FR2533628A2

FR2533628A2 - Energy production installation with free piston generator

Info

Publication number: FR2533628A2
Application number: FR8216225A
Authority: FR
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1978-07-26
Filing date: 1982-09-27
Publication date: 1984-03-30
Also published as: FR2533628B2

Abstract

The installation comprises a free piston gas generator with a plurality of compressor compartments and drive cylinders 5, 6 and a power gas turbine 25 which receives the exhaust gases from the drive cylinders. The compressors 3a of a first division are fed with air by a rotary compressor 20 by way of a first air cooler 22 and supply hot compressed air which is partially sent to an auxiliary turbine 27, whilst the compressors 3n belonging to the second division are fed by the rotary compressor by way of a second cooler 23 and feed the drive cylinders by way of a third cooler 24. Means 40, 41 reheat the hot compressed air before it is sent to the turbine 27.

Description

Installation de production d'énergie à générateur à pistons libres
La présente invention concerne les installations de production d'énergie comprenant un générateur de gaz à pistons libres à plusieurs compartiments compresseurs et au moins un cylindre-moteur et une turbine à gaz qui reçoit les gaz d'échappement du cylindre moteur ou des cylindres moteurs.Free piston generator power plant
The present invention relates to energy production installations comprising a free piston gas generator with several compressor compartments and at least one engine cylinder and a gas turbine which receives the exhaust gases from the engine cylinder or engine cylinders.

Le brevet FR 78 22168 décrit et revendique une installation de ce genre, dont les compartiments compresseurs sont répartis en une première fraction et une seconde fraction, les compartiments compresseurs de la première fraction étant alimentés en air par un compresseur rotatif à travers un premier refroidisseur a'air et fournissant de l'air comprimé chaud qui est, au moins partiellement, envoyé à une turbine auxiliaire tandis que les compartiments compresseurs appartenant à la seconde fraction sont alimentés par un compresseur rotatif à travers un second refroidisseur et alimentent le cylindre moteur ou les cylindres moteurs à travers un troisième refroidisseur. En général, le même compresseur rotatif alimentera tous les compartiments compresseurs et sera entrainé par la turbine auxiliaire. Patent FR 78 22168 describes and claims an installation of this kind, the compressor compartments of which are divided into a first fraction and a second fraction, the compressor compartments of the first fraction being supplied with air by a rotary compressor through a first cooler a air and supplying hot compressed air which is, at least partially, sent to an auxiliary turbine while the compressor compartments belonging to the second fraction are supplied by a rotary compressor through a second cooler and supply the engine cylinder or the engine cylinders through a third cooler. In general, the same rotary compressor will supply all the compressor compartments and will be driven by the auxiliary turbine.

Dans le mode particulier de réalisation décrit à titre d'exemple dans le brevet FR 78 22168, la portion de l'air comprimé chaud qui n'est pas envoyée à une turbine auxiliaire est mélangée aux gaz d'échappement pour alimenter la turbine à gaz de puissance.In the particular embodiment described by way of example in patent FR 78 22168, the portion of the hot compressed air which is not sent to an auxiliary turbine is mixed with the exhaust gases to supply the gas turbine power.

Une telle installation permet d'utiliser dans de bonnes conditions l'air fourni par les compartiments compresseurs en excès par rapport à ce qui est nécessaire au fonctionnement dans de bonnes conditions des cylindres moteurs. Such an installation makes it possible to use in good conditions the air supplied by the compressor compartments in excess relative to what is necessary for the operation in good conditions of the driving cylinders.

Mais l'air comprimé chaud obtenu à la sortie des compartiments compresseurs de la premièrefraction est à une température nettement inférieure à celle des gaz de combustion et il est même souhaitable, à puissance donnée d'un cylindre compresseur, d'aug
menter le débit d'air qutil fournit plutôt que la surpres-
sion pour limiter les problèmes thermiques à la sortie des
cylindres compresseurs. Le mélange direct avec les gaz
d'échappement des cylindres moteurs n'est donc pas totalement
satisfaisant.However, the hot compressed air obtained at the outlet of the compressor compartments of the first fraction is at a temperature much lower than that of the combustion gases and it is even desirable, at a given power of a compressor cylinder, to increase
lie about the air flow it provides rather than the overpressure
to limit thermal problems at the outlet of
compressor cylinders. Direct mixing with gases
engine cylinder exhaust is therefore not completely
satisfactory.

