FR2552816A1 - ANTI-ICING SYSTEM FOR A GAS TURBINE - Google Patents
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Abstract
DANS LE SYSTEME ANTIGIVRAGE POUR UNE TURBINE A GAZ SELON LA PRESENTE INVENTION, LA CHALEUR EST TRANSFEREE DES GAZ D'ECHAPPEMENT DE LA TURBINE A L'AIR D'ADMISSION PAR UN FLUIDE INTERMEDIAIRE NE GELANT PAS ET DU TYPE A THERMOCONVECTION ET DE DEUX ECHANGEURS DE CHALEUR 6, 11 DISPOSES RESPECTIVEMENT A L'ECHAPPEMENT ET A L'ADMISSION DE LA TURBINE. DES MOYENS 12, 13, 14 SONT PRESENTS POUR REGLER LA QUANTITE DE CHALEUR FOURNIE A L'AIR D'ADMISSION.IN THE ANTI-ICING SYSTEM FOR A GAS TURBINE ACCORDING TO THE PRESENT INVENTION, THE HEAT IS TRANSFERRED FROM THE EXHAUST GASES OF THE TURBINE TO THE INTAKE AIR BY A NON-FREEZING INTERMEDIATE FLUID OF THE THERMOCONVECTION TYPE AND FROM TWO EXCHANGERS OF HEAT 6, 11 RESPECTIVELY PROVIDED FOR THE EXHAUST AND INTAKE OF THE TURBINE. MEANS 12, 13, 14 ARE PRESENT TO ADJUST THE QUANTITY OF HEAT SUPPLIED TO THE INTAKE AIR.
Description
1 2 255281 l Système antiuivraee pour une turbine à gaz La présente1 2 255281 l Anti-vibration system for a gas turbine This is
invention concerne un système antigrivage économique très fiable destiné à être utilisé dans une turbine à gaz. On sait que, dans certaines conditions climatiques, il se produit une formation nuisible de givre à l'entrée d'une turbine à gaz et que cette formation entraine parfois un pompage catastrophique du compresseur par suite 10 de l'obstruction de l'entrée d'air de la turbine De plus, de gros morceaux de glace peuvent endommager les aubes de The invention relates to a very reliable economical anti-icing system for use in a gas turbine. It is known that, under certain climatic conditions, a harmful formation of frost occurs at the inlet of a gas turbine and that this formation sometimes causes a catastrophic pumping of the compressor as a result of the obstruction of the inlet d turbine air In addition, large pieces of ice can damage the air vanes
la turbine.the turbine.
Ce phénomène est déterminé essentiellement par le fait qu'il se produit une détente à l'entrée du compresseur 15 axial de la turbine à gaz en raison de la chute de pression dans le système filtre-silencieux et une accélération de l'air en amont du premier étage L'effet de cette détente, que l'on peut considérer comme étant adiabatique, est que l'air peut prendre un état sursaturé avec une formation concomitante de liquide ou de glace dans le premier étage du compresseur axial, la formation de glace se produisant lorsque le refroidissement de l'air provoqué par la détente est tel qu'il entraîne l'intersection de la courbe de saturation et quand la température, à la This phenomenon is mainly determined by the fact that an expansion occurs at the inlet of the axial compressor of the gas turbine due to the pressure drop in the filter-silent system and an acceleration of the air upstream. of the first stage The effect of this expansion, which one can consider as being adiabatic, is that the air can take a supersaturated state with a concomitant formation of liquid or ice in the first stage of the axial compressor, the formation of ice occurring when the air cooling caused by the expansion is such that it causes the intersection of the saturation curve and when the temperature, at the
fin de la détente, tombe en dessous de O C. end of trigger, falls below O C.
On connaît déjà dans l'état de la technique différents types de systèmes antigivrage conçus de manière à empêcher l'air d'admission de la turbine à gaz de croiser la courbe de saturation, la température à la fin de la détente étant Various types of anti-icing systems are already known in the prior art, designed to prevent the intake air of the gas turbine from crossing the saturation curve, the temperature at the end of expansion being
inférieure à O C.lower than O C.
