Procédé thermique pour la produetiou d'énergie mécanique et turbine pour son application. Si l'on veut qu*une machine thermique. utilisant les changements d*état d'un gaz parfait, fonctionne suivant uni c@-cle de Car not théorique, faut théoriquement que l'in- troduction de' chaleur par la source chaude et la cession de chaleur là la source froide se fassent à température constante et à pres sion variable;
avec en même temps produc tion d'un travail positif ou négatif.
Cela est difficilement réalisable d'une manière rigoureuse dans la pratique. Un peut cependant se rapprocher de ces conditions théoriques en effectuant les échanges de cha leur en plusieurs étages, sous des pressions différentes, avec production de travail entre ces étages.
Les fig. 1 et 4 du dessin 'représentent deux diagrammes entropiques correspondants. dans le cas d'une machine fonctionnant avec titi flux gazeux continu.
Le gaz à fa pression atmosphérique Î o et ü la température ambiante To étant i-epi-ï',- senté par le. point P, on lui fait d'abord subir une compression adiabatique PA qui l'amène à la pression pi et à, la température T.
Le gaz est alors chauffé à la pression constante pi jusqu'à ce qu'il atteigne la teni- pérature T@. Cette transformation, qui ne correspond pas à une production de travail, est représentée sur le diagramme par la courbe AB.
On peut tracer d'avance sur la feuille du diagramme nu réseau de courbes donnant la température cri fonction de l'en tropie < < pression constante. Ces courbes pour diverses valeurs de la pression sont identi ques entre elles, elles sont simplement déca lées parallèlement à l'are des entropies, d'une quantité constante si on les trace pour des valeurs de la pression variant en progression géoiné trique.
Le gaz est ensuite détendu adiabatique- nJCut suivant B C jusqu'à la pression 1)2, de niani@re que la température s'abaisse à la valeur Ti.
Il y a alors production d'une cer taine quantité de travail proportionnelle ir la chute de température T=-Ti. Le gaz est ensuite réchauffé à nouveau de T ix, T=, sui vant<I>CD,</I> à pression constante pL,, détendu jusqu'à Ta, Ti suivant<I>DE,</I> réchauffé à pres sion constante ps jusqu'à Ta suivant <B>E F.</B> (Dans la fig. 1,
on n'a envisagé qu'une com bustion en trois étages, mais il est. bien évi dent due ce nombre d'étages pourrait être différent.) Le gaz est ensuite détendu adiabatique- ment jusqu'à une pression p., correspondant à une certaine température T'o, puis refroidi à pression constante p 'i jusqu'à Ti, suivant r%H. Si T'o était infiniment voisin de T@. le point H viendrait en (_T' et pour continuer suivant le cycle de Carnot théorique,
il fau drait comprimer isothermiqueinent jusqu'à atteindre la pression initiale po. Pratique ment, il sera plus facile d'effectuer nue séi#ie de compressions adiabatiques entre les tem pératures To et T'0, séparées par des échan- (Xes de chaleur à pression constante avec la source froide, suivant HI.I Ii <I>G</I> 1I:4 <I>0 P;</I> on.voit que le diagramme se présente sous la forme d'une série de dents de scie.
Si l'on prend l'ordonnée moyenne des dents de scie relatives à la source chaude, et l'ordonnée moyenne de celles relatives à la source froide, on obtiendra le diagramme rectangu laire d'un cycle de Carnot théorique ayant même rendement thermique que le cycle considéré. On voit que les limites de tem pérature de ce cycle fictif sont approxïniati- vement:
EMI0002.0034
<I>T <SEP> i <SEP> <U>-f <SEP> - <SEP> T <SEP> 2</U></I>
<tb> - <SEP> <U>o</U> <SEP> pour <SEP> la <SEP> source <SEP> chaude <SEP> et <SEP> <U>r#</U><I>, <SEP> _ <SEP> 1 <SEP> _ <SEP> 1"0</I>
<tb> <U>d</U> <SEP> - pour la source froide.
<B>T'a</B> sera d'autant plus voisin de To que le nombre d'étages de compression sera plus grand.
Il en résulte une diminution notable dit rapport de travail de compression au travail utile, ce qui présente un avantage considé rable au point de vue du rendement.