L'invention vise à fournir une installation permet
tant d'utiliser Il air en excès fourni par les compresseurs
avec un meilleur rendement thermodynamique. Elle vise au
surplus , dans un mode de réalisation particulièrement avan
tageux, à ajouter à l'installation un cycle haute pression
supplémentaire ne mettant en oeuvre que des moyens classiques, donc parfaitement fiables, augmentant, pour un dimensionnement
donné du générateur à pistons libres, la puissance plafond et la sou
plesse de fonctionnement.The invention aims to provide an installation allows
so much to use there excess air supplied by compressors
with better thermodynamic efficiency. It aims at
surplus, in a particularly advanced embodiment
tageux, to add to the installation a high pressure cycle
additional using only conventional means, therefore perfectly reliable, increasing, for sizing
given of the free piston generator, the ceiling power and the penny
operating plesse.

Dans ce but, l'invention propose notamment une ins
tallation du genre ci-dessus défini comportant des moyens
pour réchauffer l'air comprimé chaud avant envoi à la tur
bine auxiliaire et, éventuellement, à la turbine à gaz.To this end, the invention notably proposes an ins
tallation of the kind defined above comprising means
to warm the hot compressed air before sending to tur
auxiliary bine and possibly the gas turbine.

Ces moyens de réchauffe peuvent notamment comporter
un échangeur de chaleur avec les gaz d'échappement de la
turbine à gaz de puissance et/ou une chambre de combustion
du type couramment utilisé dans les installations à turbine
à gaz. Dans une installation ayant un cycle haute pression
supplémentaire, les moyens de réchauffe sont incorporés à une boucle
haute pression qui comprend un compresseur haute pression et une turbine
calés sur le même arbre, indépendant de celui de la turbine à gaz de
puissance, les moyens de réchauffe, qui comportent alors une chambre de
combustion, étant placés entre compresseur et turbine haute pression.These heating means may in particular include
a heat exchanger with the exhaust gases from the
power gas turbine and / or a combustion chamber
of the type commonly used in turbine installations
gas. In an installation with a high pressure cycle
additional, the heating means are incorporated into a loop
high pressure which includes a high pressure compressor and a turbine
wedged on the same shaft, independent of that of the gas turbine of
power, the heating means, which then include a
combustion, being placed between compressor and high pressure turbine.

En général, l'énergie apportée par les moyens de
chauffage se retrouvera sous forme d'une élévation de pres
sion qui amène les gaz à la sortie de la turbine à une
pression supérieure à celle des gaz d'échappement du compar
timent ou des compartiments moteurs. Dans ce cas, la pression
des gaz provenant de la turbine haute pression sera ramenée
à la même valeur que les gaz de sortie des compartiments
moteurs dans une turbine d'équilibrage qui peut notamment être montée soit sur le même arbre que la turbine à gaz de puissance, soit sur un arbre d'entratnement d'un compresseur ou d'un corps de compresseur rotatif alimentant une fraction ou les fractions de compartiments compresseurs.In general, the energy provided by the means of
heating will be found in the form of an increase of almost
sion which brings the gases out of the turbine to a
pressure higher than that of the compar exhaust
or engine compartments. In this case, the pressure
gases from the high pressure turbine will be brought back
at the same value as the exit gases from the compartments
engines in a balancing turbine which can in particular be mounted either on the same shaft as the power gas turbine, or on a drive shaft of a compressor or of a rotary compressor body supplying a fraction or the fractions compressor compartments.

