Procédé pour la production de force motrice au moyen d'une turbine à combustion. L'objet de l'invention est un procédé pour la production de force motrice au moyen d'une turbine à combustion.
L'on comprend sous le nom général de turbines à combustion toutes les machines productrices de force motrice clans lesquelles on utilise au moyen d'une turbine l'expan.- Sion des gaz produits par la combustion d'un combustible quelconque, soit à gaz, huile, goudron, pétrole, essence, charbon en poudre, matière explosive, etc. L'on sait que les tur bines à combustion, appelées aussi turbines à gaz, se divisent en deux classes principales: Les turbines à pression constante et les turbines à explosions.
La présente invention s'applique égale ment bien à ces deux classes de turbines. Selon le procédé faisant l'objet de l'inven tion, on fait détendre les gaz, dans une tur bine à combustion, après leur combustion, jusqu'à une pression beaucoup plus basse que la pression atmosphérique, on n'utilise qu'une partie de la grande vitesse acquise par leur expansion ainsi poussée jusqu'à une très basse pression, de façon à leur laisser, à leur sortie de la roue ou de la, dernière roue mobile de la turbine, une grande vitesse absolue de sor tie, enfin on utilise cette vitesse restante des gaz pour leur propre compression jusqu'à la pression atmosphérique, en les faisant entrer à leur sortie de la roue mobile de la turbine dans un canal formant éjecteur, où la vitesse des gaz se transforme en pression,
cette der nière compression des gaz ayant lieu à la plus basse température possible.
La figure unique du dessin annexé re présente en vue de côté, à titre d'exemple et de façon purement schématique, une roue d'une turbine servant à la mise en #rrvre du procédé: Cette roue est enfermée clans une bâche m., étanche par rapport à l'atmosphère en vironnante. 1i b sont les aubes de cette roue et c est son axe de rotation. d est une chambre .de combustion ou d'explosion dans laquelle de l'air comprimé -pénètre par le tuyau h, et du combustible, du pétrole par exemple;
par le tuyau g. Ce pétrole est allumé par un sys tème quelconque, non repnsenté sur la fi gure, et brûle en une flamme f. t est -une tuyère d'expansion par où sortent les gaz brûlés. e est un. canal formant éjecteur, placAl en face de l'endroit où les gaz sortent de la roue. Ce canal-éjecteur débouche en n dans l'atmosphère environnante. Enfin i est un tuyau d'amenée d'eau de refroidissement dans le canal-éjecteur.
Le fonctionnement de la turbine s'ex plique de lui-même: Les gaz, après leur combustion ou leur explosion dans la chambre d, se détendent dans la tuyère t jusqu'à une pression très basse, de beaucoup inférieure à la pression atmosphérique. Ils sont alors animés d'une très grande vitesse. En traversant les aubes b clé la roue a, les gaz abandonnent une partie de cette vitesse à la roue, sous forme clé tra vail utile; mais comme la vitesse périphérique de la roue n'est qu'une petite fraction de la, vitesse absolue des gaz, par exemple 0, 15 à 0, 220, ces gaz conservent une grande vitesse absolue de sortie.
Doués de, cette grande vi tesse clé sortie, les gaz entrent dans le canal- éjecteur e; ils y sont refroidi par l'eau de refroidissement amenée par le tuyau i, et ils transforment leur vitesse en pression, clé façon à ce qu'ils sortent en n à la pression atmosphérique. Ils sont alors évacués par des tuyauteries appropriées qui ne sont pas indi quées sur la figure. Dans la bâche m. règne naturellement la mène basse pression atteinte par les gaz à la fin de leur expansion dans la tuyère t.
Car dès le début clé la marche de la turbine, l'air contenu dans la bâche est entraîné par les gaz sortant par le canal- éjecteur e An moment clé la mise en marche de la turbine, il pourra cependant être néces saire de créer un certain vide clans la bâche m; on créera ce vide au moyen d'un éjecteur spécial ou d'une pompe auxiliaire, qui ne sont pas indiqués sur la figure, et qui seront mis ensuite hors d'action dès que le régime nor mal clé marche clé la turbine se sera établi.