La caractéristique de la présente inven tion réside dans le fait que les réchauffages successifs sont réalisés par combustion éta gée, c'est-à-dire que la combustion d'une masse donnée de combustible s'effectue en plusieurs fois dans raie masse d'air donnée, qui peut être notablement supérieure à la proportion habituelle et assurer ainsi une combustion complète.
La présente invention a pour objet éga lement une application de ce procédé à une turbine à combustion, dans laquelle on a cherché à réaliser ce cycle en dents de scie avec combustion étagée, en disposant conve nablement les éléments de turbine sur les quels agit le courant gazeux pour produire la puissance mécanique mise en jeu par les détentes et les compressions successives, et en intercalant entre ces éléments des dispo sitifs pour les échanges de chaleur à pression constante avec la source chaude et avec la source froide.
Aux fig. '? et 3 du dessin ci-joint sont représentées à titre d'exemples, en coupe schématique, deux formes de réalisation de l'objet de l'invention.
Les détentes adiabatiques s'effectuent dans des tuyères ti, <I>12,</I> ts, où les gaz acquièrent prie certaine vitesse transformée cri travail par- les aubages mobiles des roues ri, t du type à action). Ces aubes ne seront sou mises qu'à la température Ti des gaz à la fin de la détente, qui pourra être inférieure à la température du rouge saris entrainer pour le rendement du cycle une valeur inac ceptable.
J'a source chaude est constituée par les chambres de combustion ci, c2, c3 où le com bustible injecté par les conduites ii, i::, i3 vient brûler dans le courant d'air consti tuant le fluide moteur de la turbine, et por ter sa température à la valeur T2. Bien que;
dans les chambres c2 et c3 l'air se trouve mêlé à des gaz brûlés, la combustion s'effec tue cependant facilement en raison du grand excès d'air que le cycle peut comporter tout cri maintenant à la température T2 une va leur assez élevée. Cette valeur sera limitée par les conditions de bonne conservation des revêtements réfractaires des chambres de combustion et des compartiments attenants.
Les tuyères de détente sont constituées dans leur partie antérieure par une matière réfractaire (carborundum, par exemple), et dans leur partie postérieure où la tempéra- tore sera voisine de Ti. par des cubages métalliques donnant ait courant gazeux une direction appropriée par rapport aux cubages mobiles. Les gaz, à la sortie des cubages mobiles, traversent les diffuseurs d,, d-_,. d:; destinés à transformer en pression la plus 'r1ande partie de la vitesse restante.
Le nom bre d'aubages de ehacune des roues dépen dra de leur vitesse périphérique et de la. chute de température T= 1r. <I>Ti,</I> qui déter mine la vitesse des gaz à la sortie des tuyères. l'a présence des diffuseurs di<I>d_</I> d:, permet d*augmenter le rapport entre la vitesse des gaz et la vitesse périphérique.
La perte au joint, due à la différence de pression à l'en trée et à la sortie du diffuseur, n'aura qu'une influence minime sur le rendement.
Les compressions adiabatiques seront réa lisées par titi dispositif inverse de celui des détentes. Les cubages directeurs d'i, d'_, d'4, d':, et d',;
conduisent les gaz sur les am bages des roues r'i, Ï"_, î's, î'4, r':, et r',; qui leur impriment une grande vitesse, transfor- inée en pression dans les cubages diffuseurs t',. t'_. <I>t'a,</I> t'4, t':. et Comme l'écart de tem pérature relatif aux étages de compression est beaucoup plus faible que celui relatif à. la détente, les roues pourront n'avoir cha cune qu'une seule rangée d'aubes.
Elles pour ront être du type à action, de manière à réduire le nombre d'étages pour titi rapport de compression donné. Pour la. dernière com pression, qui doit être adiabatique, la roue i-',; pourra comporter plusieurs cubages, l'é cart de température T, à Tu étant assez élevé. Entre les différents étages de com pression, les gaz passeront par des réfrigé rants RR.., qui peuvent être constitués, par exemple, par des faisceaux tubulaires avec circulation d'eau, ou par titi système de jets d'eau, produits par un jeu de pompes ap proprié.
En raison de l'augmentation du volume spécifique des gaz par les détentes succes sives, la section des cubages ira en augmen tant à mesure que la pression diminue. Le rapport des sections extrêmes sera d'autant plus grand que la détente sera poussée plus loin. Si l'on veut (lue les divers éléments de la turbine aient un rendement satisfaisant, il faudra autant que possible réaliser l'ad mission totale à. tous les étages.