L'invention sera mieux comprise à la lecture de la description qui suit de modes particuliers de réalisation, donnés à titre d'exemples non limitatifs. La description se réfère aux dessins qui l'accompagnent, dans lesquels
- la Figure 1 est un schéma montrant une installation dérivant de celle décrite dans le brevet 78 22168 par la simple adjonction de moyens de réchauffe,
- la Figure 2 est un schéma montrant un autre mode de réalisation de l'invention, comprenant un cycle haute pression,
- les Figures 3 et 4 montrent divers montages possibles de la turbine d'équilibrage.The invention will be better understood on reading the following description of particular embodiments, given by way of nonlimiting examples. The description refers to the accompanying drawings, in which
FIG. 1 is a diagram showing an installation deriving from that described in patent 78 22168 by the simple addition of heating means,
FIG. 2 is a diagram showing another embodiment of the invention, comprising a high pressure cycle,
- Figures 3 and 4 show various possible assemblies of the balancing turbine.

La figure 1 montre une installation dont la disposition générale est la même que celle du brevet FR 78 22168. FIG. 1 shows an installation whose general arrangement is the same as that of patent FR 78 22168.

Les organes correspondant à ceux déjà décrits dans ce brevet porteront en conséquence les mêmes numéros de référence.The bodies corresponding to those already described in this patent will therefore bear the same reference numbers.

L'installation schématisée en figure 1 comporte un générateur à pistons libres qui peut être un générateur multi-tandem du genre montré dans le brevet déjà mentionné. The installation shown diagrammatically in FIG. 1 comprises a free piston generator which can be a multi-tandem generator of the kind shown in the patent already mentioned.

La figure montre deux cylindres compresseurs 3a et 3n dans lesquels les pistons compresseurs 2a et 2n limitent des compartiments de compression. Le piston 2n est mécaniquement couplé à deux pistons moteurs 7 placés l'un dans un cylindre moteur 5, l'autre dans un cylindre moteur 6. Le piston 2a est couplé mécaniquement à des pistons 8 placés-également dans les cylindres 5 et 6.The figure shows two compressor cylinders 3a and 3n in which the compressor pistons 2a and 2n limit compression compartments. The piston 2n is mechanically coupled to two driving pistons 7 placed one in a driving cylinder 5, the other in a driving cylinder 6. The piston 2a is mechanically coupled to pistons 8 also placed in the cylinders 5 and 6.

Les compresseurs 3a et 3n sont alimentés par un compresseur rotatif de suralimentation 20, respectivement par l'intermédiair-e de refroidisseurs d'air 22 et 23, ce dernier imposant à l'air qui le traverse une baisse de température plus importante que le refroidisseur 22. L'air refoulé du compresseur 3n traverse un troisième refroidisseur 24 avant d'être admis dans les cylindres moteurs 5 et 6 par des lumières d'admission et de balayage. Les gaz d'échappement des cylindres moteurs sont envoyés à une ou plusieurs turbines à gaz 25 entraînant un ou plusieurs alternateurs 26. Des vannes de réglage sont prévues pour que la quantité d'air admise aux cylindres moteurs assure une combustion et un balayage satisfaisants et sans surchauffe. The compressors 3a and 3n are supplied by a rotary supercharging compressor 20, respectively by the intermediary of air coolers 22 and 23, the latter imposing on the air passing through it a drop in temperature greater than the cooler 22. The air discharged from the compressor 3n passes through a third cooler 24 before being admitted into the engine cylinders 5 and 6 by intake and scanning lights. The exhaust gases from the engine cylinders are sent to one or more gas turbines 25 driving one or more alternators 26. Control valves are provided so that the quantity of air admitted to the engine cylinders ensures satisfactory combustion and sweeping and without overheating.

Une fraction de l'air provenant du compresseur 3a alimente une turbine auxiliaire 27 qui entraîne le compresseur 20. Dans le mode de réalisation décrit en figure 1, l'échappement de la turbine 27 s'effectue à l'air libre. A fraction of the air coming from the compressor 3a feeds an auxiliary turbine 27 which drives the compressor 20. In the embodiment described in FIG. 1, the turbine 27 is exhausted in the open air.

