CH627233A5 - - Google Patents
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Description
L'invention se rapporte à une installation de turbine à gaz dont la puissance est comprise entre 6000 et 10000 kW, comprenant un boîtier dans lequel une turbine et un compresseur radial sont montés sur des arbres qui sont disposés en ligne. Une turbine à gaz similaire n'est connue que pour une capacité inférieure à la limite mentionnée ci-dessus.
L'invention se propose de réaliser une turbine à gaz ayant une puissance comprise entre 6000 et 10000 kW. On a pris en considération à cet effet le fait qu'une conception nouvelle similaire n'aura une chance de succès que si un bon rendement, d'au moins 40%, est obtenu sans accroissement du prix de revient.
Selon l'invention, ce but est réalisé par l'installation de turbine à gaz, caractérisée en ce qu'elle comprend une turbine axiale à étage unique, suivie d'au moins un étage de turbine axiale, et un compresseur radial à double étage, dont l'étage à basse pression se présente avec double face et est muni d'un réfrigérant intermédiaire de compression et d'un échangeur de chaleur dans la sortie de la turbine à gaz.
L'application d'un réfrigérant intermédiaire de compression a pour effet de procurer une économie de la puissance requise pour la compression de l'air. De cette façon, une turbine axiale à étage unique ayant une puissance de sortie favorable suffira à entraîner le compresseur. Sans le réfrigérant intermédiaire de compression, une turbine à étage multiple sera nécessaire. Une turbine à étage unique a un besoin d'air de refroidissement plus faible qu'une turbine à étage multiple, d'où il résulte que la puissance de sortie de l'installation est influencée dans le sens positif.
Le réfrigérant intermédiaire peut réduire la température d'amenée de l'air dans le second étage compresseur d'environ 150°C. Il en résulte qu'une quantité plus grande de chaleur sera transmise, à partir des gaz d'échappement, à l'air fourni par le compresseur.
Par l'intermédiaire du régénérateur, on peut obtenir une compensation de la quantité supplémentaire de carburant nécessitée pour le chauffage de l'air du compresseur à la température d'amenée de la turbine. Dans ce cas, il est fait mention d'un cycle de régénération à réfrigérant intermédiaire.
En aval de la turbine axiale à étage unique, deux étages de turbine axiale peuvent être prévus. Grâce à cette disposition, il existe un espace suffisant disponible pour amener la forme correcte de la transition entre la première et la seconde turbine axiale, tandis que le diffuseur, situé derrière cette dernière, dispose d'un espace suffisant pour réduire les pertes de flux à un minimum à ces endroits.
La conception décrite ci-dessus peut être mise en œuvre avec un arbre unique; mais, selon un mode d'exécution préféré, il existe deux arbres, le compresseur qui accompagne la turbine axiale à étage unique étant disposé sur un arbre et les derniers étages de turbine axiale étant disposés sur l'autre arbre.
La puissance de sortie de l'installation peut encore être accrue par la combinaison du cycle de régénération, avec un cycle de Rankine. Ce système est particulièrement utile pour engendrer de l'énergie mécanique, soit à partir de la chaleur à basse température, soit à partir de la chaleur perdue de l'installation de turbine à gaz dans les gaz d'échappement et le réfrigérant intermédiaire de compression. Dans un cycle de Rankine, la compression du milieu utilisé s'effectue en phase liquide et la dilatation, en phase gazeuse, en un circuit fermé.
L'invention sera mieux comprise à l'aide de la description donnée à titre d'exemple en se référant au dessin annexé:
la fïg. 1 est une vue en élévation partielle de l'installation;
la fïg. 2 est une vue en perspective de l'installation complète, dans laquelle la chaleur du réfrigérant intermédiaire est véhiculée au moyen d'eau;
la fïg. 3 représente une vue en perspective d'une variante dans laquelle la chaleur du réfrigérant intermédiaire est véhiculée au moyen d'air;
les fïg. 4-6 représentent trois schémas de modes de réalisation possibles de l'installation suivant l'invention;
les fïg. 7 et 8 représentent schématiquement l'effet de l'application du réfrigérant intermédiaire à un compresseur à double étage.
L'installation est constituée d'un carter de turbine 1 et d'un carter de compresseur 2, dont chacun est constitué par un certain nombre de parties plus petites. Entre les carters 1 et 2 est disposée une pièce intermédiaire en forme de tube 3. Chacun des carters 1 et 2 est supporté d'une manière séparée. A l'intérieur du carter 1 est disposée une turbine axiale à étage unique 4, tandis qu'à l'intérieur du carter 2 est disposé un compresseur radial à double étage 5. La turbine 4 est suivie de deux étages de turbines axiales 6 et 7. Le rotor de cette turbine à double étage est monté sur un arbre 8. Le rotor 9 de la turbine 4 est monté sur un arbre à pièces multiples 10, avec le compresseur 5. La partie gauche de l'arbre 10 est supportée dans des paliers 11 et la partie droite dans des paliers 12.