Dans ce but, si le degré de détente est très élevé (ce ,lui constitue un avantage au point de vue du rendement), il y aura intérêt à diviser la turbine en deux parties de vitesses et de diami'Ires différents, accouplées par engre nages ou électriquement de marnière à avoir aux étages à haute pression une proportion satisfaisante entre la section des distribu teurs et la surface de la roue.
C'est la for- nie de réalisation due représente la fig. 3 du dessin ci-joint, dans lequel la turbine est divisée en deux parties, renfermant chacune une partie des étages de détente et une par tie des étages de compression.
Les deux portions de la turbine sont accouplées à l'aide d'engrenages L, par exemple.
Si les étages de compression et de dé tente de la turbine 11i sont convenablement choisis, l'organe d'accouplement n'aura it transmettre qu'une faible fi-action de la puis sance totale. D'autre part, les ambages mo biles de la turbine ZI_ seront torrs à basse température.
L'intérêt du degré de détente au point de vue du rendement est mis en évidence sur le diagramme de la fig. -l, qui repré sente le cycle thermo-d' vnamique, cri tenant compte des pertes d'énergie des différents éléments de la turbine. Les détentes et com pressions adiabatiques ne s'effectuent pas en réalité suivant une droite parallèle à l'axe des T, ruais suivant une courbe plus oui moins inclinée. La chaleur fournie est représentée par les surfaces cernées d'un trait plein.
La chaleur cédée à la source froide est repré sentée par la surface cernée d'un trait mixte, oit les régions hachurées doivent être comp tées deux fois. On obtiendra par différence la quantité de chaleur transformée en tra vail.
()n voit immédiatement sur ce dia- granrine que l'importance relative de la perte d'énergie <I>a</I> G <I>c</I> d dans la dernière détente et e j' <I>y h.</I> dans la dernière compression diminue si la distance des abcisses extrêmes du cycle augmente, c'est-à-dire si le degri@ de détente @ici,
inente. La pression ininiina pourra être inférieure à la pression atuios- phérique. On ne sera limité dans ce sens que par les conditions d'encombrement de la turbine. La pression maxima sera détermi née par des conditions de résistance inéca- nique.
La pression atmosphérique peut corres pondre à celle d'un étage quelconque. les valeurs relatives des pressiuiis des différents étages étant conservées. autrement dit les pressions étant toutes modifiées dans le iné- me rapport. Le diagramme ne serait pas changé, il serait simplement déplacé paral lèlement à l'axe des entropies. La quantité de chaleur à introduire dans les chambre de combustion serait modifiée en proportion de la pression.
Il en résulte que l'on aura un moyen très simple de régler la pnissauce entre des limites très étendues, sans changer la vitesso de rotation ni modifier sensiblement la répar tition des températures, le rendement de la turbine restant à peu prés constant ît tou tes charges.
Il suffira pour cela de munir les diffé rents étages de compression de vannes<I>a., a, a...</I> <I>et b, b,</I> b... (fig. 3), permettant de les mettre en relation, d'une part, avec l'atmosphère et, d'autre part, avec la conduite d'évacuation G des gaz brûlés.
Ces vannes seront fermées à tous les étage:, sauf ir celui dans lequel on veut établir une pression égale à la pres sion atmosphérique. ,Si, par exemple, on met en communication avec l'atmosphère un étage où la pression à la charge normale est de kg par cm2@ toutes les pressions des dif férents étages seront diminuées de moitié.
Si l'on réduit égaleraient de JO o o l'admission de combustible, de manière à, conserver les mêmes limites de température, la puissance de la turbine sera la moitié de la puissance normale et le rendement sera le inéme qu'à pleine charge. La construction et la manoeu- vre des vannes ne présentera pas de diffi cultés, puisqu'elles seront à la température ambiante et n'auront à supporter que des différences de pression de l'ordre de gran deur de la pression atmosphérique.
La varia tion de la puissance entre deux échelons de pression successifs s'obtiendra en modifiant l'admission de combustible; la répartition des températures sera légèrement modifiée, sans altérer sensiblement le rendement. Ce mode de réglage de la puissance par variation pro portionnelle des pressions dans tous les éta ges permettra de donner à la turbine une capacité de surcharge considérable, qui rie sera limitée due par les conditions de résis tance mécanique aux pressions mises en jeu.