Les avantages du présent procédé sont multiples: D'abord l'expansion des gaz jusqu'à une très basse pression amène ces gaz à une tem pérature relativement basse. Par exemple, si l'on brûle à pression constante du pétrole avec 1,75 fois le volume d'air théoriquement né- cessaire à la combustion, sous une pression clé 10 kg par centimètre carré, et si l'on pousse l'expansion des gaz après la combustion jusqu'à 0,1 kg par centimètre carré, ces gaz qui ont brûlé à une température clé 1700 de grés absolus descendront à une température de moins de 600 .degrés absolus, soit environ <B>300</B> degrés centigrades, à la. fin clé leur ex pansion adiabatique.
L'on n'aura ainsi pas besoin de refroidir artificiellement ni les gaz, ni les aubes de la turbine, et l'on réalisera. un bon rendement thermique par suite de la grande chûte de température ainsi obtenue sans refroidissement artificiel.
Puis le rendement de la turbine elle-même sera amélioré, puisque la roue de turbine aura à absorber une partie seulement de l'énorme vitesse acquise par les gaz pendant leur ex pansion. Dans l'exemple précédent, si l'on admet une perte par frottement de 10 pour cent de l'énergie .dans la, tuyère d'expansion. les gaz auront une vitesse de environ 1540 m par seconde à, la, sortie de la tuyère. Dans une turbine ordinaire, il faudrait une roue genre Curtis avec. deux ou trois étages (le vitesse pour absorber une telle vitesse, 'et l'on sait que ce genre de roues n'a pas un très bon rendement.
Tandis qu'en appliquant le pré sent procédé, il suffit d'une roue simple avec une vitesse périphérique de 280 m par se conde, en admettant une perte de 10 pour cent de la vitesse relative entre l'entrée et la sortie des aubes, pour que la vitesse absolue de sortie atteigne environ 885 mètres par .seconde. Or c'est l'ordre de grandeur que cette vitesse absolue de sortie devra avoir pour que les gaz puissent se comprimer de 0,1 kg par cen\irnètre carré jusqu'à.
la pression atmosphérique dans l'éjecteur, en admettant qu'ils perdent inutilement la. moi tié de leur énergie pendant cette compression. autrement dit en admettant que le rendement de l'éjecteur soit seulement de 0,50. Un troisième avantage de l'invention est -que la roue tourne dans un milieu où la pres sion est maintenue très basse, soit 0,1 kg par centimètre carré dans l'exemple précité, et que par conséquent les pertes par frottement du disque de la roue et par ventilation sont fortement diminuées. De là une nouvelle amé lioration du rendement de la turbine.
Pour que l'éjection des gaz dans l'éjecteur, c'est-à-dire la transformation de leur propre vitesse en pression se fasse avec le moins de travail possible, il faut que leur température soit maintenue aussi basse que possible. Pour cela, on pourra refroidir les parois de l'éjec- teur au moyen d'une circulation d'eau. L'on obtiendra un effet plus énergique en injec tant de l'eau de refroidissement dans les gaz à leur entrée dans le oanal-éjecteur. En in jectant suffisamment d'eau froide, on pourra obtenir que les gaz sortant de la roue des cendent à une température voisine de la tem pérature de l'eau, et que tout le travail de compression des gaz jusqu'à la pression at mosphérique se fasse à cette basse tempéra ture.
Pour que l'eau injectée puisse remonter de la basse pression qui règne à l'entrée de l'éjecteur jusqu'à la pression atmosphérique à la sortie de l'éjecteur, il faudra donner à cette eau une vitesse suffisante en l'injectant après l'avoir mise sous pression, et en 1a diri geant vers la sortie de l'éjecteur. L'eau se com portera alors comme clans une trompe (appa reil destiné à faire le vide au moyen d'un courant d'eau) et transformera sa vitesse en pression, dans l'éjecteur, tout comme les gaz eux mêmes. Le calcul montre qu'il faudra une puissance très faible, relativement à la puissance de la turbine, pour mettre ainsi l'eau de refroidissement sous une pression préalable suffisante.