Le reste de l'air provenant du compresseur 3a est mélangé, par l'intermédiaire d'une vanne 28, aux gaz d'échappement pour actionner la turbine 25.The rest of the air from the compressor 3a is mixed, via a valve 28, with the exhaust gases to actuate the turbine 25.

Conformément à l'invention, l'air sortant du compar timent compresseur 3a est soumis à une réchauffe. Cette réchauffe peut notamment s'effectuer dans un échangeur de chaleur 40 de récupération de la chaleur des gaz d'échappement de la turbine à gaz 25. Un réchauffage complémentaire peut être effectué à l'aide d'une chambre de combustion 41 alimentée en combustibIe et permettant de fournir des gaz à une température telle que la température d'entrée aux turbines 25 et 27 assure un bon rendement de ces dernières. According to the invention, the air leaving the compressor compartment 3a is subjected to heating. This reheating can in particular be carried out in a heat exchanger 40 for recovering the heat of the exhaust gases from the gas turbine 25. An additional reheating can be carried out using a combustion chamber 41 supplied with combustibIe and making it possible to supply gases at a temperature such that the inlet temperature to the turbines 25 and 27 ensures good efficiency of the latter.

Par ailleurs, le compresseur 20 est avantageusement à deux corps 60 et 61, avec refroidissement intermédiaire dans un re-froidisseur 62-, lorsque l'on souhaite obtenir un rapport de compression élevé. Cette disposition sera généralement adoptée lorsque l'énergie thermique apportée par les moyens de réchauffede l'air sortant du compresseur 3a représente une fraction notable de l'énergie totale fournie à la turbine auxiliaire 27. Un filtre à air 63 est généralement prévu sur l'admission d'air. Furthermore, the compressor 20 is advantageously with two bodies 60 and 61, with intermediate cooling in a re-cooler 62-, when it is desired to obtain a high compression ratio. This arrangement will generally be adopted when the thermal energy provided by the means for heating the air leaving the compressor 3a represents a significant fraction of the total energy supplied to the auxiliary turbine 27. An air filter 63 is generally provided on the air intake.

Une installation permettant d'atteindre une puissance nettement plus élevée tout en conservant un bon rendement est montrée en figure 2. Elle se différencie notamment de celle de la figure 1 par l'adjonction d'un cycle haute pression. Pour cela, l'installation comporte une turbo-machine haute pression ayant un compresseur 43 et une turbine 44 calés sur le même arbre, indépendant de l'arbre de l'alternateur 26, donc pouvant fonctionner à vitesse variable. Le compresseur 43 reçoit l'air provenant du compartiment compresseur 3a, avantageusement par l'intermédiaire d'un refroidisseur d'air 45 et d'une vanne de décharge 46, permettant en cas de besoin de décharger à l'atmosphère l'air provenant du compresseur 3a. Entre le compresseur 43 et la turbine 44 l'air circule dans un récupérateur 47, puis dans une chambre de combustion 48.Le mélange d'air et de gaz de combustion provenant de la chambre 48 se détend partiellement dans la turbine haute pression 44. L'arbre de la machine rotative haute pression ainsi constituée ne fournissant aucune puissance utile, la pression de sortie de la turbine 44 sera supérieure à la pression d'entrée dans le compresseur 43 et elle pourra être utilisée de plusieurs façons. An installation making it possible to achieve a significantly higher power while retaining a good yield is shown in FIG. 2. It differs in particular from that of FIG. 1 by the addition of a high pressure cycle. For this, the installation comprises a high-pressure turbo-machine having a compressor 43 and a turbine 44 set on the same shaft, independent of the shaft of the alternator 26, therefore able to operate at variable speed. The compressor 43 receives the air coming from the compressor compartment 3a, advantageously by means of an air cooler 45 and a discharge valve 46, allowing in case of need to discharge the air coming of compressor 3a. Between the compressor 43 and the turbine 44 the air circulates in a recuperator 47, then in a combustion chamber 48. The mixture of air and combustion gases coming from the chamber 48 partially expands in the high pressure turbine 44. Since the shaft of the high-pressure rotary machine thus formed does not provide any useful power, the outlet pressure of the turbine 44 will be greater than the inlet pressure in the compressor 43 and it can be used in several ways.