Un de ces systèmes antigivrage utilise de l'air comprimé prélevé au compresseur axial et mélangé avec l'air One of these anti-icing systems uses compressed air taken from the axial compressor and mixed with the air.
d'admission pour réchauffer ce dernier. intake to warm it up.
Toutefois, comme ce système doit effectuer un tel However, as this system must perform such
prélèvement, il est évidemment nuisible pour la puissance et, 35 de ce fait, pour le rendement de la turbine. removal, it is obviously harmful for the power and, therefore, for the efficiency of the turbine.
Un autre système antigivrage connu consiste à mélanger une partie des gaz d'échappement de la turbine à gaz avec l'air d'admission, mais ce système présente également divers inconvénients et désavantages en raison de l'intro5 duction, c 6 té admission, des particules solides contenues dans le carburant et des composants soufrés du gaz d'échappement qui sont extrêmement nuisibles au système de filtrage et à la machine Un autre inconvénient est que pour obtenir un fonctionnement correct, une contrepression est nécessaire 10 dans le conduit d'échappement et ceci réduit le rendement de la turbine Un inconvénient supplémentaire réside dans la difficulté de régler la chaleur transférée à l'air d'admission Another known anti-icing system consists in mixing part of the exhaust gases from the gas turbine with the intake air, but this system also has various disadvantages and disadvantages due to the intro5 duction, c 6 tee intake, solid particles contained in the fuel and sulfur-containing components of the exhaust gas which are extremely harmful to the filtering system and to the machine Another disadvantage is that in order to obtain correct operation, a back pressure is necessary in the exhaust duct and this reduces the efficiency of the turbine. An additional disadvantage lies in the difficulty of regulating the heat transferred to the intake air.
et la nécessité d'utiliser des conduits de grands diamètres. and the need to use large diameter conduits.
Enfin, un autre inconvénient réside dans la difficulté de répartir correctement sur la totalité de l'avant de l'admission le gaz prélevé et, de plus, comme ce gaz est riche en vapeur d'eau, il existe un risque de formation localisée de condensat ou même de glace, ce qu'au contraire un système antigivrage Finally, another drawback lies in the difficulty of correctly distributing the sampled gas over the entire front of the intake and, moreover, since this gas is rich in water vapor, there is a risk of localized formation of condensate or even ice, which on the contrary an anti-icing system
doit empêcher de la manière la plus absolue. must prevent in the most absolute way.
La présente invention a pour objectif de remédier aux inconvénients mentionnés ci-dessus en fournissant un système antigivrage de turbine qui n'a pas d'effet préjudiciable sur la puissance et le rendement de la turbine et ne nuit pas à son The present invention aims to remedy the drawbacks mentioned above by providing an anti-icing turbine system which has no detrimental effect on the power and the efficiency of the turbine and does not harm its
fonctionnement, et qui se traduit en outre par une économie 25 considérable et une grande fiabilité. operation, and which also results in considerable economy and high reliability.
On atteint essentiellement cet objectif par le fait que l'air d'admission de la turbine est chauffé par la chaleur des gaz d'échappement de cette dernière au moyen d'un fluide intermédiaire ne gelant pas et du type à thermoconvection qu'une pompe maintient en mouvement à l'intérieur d'un circuit fermé. Ce transfert de chaleur est obtenu à l'aide d'échangeurs de chaleur se trouvant à l'échappement et à l'admission. Plus spécifiquement, le système antigivrage pour une turbine à gaz est caractérisé selon la présente invention par le fait qu'elle est constituée par un circuit fermé étanche muni d'un réservoir tampon d'expansion>dans lequel un fluide intermédiaire du type à thermoconvection et ne gelant pas est maintenu en mouvement par une pompe de circulation, ledit circuit étant pourvu d'un premier échangeur de chaleur à tubes à ailettes placé en contact direct avec la chaleur des gaz d'échappement du conduit d'échappement de la turbine à gaz, dont il occupe une partie minimaleet un second échangeur de 10 chaleur à tubeslisse placé à l'admission d'air de la turbine à gaz, des moyens étant également présents pour régler de façon continue la quantité de chaleur transportée par le This objective is essentially achieved by the fact that the intake air of the turbine is heated by the heat of the exhaust gases from the latter by means of an intermediate fluid which does not freeze and of the thermoconvection type that a pump keeps moving inside a closed circuit. This heat transfer is obtained using heat exchangers located at the exhaust and intake. More specifically, the anti-icing system for a gas turbine is characterized according to the present invention by the fact that it is constituted by a sealed closed circuit provided with an expansion buffer tank> in which an intermediate fluid of the thermoconvection type and not freezing is kept in motion by a circulation pump, said circuit being provided with a first fin tube tube heat exchanger placed in direct contact with the heat of the exhaust gases from the exhaust duct of the gas turbine , of which it occupies a minimum part and a second heat exchanger with smooth tubes placed at the air intake of the gas turbine, means being also present for continuously regulating the quantity of heat transported by the
fluide intermédiaire ne gelant pas. non-freezing intermediate fluid.