D'ailleurs les gaz, ayant une très grande vitesse dans l'éjecteur, ten dront là entraîner les gouttelettes d'eau par frottement, et leur communiqueront ainsi une certaine vitesse, qui sera probablement à elle seule suffisante pour que l'eau injectée puisse remonter de la basse pression qui règne à l'entrée de l'éjecteur jusqu'à la pres sion atmosphérique. En supposant ce cas réalisé, l'on aura avantage à injecter l'eau obliquement ou perpendiculairement par rap port à la direction des gaz, parce qu'alors les gaz avec leur très grande vitesse, diviseront l'eau en gouttelettes extrêmement petites, ce qui facilitera le refroidissement uniforme des gaz.
L'on pourra, dans une turbine de puis sance donnée, faire brûler le combustible dans une série de chambres de combustion ou d'ex plosion distinctes, placées en cercle contre la face antérieure de la turbine (supposée une turbine axiale). A chaque chambre corres pondra une ou plusieurs tuyères d'injection, ou plusieurs canaux directeurs amenant les gaz sur la ou les roues de la turbine:
Les gaz sortant de la roue -ou de la .dernière roue de la turbine, avec une vitesse .restante suffisam ment grande, entreront dans une série de canaux formant éjecteurs, qui seront placés et dimensionnés de façon ù recevoir directe ment les ;gaz et le mieux possible, c'est-à-dire avec le moins de remous possible. A chaque chambre de combustion ou d'explosion pourra.
correspondre un seul canal-éjecteur, ou bien l'on pourra disposer plusieurs canaux-éjec- teurs pour chaque chambre .de combustion ou d'explosion, ou bien nu contraire un seul canal-éjecteur pour plusieurs chambres de combustion ou d'explosion.
En augmentant- le nombre des chambres -de combustion ou d'ex plosion l'on arrivera à une -limite, où les tuyères d'injection des gaz se toucheront tou tes, et formeront une véritable courtine direc trice fixe, tandis qu'à la sortie les canaux" d'éjection se toucheront également tous, et formeront à leur tour une sorte de couronne- éjectrice fixe.
S'il s'agit d'une turbine axiale, ces canaux-ejecteurs seront gauches par rap- port à l'axe de la turbine, comme il est in diqué sur la fig. 1, car ils .devront avoir la direction de la vitesse absolue de sortie des gaz, laquelle sera en général gauche par rap port à l'axe de la turbine. A !cette limite, la roue de la turbine sera traversée par les gaz sur toute sa circonférence, et la turbine sera dite "à injection totale", ce qui améliorera encore son rendement.
L'on pourra atteindre cette limite favorable :déjà pour :des unifés de puissance relativement faible, parce que le volume spécifique :des- gaz brûlés sera très grand, à cause de la basse pression à laquelle ils traversent la roue, ce qui représente un nouvel avantage de l'invention.
Dans les canaux-éjecteurs, les gaz brûlés encore chauds se trouveront en contact avec l'eau de refroidissement; et il pourra se for mer par ce contact des acides, par exemple, de l'acide sulfurique, qui attaquent les métaux usuels tels que la fonte de fer. Pour obvier à cet inconvenient, il suffira de \revêtir l'in térieur des canaux-éjecteurs ou de former les parois de ces canaux avec une matière ou un métal résistant à l'action de ces acides, par exemple avec du plomb ou un alliage de plomb. Comme ces canaux sont fixes, ne su bissent aucun effort mécanique sauf le frotte ment des gaz, et ont seulement à résister à la pression atmosphérique extérieure, un tel revêtement est aisé et ne présente pas d'in convénient.
Pour faire varier la puissance d'une tur bine servant à la suite en oeuvre du procédé, il suffit de faire varier la quantité de com bustible brûlé par unité de temps, sans faire varier en même temps la quantité d'air en voyée dans la chambre de combustion d'ex plosion. Car si la quantité de combustible brûlé diminue pour une même quantité d'air, la température de combustion diminuera, et la vitesse des gaz à la fin de leur expansion dans la tuyère diminuera également. Par contre, la vitesse de la roue devant rester constante, il s'ensuit que la vitesse absolue de sortie des gaz de la roue diminuera aussi.