La turbine 4 est munie d'une chambre de combustion annulaire 13 et d'un certain nombre (par exemple 16) de buses 14. L'air de combustion émanant du compresseur 5 pénètre dans le carter 1 à travers plusieurs (par exemple quatre) orifices d'amenée radiaux 15 qui débouchent dans la chambre 13. Le carter 1 présente des ouvertures 16. Entre le rotor 9 de la turbine 4 et l'étage de turbine suivant 6 est disposée une pièce de transition 17, tandis que, derrière l'étage de turbine 7, est disposé un diffuseur de sortie 18. Le support du rotor de la turbine 6 s'effectue au voisinage des extrémités de l'arbre 8 au moyen des paliers 19-20. Le palier 20 du côté droit de la fïg. 1 est un palier radial-axial combiné. Pour chaque partie d'arbre 10, l'un des paliers 11 et 12 se présente sous la forme d'un palier combiné radial-axial.
Le compresseur 5 est constitué d'un étage à basse pression, à double face 21, dont le rotor est disposé sur la portion 10 de gauche de l'arbre. Sur la même portion d'arbre, le rotor de l'étage à haute pression 22 du compresseur est monté. L'arbre à pièces multiples 10 est supporté dans des paliers 11,12 dans divers emplacements et dans
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certains de ces paliers, des forces axiales peuvent être absorbées. L'arbre 10 est en ligne avec l'arbre 8 des turbines 6, 7.
Comme on peut le voir d'après la fig. 2, l'installation est munie d'un réfrigérant intermédiaire de compression 23 qui est placé dans le socle 24 de la machine. Cette variante est destinée à être utilisée dans un lieu où de l'eau de refroidissement est disponible.
Le dessin montre en outre très schématiquement un régénérateur 25 qui est disposé entre la sortie 26 des turbines 4, 6, 7 et la conduite 27 entre l'étage de compresseur 22 et la conduite 15. En outre, à la fig. 2, le moteur de démarrage 28 et des réfrigérants d'huile de lubrification sont visibles.
La fig. 3 représente une variante munie d'un réfrigérant air/air 30. Pour plus de clarté, le régénérateur n'y a pas été figuré. Ce mode d'exécution est approprié à des situations où aucune eau de refroidissement n'est disponible, par exemple dans une zone désertique.
L'installation décrite ci-dessus permet d'obtenir une puissance de sortie élevée. En premier lieu, l'utilisation du réfrigérant intermédiaire de compression 29,30 en combinaison avec le régénérateur 25 (voir fig. 4-6) y contribue. En second lieu, l'utilisation d'une turbine axiale à étage unique 4 avec une puissance de sortie favorable de l'étage, rendue possible par utilisation du réfrigérant intermédiaire de compresion, contribue à donner à l'installation une puissance de sortie élevée. Sans la présence du réfrigérant intermédiaire, une turbine à plusieurs étages serait nécessaire. Une turbine à étage unique requiert une quantité plus faible d'air de refroidissement qu'une turbine à étages multiples, d'où il résulte que la puissance de sortie de l'installation de turbine à gaz est influencée favorablement. Dans l'installation suivant l'invention, cette combinaison est également particulièrement favorable, dans ce sens que le rapport entre la quantité d'air aspiré et la capacité de l'installation est plus faible que dans la plus grande partie des installations de turbine actuellement connues.
Afin d'augmenter la puissance de sortie de l'installation, le cycle de refroidissement intermédiaire régénératif peut être combiné avec un cycle du genre cycle de Rankine. Un tel cycle met en œuvre un système fermé comprenant un échangeur de chaleur 32, une turbine d'expansion 33, un condenseur 34 et une pompe de circulation 39 qui fonctionnent avec un milieu ayant une faible chaleur d'évaporation, tel que le fréon (voir fig. 6). Dans le mode d'exécution de la fig. 6, un cycle supplémentaire utilisant l'eau comme milieu est utilisé afin de collecter la chaleur disponible dans les gaz d'échappement, à travers un échangeur de chaleur 38 et le réfrigérant intermédiaire de compression 23 et de l'appliquer au milieu utilisé dans le cycle de Rankine, à travers un échangeur de chaleur 32. La circulation de l'eau est prévue au moyen d'une pompe de circulation 39.
Un autre avantage de l'application de ce cycle est le fait que le milieu utilisé dans le cycle de Rankine ne peut pas entrer en contact directement avec les parties chaudes de la turbine à gaz pour des raisons de sécurité. Dans certaines circonstances, l'application d'un cycle de vapeur dans la conduite de sortie, comprenant un système
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fermé composé d'une chaudière à vapeur 35, une turbine à vapeur 36 et un condenseur 37 (fig. 5) peut être favorable. Dans ce cas, le régénérateur n'est pas utilisé.