Selon un mode de réalisation préféré de la présente 15 invention, un mélange d'eau et de monoéthylène glycol est utilisé comme fluide intermédiaire ne gelant pas et du type According to a preferred embodiment of the present invention, a mixture of water and monoethylene glycol is used as non-freezing intermediate fluid of the type
à thermoconvection.with thermoconvection.
Selon une autre caractéristique de la présente invention, les moyens précités servant b régler de façon 20 continue la quantité de chaleur transportée par le fluide intermédiaire ne gelant pas et fournieb l'air d'admission consiste en un registre réglant l'écoulement du gaz dtéchappement à travers l'échangeur de chaleur situé b l'échappement de la turbine, ce registre étant commandé par un vérin pneu25 inmatique à double effet muni d'un dispositif de commande de position qui est lui- même réglé par les signaux d'un indicateur According to another characteristic of the present invention, the aforementioned means serving to continuously regulate the amount of heat transported by the non-freezing intermediate fluid and supplied to the intake air consists of a register regulating the flow of exhaust gas. through the heat exchanger located at the turbine exhaust, this register being controlled by a double acting pneumatic cylinder 25 fitted with a position control device which is itself adjusted by the signals of an indicator
de température et d'humidité ambiante. of ambient temperature and humidity.
De cette manière, le registre agit sur l'écoulement du gaz selon les conditions ambiantes et, en outre, lorsqu'il 30 n'est pas nécessaire que le système antigivrage fonctionne par suite des conditions ambiantes, le registre est complètement fermé et empêche le gaz de passer à travers l'échangeur, ce qui aurait pour effet d'augmenter considérablement la température In this way, the damper acts on the flow of gas according to the ambient conditions and, moreover, when the anti-icing system does not need to operate due to the ambient conditions, the damper is completely closed and prevents the gas to pass through the exchanger, which would significantly increase the temperature
des tubes de ce dernier avec pour conséquence un choc thermique 35 lors du redémarrage du système. tubes of the latter with the consequence of a thermal shock 35 when the system is restarted.
Enfin, selon une variante de réalisation de la présente invention, le moyen réglant de façon continue la quantité de chaleur qui est transportée par le fluide intermédiaire ne gelant pas et qui est fournie à l'air d'admission, 5 au lieu de commander l'échangeur de chaleur à l'échappement en agissant sur l'écoulement du gaz, fait varier le débit du fluide ne gelant pas parvenant à l'échangeur de chaleur se trouvant sur le c 8 té admission en détournant une partie de l'écoulement, au moyen d'une valve de régulation à 10 trois voies du type à régulation électrique et actionnement pneumatique, vers un circuit de refroidissement auxiliaire comprenant un échangeur de chaleur supplémentaire disposé sur le système de refroidissement d'huile de lubrification par Finally, according to an alternative embodiment of the present invention, the means continuously regulating the quantity of heat which is transported by the non-freezing intermediate fluid and which is supplied to the intake air, instead of controlling the the exhaust heat exchanger by acting on the gas flow, varies the flow rate of the non-freezing fluid reaching the heat exchanger located on the intake side by diverting part of the flow, by means of a pneumatically actuated three-way control valve of the electrically controlled type to an auxiliary cooling circuit comprising an additional heat exchanger arranged on the lubrication oil cooling system by
air forcé de l'ensemble de la turbine, en aval de ce système 15 de refroidissement d'huile lui-même. forced air from the entire turbine, downstream of this oil cooling system 15 itself.