De sorte que la pression augmentera dans la, bâche de la turbine, puisque la vitesse des gaz à. l'entrée de l'éjecteur ayant diminué, cette vitesse ne pourra plus créer une diffé rence de pression aussi considérable entre l'entrée et la sortie de l'éjecteur. Mais cette augmentation dé la pression dans la bâche ne produira pas une augmentation dangereuse (le température pour les gaz à la sortie de la tuyère, puisque à l'entrée de la tuyère ré gnera une température moins élevée elle- aussi La température des gaz clans la roue, et par conséquent la température de la roue elle-même ne variera que peu Le rendement de la turbine baissera naturellement avec sa puissance,
puisque la puissance absorbée par le compresseur d'air restera la même.
L'on pourra aussi faira varier la puis sance de la turbine en mettant hors d'action les chambres de combustion ou d'explosion l'une après l'autre. Dans ce cas, il faudra fer mer en même temps et au fur et à mesure les canaux-éjecteurs correspondant aux chambres de combustion ou d'explosion mises hors d'ac tion, afin que l'air à la pression atmosphé rique ne rentre pas dans la bâche par ces canaux-éjecteurs dans lesquels ne passent plus les gaz.
Enfin l'on pourra combiner ces deux sys tèmes l'un avec l'autre de diverses manières. Une combinaison avantageuse sera de dimi nuer la puissance de la turbine en mettant les chambres de combustion ou d'explosion suc cessivement hors d'action, et en diminuant la quantité de combustible brûlé par unité de temps dans l'intervalle entre la mise hors d'action successive de deux chambres. Au moment où une chambre sera mise hors d'ac tion et le canal-éjecteur correspondant fermé, on ramènera la quantité de combustible brûlé par unité de temps à sa valeur normale. De cette manière, l'on pourra obtenir toute la. gamme des puissances en conservant le meil leur rendement possible.
Il sera du reste utile, d'une manière gé- néale, de prévoir une fermeture automatique à la sortie de chaque canal-éjecteur pour sé parer chaque éjecteur de l'atmosphère, toutes les fois que la chambre de combustion - ou d'explosion correspondante cessera, pour une raison quelconque, d'envoyer à l'éjecteur des gaz ayant une vitesse suffisante pour vaincre la contre-pression. atmosphérique.
Si l'on cal\ëule le rendement thermique de 1a turbine citée plus- haut à titre d'exemple, c'est'à-clire d'une turbine à, pression constante brûlant clu pétrole avec 1,75 fois le poids d'air théoriquement ' nécessaire à la combustion, souk une pression de 10 lçg par centimètre carré, et où les" gaz brûlés se détendent" d'a près la présenté invention jusqu'à une pres sion de -0,1 kg par centimètre carré "dans la tuyère d'expansion, traversent la roue mo- trice, puis se recompriment à la pression at mosphérique au moyen de leur vitesse res tante à la sortie de la roue,
l'on trouve un rendement effectif total rapporté à la chaleur (le combustion du pétrole d'environ 0,20. Ce rendement est calculé en admettant pour la turbine, tuyère et roue, un rendement de 0,70 avec une vitesse périphérique de la roue de 280 m par seconde, pour le compresseur d'air actionné par la turbine un rendement isother- mique clé 0,65 et pour l'éjecteur un rendement de 0,50, et en admettant que l'éjection, soit la compression des gaz brûlés jusqu'à la pres sion atmosphérique, s'effectue à la tempéra ture d'environ 30 degrés centigrades. Les chiffres ci-dessus admis pour les rendements de chaque partie ne sont pas des maxima. Pour l'éjecteur notamment, il est probable qu'on arrivera facilement à dépasser le ren dement admis ici, soit 0,50.
Or 10 pour cent de gagnés sur le rendement de l'éjecteur cor respondraient à un gain de plus de 2,5 pour cent sur le rendement total, les autres rende menu restant les mêmes. Ceci montre que l'invention revendiquée est susceptible de provoquer de grands progrès dans le dévelop pement des turbines à combustion.