manoeuvre de la porte (10) s'effectue par des tirants (13) par l'intermédiaire de rotules sphériques (15).
en ce que la manoeuvre de la porte (10) s'effectue par des tirants (13) par l'intermédiaire de rotules sphériques (15).
3. Registre selon la revendication 1 ou 2 caractérisé en ce que les tirants (13) sont connectés à une poutre transversale guidée (31) elle-même manoeuvrée par des moyens (35) appropriés situés de part et d'autre du corps du registre (2).
4. Registre selon la revendication 3 caractérisé
en ce que la manoeuvre de la poutre est assurée par deux verins (35) dont le mouvement rectiligne ouvre ou ferme la porte (10) en imprimant à la poutre transversale guidée (31) un movement essentiellement vertical le long de guides (33) de la poutre (31).
en ce que la manoeuvre de la poutre est assurée par deux verins (35) dont le mouvement rectiligne ouvre ou ferme la porte (10) en imprimant à la poutre transversale guidée (31) un movement essentiellement vertical le long de guides (33) de la poutre (31).
5. Registre selon l'une quelconque des revendications 1 à 4 caractérisé en ce que la porte (10) est disposée dans sa position fermée vers la chaudière (3) sous un angle incliné par rapport à l'horizontale et que le coin (40) vers le by-pass est fortement coupé afin de réduire nettement les pertes de charge des fumées en cycle ouvert ainsi que la génération de bruit, consécutives au changement brutal de direction des fumées.
6. Registre selon l'une quelconque des revendications 1 à 5 caractérisé en que la porte (10) est constituée d'un châssis tubulaire sur lequel sont montées des faces d'étanchéité munies chacune de joints d'étanchéité simples ou doubles et d'isolation thermique et que les faces sont reliées au châssis par un système souple permettant, de manière connue en soi, les libres dilatations différentielles entre les éléments.
7. Registre selon l'une quelconque des revendications 1 à 6 caractérisé en ce que l'étanchéité des tirants au passage du corps, est réalisée par un système de labyrinthe muni ou non de segments d'étanchéité, montés sur un système mobile permettant des mouvements transversaux relatifs des tirants par rapport au corps.
8. Registre selon l'une quelconque des revendications 1 à 7 caractérisé en ce que les paliers de l'arbre support (11) sont réalisés en rotules sphériques.
9. Registre selon l'une quelconque des revendications 1 à 8 caractérisé en ce que, de manière classique, le corps du registre est isolé thermiquement, soit intérieurement, soit extérieurement.
10. Registre selon l'une quelconque des revendications 1 à 9 caractérisé en ce qu'il comporte un système de commande hydraulique muni d'un système de contrôle permettant d'assurer en permanence la manoeuvre parfaitement synchronisée des deux verins.
11. Registre selon l'une quelconque des revendications 1 à 10 caractérisée en ce qu'il est équipé
d'une tôle de fermeture intégrée, installée à la sortie du registre en direction de la chaudière et qui assure une étanchéité adéquate aux fumées et à la température.
d'une tôle de fermeture intégrée, installée à la sortie du registre en direction de la chaudière et qui assure une étanchéité adéquate aux fumées et à la température.
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