On va maintenant décrire la présente invention en se référant aux dessins annexés qui représentent un mode de réalisation préféré de cette dernière b titre purement illustratif et non limitatif, et sur lesquels: la figure I est une vue schématique du système antigivrage pour une turbine à gaz selon la présente invention; la figure 2 est une vue schématique d'une variante de réalisation du système antigivrage pour une turbine selon We will now describe the present invention with reference to the accompanying drawings which represent a preferred embodiment of the latter b purely illustrative and not limiting, and in which: Figure I is a schematic view of the anti-icing system for a gas turbine according to the present invention; Figure 2 is a schematic view of an alternative embodiment of the anti-icing system for a turbine according to
la présente invention.the present invention.
Sur les figures, la référence 1 désigne d'une façon générale une turbine à gaz, la référence 2 le gaz d'échappement qui s'écoule à travers le conduit 3 d'échappement de la In the figures, the reference 1 generally designates a gas turbine, the reference 2 the exhaust gas which flows through the exhaust duct 3 of the
turbine, et la référence 4 la chambre d'admission pour l'air 5. turbine, and reference 4 the air intake chamber 5.
Un échangeur de chaleur 6 à tubes à ailettes est disposé dans une branche 7 du conduit d'échappement 3 en contact direct avec la chaleur du gaz 2 et est raccordé à un circuit fermé étanche 8 muni d'un réservoir tampon d'expansion 9 à l'intérieur duquel un fluide intermédiaire ne gelant pas du type à thermoconvection, constitué en général par un mélange d'eau 35 et de monoéthylène glycol, est maintenu en mouvement par une pompe de circulation 10 Un second échangeur de chaleur 11 à tubes lisses, disposé de manière à transmettre la chaleur à l'air d'admission 5, est raccordé au circuit 8 à, un endroit A heat exchanger 6 with finned tubes is disposed in a branch 7 of the exhaust duct 3 in direct contact with the heat of the gas 2 and is connected to a sealed closed circuit 8 provided with an expansion buffer tank 9 to the interior of which an intermediate non-freezing fluid of the thermoconvection type, generally consisting of a mixture of water 35 and of monoethylene glycol, is kept in motion by a circulation pump 10 A second heat exchanger 11 with smooth tubes, arranged to transmit heat to the intake air 5, is connected to the circuit 8 at a location
correspondant à la chambre d'admission 4. corresponding to the intake chamber 4.
Le degré d'ouverture de la branche 7 peut être modifié, pour régler l'écoulement du gaz 2 à travers cette dernière, au moyen d'un registre 12 (voir figure 1) qui est articulé en 13 et fait pivoter un vérin pneumatique 14 à double effet muni d'un dispositif de commande de position 10 (non représenté sur la figure) sensible à la température et The degree of opening of the branch 7 can be modified, to regulate the flow of gas 2 through the latter, by means of a register 12 (see FIG. 1) which is articulated at 13 and makes a pneumatic cylinder 14 pivot. double-acting equipped with a position control device 10 (not shown in the figure) sensitive to temperature and
à l'humidité ambiante.at ambient humidity.
Selon une variante de réalisation de l'invention (voir figure 2), dans le circuit fermé 8 est disposée une valve de régulation 15 à trois voies du type à régulation 15 électrique et à actionnement pneumatique, qui détourne une partie de l'écoulement du fluide ne gelant pas vers un échangeur de chaleur supplémentaire 16 disposé sur le système 17 de refroidissement d'huile de lubrification par air forcé According to an alternative embodiment of the invention (see FIG. 2), in the closed circuit 8 is arranged a three-way regulating valve 15 of the type with electric regulation and pneumatic actuation, which diverts part of the flow of the fluid not freezing towards an additional heat exchanger 16 arranged on the system 17 for cooling lubricating oil by forced air
de l'ensemble de la turbine, en aval du système de refroidis20 sement d'huile lui-même. of the entire turbine, downstream of the oil cooling system itself.
6 25528166 2552816
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