A condition de munir l'installation d'un système de régulation qui maintient la pression de sortie de la turbine 44 à une valeur comparable à la pression de sortie des compartiments moteurs, on peut mélanger directement les deux flux de gaz, par une conduite 49 placée comme indiqué en double trait sur la figure 2. On diminue ainsi le travail de compression requis du compresseur 3a à débit donné. La puissance disponible sur le générateur 1 étant fixée par le fonctionnement des cylindres moteurs 2a et 2n, on peut augmenter le débit secondaire d'air fourni par le compresseur 3a, dans toute la mesure permise par les limites technologiques sur le diamètre du cylindre compresseur (ou des cylindres compresseurs) 3a. On condition that the installation is fitted with a regulation system which maintains the outlet pressure of the turbine 44 at a value comparable to the outlet pressure of the engine compartments, the two gas flows can be mixed directly, via a pipe 49 placed as indicated by double lines in FIG. 2. The compression work required for the compressor 3a at a given flow rate is thus reduced. The power available on the generator 1 being fixed by the operation of the engine cylinders 2a and 2n, it is possible to increase the secondary air flow supplied by the compressor 3a, to the fullest extent permitted by technological limits on the diameter of the compressor cylinder ( or compressor cylinders) 3a.

Le mélange de gaz, présentant une forte proportion d'air, ainsi obtenu, est admis dans une chambre de combustion 41 dont le flux de sortie est admis à la turbine à gaz de puissance 25 entraînant l'alternateur 26. Dans cette solution, l'air provenant du compresseur 3a n'arrive à la turbine auxilaire 27, entraînant le compresseur rotatif 20, qu à travers la turbine de puissance 25. La chaleur latente encore présente dans les gaz détendus à la s-ortie de la turbine 27 est utilisée pour réchauffer l'air du cycle haute pression dans le récupérateur 47. The gas mixture, having a high proportion of air, thus obtained, is admitted into a combustion chamber 41, the outlet flow of which is admitted to the power gas turbine 25 driving the alternator 26. In this solution, the air from compressor 3a only reaches the auxiliary turbine 27, driving the rotary compressor 20, only through the power turbine 25. The latent heat still present in the gases expanded at the outlet of the turbine 27 is used to heat the air in the high pressure cycle in the recuperator 47.

Dans une variante de réalisation, qui sera préférable dans la plupart des cas, la régulation est prévue pour que la pression des gaz à la sortie de la turbine 44 soit supérieure à la pression de sortie des compartiments moteurs 5 et 6. Dans ce cas, il est nécessaire de détendre les gaz provenant de la turbine 44 dans une turbine supplémentaire d'équilibrage 50 prévue pour ramener la pression à la même valeur qu'à la sortie des compartiments moteurs. Dans le cas illustré en tirets sur la figure 2, cette turbine 50 est calée sur l'arbre de l'alternateur 26 et de la turbine à gaz de puissance 25. Le montage mécanique peut alors être celui de la figure 3 où l'arbre de la machine haute pression est tubulaire et concentrique à celui de l'ensemble turbine à gaz de puissance-turbine d'équilibrage-alternateur.Dans cette solution, l'énergie du cycle haute pression est directement appliquée sur l'arbre de l'alternateur. In an alternative embodiment, which will be preferable in most cases, the regulation is provided so that the pressure of the gases at the outlet of the turbine 44 is greater than the outlet pressure of the engine compartments 5 and 6. In this case, it is necessary to expand the gases from the turbine 44 in an additional balancing turbine 50 provided to bring the pressure to the same value as at the outlet of the engine compartments. In the case illustrated in dashes in FIG. 2, this turbine 50 is wedged on the shaft of the alternator 26 and of the power gas turbine 25. The mechanical assembly can then be that of FIG. 3 where the shaft of the high pressure machine is tubular and concentric to that of the power gas turbine-balancing turbine-alternator assembly. In this solution, the energy of the high pressure cycle is directly applied to the alternator shaft .

