FR2563575A1

FR2563575A1 - Moteur a turbine a gaz a injection de fluide et methode de fonctionnement

Info

Publication number: FR2563575A1
Application number: FR8505956A
Authority: FR
Inventors: Kenneth Odell Johnson
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 1984-04-27
Filing date: 1985-04-19
Publication date: 1985-10-31
Anticipated expiration: 2005-04-19
Also published as: US4569195A; JPH0584376B2; FR2563575B1; IT1184776B; JPS60256522A; DE3514718A1; BE902277A; GB2158158A; GB8509675D0; IT8520479A0; DE3514718C2; GB2158158B; CA1229493A

Abstract

MOTEUR A TURBINE A GAZ PERFECTIONNE AYANT UN RENDEMENT THERMIQUE QUE L'ON MAINTIENT A LA VALEUR RECOMMANDEE POUR UNE LARGE GAMME DE PUISSANCES DE SORTIE. IL COMPREND: UN COMPRESSEUR, UNE CHAMBRE DE COMBUSTION, UNE TURBINE AVEC DES RAPPORTS DE PRESSIONS D'ECOULEMENT PREDETERMINES POUR LE COMPRESSEUR ET LA TURBINE ET LA CHAMBRE DE COMBUSTION FOURNISSANT UN EFFLUENT DE COMBUSTION; IL COMPREND EN OUTRE: A.UNE ALIMENTATION DE FLUIDE 24 AYANT UNE CHALEUR SPECIFIQUE A PRESSION CONSTANTE C SUPERIEURE AU C DE L'EFFLUENT DE COMBUSTION; B.DES MOYENS D'INTRODUCTION DE FLUIDE 26 POUR QU'IL SE MELANGE AVEC L'EFFLUENT DE COMBUSTION POUR FOURNIR UN MILIEU DE FONCTIONNEMENT DE TURBINE; ET C.UN MOYEN DE COMMANDE DE SYSTEME 16, 22 MODULANT L'INTRODUCTION DE FLUIDE DANS LES MOYENS D'INTRODUCTION DE FLUIDE 26 POUR: I.FOURNIR A LA TURBINE UN MILIEU DE FONCTIONNEMENT AYANT UN POTENTIEL DE TRANSFERT D'ENERGIE PAR UNITE DE DEBIT, SUPERIEUR AU POTENTIEL DE TRANSFERT D'ENERGIE D'UN DEBIT EQUIVALENT DE L'EFFLUENT DE COMBUSTION ET II.MAINTENIR LES RAPPORTS DE PRESSIONS D'ECOULEMENT DU COMPRESSEUR ET DE LA TURBINE DANS LA GAMME PREDETERMINEE PRATIQUEMENT INDEPENDANTS DE LA PUISSANCE DE SORTIE DU MOTEUR. APPLICATIONS AUX MOTEURS A TURBINE A GAZ.

Description

La présente invention concerne un moteur à turbine à gaz et, plus

particulièrement mais pas exclusivement, les moteurs à turbine à gaz dans lequel on injecte un fluide tel

que de la vapeur engendrée de la chaleur créée par le moteur.

Les moteurs à turbine à gaz courant sont utilisés

pour un grand nombre d'applications comprenant l'entraîne-

ment des avions, des navires, des générateurs électriques,

et des pompes entre autres. Généralement, le moteur à tur-

bine à gaz est conçu ou construit pour fonctionner le plus

efficacement possible dans une gamme prédéterminée de rap-

ports de pressions d'écoulement du compresseur et de rap-

ports de pressions d'écoulement de la turbine, les gammes étant choisies pour obtenir "un fonctionnement équilibré"

entre la turbine et le compresseur. Ces rapports de pres-

sions d'écoulement équilibrés sont déterminés pour l'appli-

cation particulière du moteur et pour la gamme de puissance

de sortie d'une telle application.

Parce que ce moteur ne fonctionne pas toujours avec une unique puissance de sortie, l'équilibre entre le compresseur et la turbine peut s'étaler sur une gamme plus

importante par l'utilisation de composants de moteur à géo-

métrie variable mécaniquement tels que des aubes d'entrée à calage variable, des aubes de soufflantes à calage variable, des aubes de compresseur à calage variable, des tuyères d'éjection à section variable etc., en des combinaisons -2- choisies. Ces composants variables mécaniquement sont mis en oeuvre par des commandes de moteur-pendant le fonctionnement pour jouer un rôle sur certains paramètres de fonctionnement du moteur de manière prédéterminée suivant les différentes conditions de fonctionnement. Cependant dans la partie de turbine de moteur fonctionnant à température élevée ces composants variables mécaniquement peuvent présenter des difficultés et un coût élevé pour leur construction et leur entretien. La présente invention a pour but de réaliser:

- un moteur à turbine à gaz et un procédé de fonc-

tionnement du moteur pour avoir le rendement thermique re-

commandé sur une large gamme de puissances de fonctionnement;

- un moteur qui a un mode de fonctionnement prati-

quement équivalent à celui d'une turbine variable mécanique-

ment mais des configurations pratiquement fixes; - un moteur à turbine à gaz avec une injection de

vapeur capable de conserver une gamme de rendements thermi-

ques recommandés pour une large gamme de puissance de sortie par l'utilisation de la chaleur prélevée sur le moteur pour augmenter le potentiel de l'écoulement dans la turbine, de transférer la chaleur et de convertir l'énergie- dans la turbine. De manière brève, la présente invention selon un mode de réalisation réalise un système de moteur à turbine à gaz qui comporte en série un compresseur, une chambre de

combustion, et une turbine; la chambre de combustion four-

nissant un effluent gazeux. L'engin est conçu pour opérer à un rendement thermique recommandé dans une gamme de rapports de pressions d'écoulement prédéterminée pour le compresseur et la turbine. Le moteur comporte aussi une alimentation en un fluide qui est caractérisé par une chaleur spécifique à pression constante (Cp) supérieure à la chaleur spécifique à pression constante de l'effluent provenant de la chambre de combustion. Il comporte aussi un moyen d'introduction de fluide pour introduire le fluide provenant de l'alimentation

de fluide dans le moteur, grâce à quoi on le mélange à l'ef-

fluent provenant de la chambre de combustion pour réaliser

un milieu de fonctionnement pour la turbine. Le moyen d'in-

troduction de fluide est commandé par un système de commande qui module l'introduction de fluide pour donner au milieu de

fonctionnement de la turbine un potentiel de transfert d'é-

nergie par unité de débit fonction des chaleurs spécifiques à pression constante combinées de l'effluent de la chambre de combustion et du fluide pour une position déterminée dans le moteur, et supérieur au potentiel de transfert d'énergie

d'un débit équivalent de l'effluent de la chambre de combus-

tion fonction de la chaleur spécifique à pression constante de l'effluent seul pour cette position prédéterminée, et pour réaliser des rapports de pressions d'écoulement pour le

compresseur et la turbine dans une gamme prédéterminée pra-

tiquement indépendante de la puissance de sortie du moteur.

Dans un mode de réalisation recommandé, le fluide est de la vapeur, de préférence surchauffée. On peut obtenir cette vapeur à partir d'une alimentation d'eau qui est chauffée par extraction de chaleur de différentes parties du

moteur pour convertir l'eau en vapeur.

Dans la méthode de fonctionnement de ce moteur à turbine à gaz, on a construit l'engin pour qu'il puisse fonctionner à un rendement thermique recommandé dans une gamme de rapports de pressions d'écoulement prédéterminée pour le compresseur et la turbine. On introduit dans le moteur le fluide dont on module le débit pour maintenir les rapports de pressions d'écoulement du compresseur et de la

turbine dans leurs gammes respectives prédéterminées prati-

quement indépendantes de la puissance de sortie du moteur.

La description qui va suivre se réfère aux fi-

gures annexées qui représentent respectivement: - figure 1, un diagramme d'un mode de réalisation relativement simple du moteur et du système de la présente -4- invention; - figure 2, un diagramme d'un mode de réalisation

plus complexe du moteur et du système de la présente inven-

tion; - figure 3, un diagramme d'un autre mode de réali- sation encore plus complexe du moteur et du système de la

présente invention.

Les premiers moteurs à turbine à gaz, tout d'abord

avec des compresseurs centrifuges et ensuite avec des com-

presseurs axiaux, avec une section de combustion et- une

section de turbine, avaient une géométrie fixe. Ils pou-

vaient fonctionner de manière relativement efficace pour leur conception pour une puissance de sortie donnée, mais étaient beaucoup moins efficaces pour des conditions sortant de la norme fixée. A mesure que la technologie des moteurs à turbine à gaz a progressé, particulièrement en rapport les

applications pour moteur d'avion, on a introduit des confi-

gurations à géométrie variable. Tout d'abord, on a appliqué la géométrie variable aux parties d'éjection et d'admission du moteur et ensuite un peu partout dans le moteur, et tout

récemment encore pour les aubes directrices- de la turbine.