Finalement, les fig. 7 et 8 illustrent les avantages qui seront obtenus par l'utilisation d'un réfrigérant intermédiaire 23 ou 30 disposé entre les deux étages 21 et 22 du compresseur 5. Dans la partie hachurée, la fig. 7 représente la quantité de chaleur qui est encore présente dans les gaz d'échappement et sert à élever la température de l'air comprimé avant la combustion. Il apparaît à la fig. 8 que, par suite de l'utilisation du réfrigérant intermédiaire, une quantité plus grande de chaleur est disponible. Dans l'installation selon la fig. 6, la quantité de chaleur qui s'échappe dans le réfrigérant intermédiaire 23, 29 peut être encore utilisée dans le cycle d'eau entre les échangeurs de chaleur 32 et 38.
En résumé, on peut observer que l'installation selon l'invention présente divers avantages importants. Par suite de la possibilité d'utiliser un gaz à haute température du côté de l'amenée de la turbine 4, on peut augmenter la puissance de sortie (voir fig. 8). Par suite de l'utilisation du réfrigérant intermédiaire dans le compresseur 5, la puissance requise pour ce compresseur peut être fournie par la turbine axiale à étage unique 4, si bien que la turbine axiale 6,7 est totalement disponible pour la puissance à fournir par l'arbre 8. Le fait que les paliers 19,20 de l'arbre 8 soient situés dans la partie relativement froide de l'installation est également un facteur favorable.
Finalement, on a donné ci-après un exemple numérique relativement aux paramètres les plus importants d'une installation suivant l'invention:
— quantité d'air 25 kg/s
— température d'amenée de l'étage compresseur 21 15°C
— température d'échappement de l'étage compresseur 21 160°C
— température d'amenée de l'étage compresseur 22 30°C
— température d'échappement de l'étage compresseur 22 180°C
— taux de compression de l'étage 21 3:1
— taux de compression de l'étage 22 3:1
— rendement de sortie du régénérateur 25 85%
— température d'amenée de la turbine 4 1115°C
— puissance du compresseur 5 6300 kW
— puissance de la turbine 6,7 7350 kW
— nombre de révolutions de la turbine 6,7 ± 9200 tr/min
— rendement total de sortie de l'installation selon fig. 4 44,5%
— rendement total de sortie de l'installation selon fig. 5 44,5 %
— rendement total de sortie de l'installation selon fig. 6 51 %
Les applications les plus importantes de l'installation décrite sont:
1. l'entraînement de compresseurs de transport de gaz;
2. l'entraînement de pompes et de compresseurs dans la production de pétrole et de gaz;
3. la génération de l'électricité;
4. la propulsion des bateaux.
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2 feuilles dessins
Claims (6)
1. Installation de turbine à gaz dont la puissance est comprise entre 6000 et 10000 kW, comprenant un carter dans lequel sont disposés une turbine et un compresseur radial, montés ensemble sur des arbres disposés en ligne, caractérisée en ce qu'elle comprend une turbine axiale (4) à étage unique, suivie d'au moins un étage de turbine axiale (6), et un compresseur radial (5) à double étage, dont l'étage à basse pression se présente avec double face et est muni d'un réfrigérant intermédiaire de compression (23,30) et d'un échangeur de chaleur (25) dans la sortie de la turbine à gaz.
2. Installation selon la revendication 1, caractérisée en ce que deux étages de turbine axiale (6, 7) sont disposés en aval de la turbine axiale (4) à étage unique.
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REVENDICATIONS
3. Installation selon la revendication 2, caractérisée par deux arbres (8,10), le compresseur (5) accompagnant la turbine axiale (4) à étage unique étant disposé sur l'un de ces arbres (10) et les deux étages de la turbine axiale (6,7) étant disposés sur l'autre arbre (8).
4. Installation selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisée en ce qu'elle comprend une chaudière à vapeur (35) disposée à la sortie de la turbine axiale (6,7), une turbine à vapeur (36), un condenseur (37) et une pompe de circulation (39), le tout formant un circuit à vapeur fermé.
5. Installation, selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisée par un circuit fermé à cycle de Rankine disposé à la sortie de la turbine axiale (6,7) et composé d'échangeurs de chaleur (32), d'une turbine d'expansion (33), d'un condenseur (34) et d'une pompe de circulation (39), avec l'application d'un milieu ayant une température d'évaporation basse.
6. Installation selon la revendication 5, caractérisée en ce que le circuit fermé comprenant les échangeurs de chaleur (32) et la pompe de circulation (39) utilise de l'eau comme milieu.
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