Dans la variante montrée en figure 4, l'arbre tubulaire de la machine tournante haute pression est monté sur un arbre d'entraînement du second corps 61 (corps moyenne pression) du compresseur 20 par la turbine d'équilibrage 50. In the variant shown in FIG. 4, the tubular shaft of the high pressure rotating machine is mounted on a drive shaft of the second body 61 (medium pressure body) of the compressor 20 by the balancing turbine 50.

Le premier corps 60 reste entraîné par la turbine auxiliaire 27, comme dans le cas de la figure 2.The first body 60 remains driven by the auxiliary turbine 27, as in the case of FIG. 2.

Dans ce dernier cas, la turbine d'équilibrage 50 diminue le travail à fournir par la turbine auxiliaire 27 à basse pression, donc permet de diminuer sa pression d'entrée et la puissance utile de la turbine à gaz de puissance 25 entraînant l'alternateur. Les deux corps du compresseur 20 devant alors être séparés, le montage du refroidisseur intermédiaire 62 devient particulièrement commode. In the latter case, the balancing turbine 50 decreases the work to be provided by the auxiliary turbine 27 at low pressure, therefore makes it possible to reduce its inlet pressure and the useful power of the power gas turbine 25 driving the alternator . The two bodies of the compressor 20 then having to be separated, the mounting of the intercooler 62 becomes particularly convenient.

On voit que les montages des figures 3 et 4 minimisent les parcours de fluides à pression ou température élevée et évitent de faire voisiner des machines travaillant dans des conditions très différentes. It can be seen that the assemblies of FIGS. 3 and 4 minimize the paths of fluids at high pressure or temperature and avoid bringing machines working under very different conditions close to each other.

Mais, dans tous les cas, l'apport d'énergie à l'aide d'une ou de plusieurs chambres de combustion permet de répartir la fourniture~d'énergie à la turbine à gaz entre plusieurs sources et d'augmenter considérablement la souplesse et la fiabilité. But, in all cases, the supply of energy using one or more combustion chambers makes it possible to distribute the supply of energy to the gas turbine between several sources and to considerably increase the flexibility and reliability.

Claims

1. Installation for producing energy with a free piston generator comprising a gas generator with free pistons having several compressor compartments (3a, 3n) and at least one engine cylinder (5, 6) and a gas turbine (25) which receives the exhaust gases from the engine cylinder or engine cylinders, the compressor compartments of which are divided into a first fraction and a second fraction, the compressor compartments (3a) of the first fraction being supplied with air by a rotary compressor (20) through a first air cooler (22) and supplying hot compressed air which is, at least partially, sent to an auxiliary turbine (27) while the compressor compartments (3n) belonging to the second fraction are supplied by a rotary compressor (20) through a second cooler (23) and feed the engine cylinder or the drive cylinders (5, 6) through a third cooler (24), characterized by means (40, 41; 47, 48 , 41) to heat the hot compressed air before sending to the auxiliary turbine (27) and, optionally, to the gas turbine (25).

2. Installation according to claim 1, characterized in that the heating means comprise a heat exchanger with the exhaust gases from the power gas turbine (40; 47) and / or a combustion chamber (41) .

3. Installation according to claim 1 or 2, characterized in that it comprises an additional high pressure cycle in which the heating means are integrated.

4. Installation according to claim 3, characterized in that the heating means (47, 48, 41) are incorporated in a high pressure loop which comprises a high pressure compressor (43) and a turbine (44) wedged on the same shaft independent of that of the power gas turbine and comprise a combustion chamber (48) placed between compressor and high pressure turbine.

5. Installation according to claim 3 or 4, characterized in that the gas pressure from the high pressure turbine is reduced to the same value as the outlet gases from the engine compartments in a balancing turbine (50) ~ mounted on the shaft of the gas turbine (25) or on a drive shaft of a body (61) of the rotary compressor (20).