De manière générale, les composants à géométrie variable étaient placés pendant le fonctionnement en fonction des demandes en puissance du moteur et des conditions ambiantes d'admission, comme il est bien connu de la technique des moteurs à turbine à gaz. Comme on pourra le remarquer, les

composants du moteur nécessaires pour réaliser un tel posi-

tionnement variable sont beaucoup plus coûteux à fabriquer, assembler et entretenir que ceux qui ont une position et une

géométrie fixes.

La présente invention réalise un moteur à turbine à gaz qui peut être conçu et construit avec une géométrie mécanique fixe pour fonctionner à un rendement thermique recommandé. Cependant le moteur peut avoir la capacité de fonctionner à différents niveaux de puissance de sortie tout - 5 - en maintenant ce rendement thermique. On peut aussi utiliser la présente invention avec les moteurs existants qui peuvent comporter des composants à géométrie variable, permettant à

ces moteurs de fonctionner à un rendement thermique recom-

mandé avec un repositionnement relativement faible des com- posants à géométrie variable. Selon la présente invention un fluide, tel que de la vapeur, est envoyé dans le moteur, classiquement au moins dans la turbine, en quantité qui

équilibre les rapports de pressions d'écoulement de la tur-

bine et de son compresseur respectif dans une gamme prédé-

terminée de sorte que le fonctionnement thermiquement effi-

cace est indépendant de la puissance de sortie du moteur.

Le fluide qui est envoyé dans le moteur pour équi-

librer le fonctionnement de la turbine et du compresseur est un fluide qui a une chaleur spécifique à pression constante (Cp) supérieure à celle de l'écoulement gazeux du moteur P dans lequel il est envoyé. De cette manière, la capacité ou le potentiel du mélange ou milieu résultant de transférer plus de chaleur en provenance des pièces refroidies et plus

d'énergie dans la turbine est supérieure à celle de l'écou-

lement gazeux dans lequel il est injecté. Par exemple, le C de l'air qui comprend un peu de vapeur d'eau est égal P

ou supérieur à 0,24 tandis que le C de la vapeur sur-

p chauffée est égal ou supérieur à 0,55, avec le mélange ou la combinaison des deux faisant varier le C quelque part P entre ces deux valeurs. Les variations de ce potentiel de transfert de chaleur et d'énergie par unité de débit dans la

turbine permet d'équilibrer les rapports de pressions d'é-

coulement de la turbine et du compresseur dans une gamme recommandée à mesure que la puissance de sortie du moteur

varie ou est choisie.

Au lieu d'ouvrir et de fermer des composants à géométrie variable tels que les aubes d'entrée, les aubes de compresseur, les aubes directrices de turbine, les tuyères d'éjection, ou leurs combinaisons, la présente invention -6-

propose une alternative. L'injection du fluide décrite ci-

dessus est modulée par une commande de système telle qu'un

moyen de commande. Cette commande est sensible à des condi-

tions de fonctionnement du moteur telles que, mais pas né-

S cessairement limitées à, les rapports de pressions d'écoule-

ment dans le compresseur et la turbine. La modulation de l'injection du; :fluide obtient pratiquement le même résultat sans changer la géométrie du trajet d'écoulement que le positionnement des composants. On admettra alors que par la présente invention, on peut maintenir le fonctionnement du moteur à turbine à gaz à une puissance de sortie déterminée tout en faisant varier le rendement du fonctionnement en un

tel point, en utilisant toute l'énergie récupérée dispo-

nible, même si ce rendement est quelque peu inférieur au

maximum. Par conséquent tel qu'utilisé ici, le terme "rende-

ment thermique recommandé" peut ne pas toujours coïncider avec le rendement thermique maximum du moteur à turbine à gaz. La figure 1 représente un mode de réalisation relativement simple de la présente invent.ion. Le moteur à turbine à gaz du système représenté comporte un compresseur

, une chambre de combustion 12 et une turbine 14 fonction-

nant en série. Ainsi qu'il est bien connu de la technique,

le compresseur 10 reçoit et comprime de l'air qui est en-

suite introduit Jans la chambre de combustion o il est mélangé avec un combustible et enflammé. Les produits de combustion sont alors envoyés vers et se dilatent dans la

turbine qui est reliée au compresseur et entratne ce de-r-

nier. Les gaz s'échappant de la turbine sont alors utilisés pour fournir du travail, par exemple faire fonctionner une turbine de puissance, fournir au moteur une poussée dans un

but de propulsion, comme il est bien connu dans la technique.

Selon la présente invention, le moteur à turbine à

gaz relativement simple d-écrit figure 1 est modifié et in-

-7- clus dans un système qui comporte une commande de système 16 qui, en utilisant des sondes et des détecteurs situés de manière appropriée et de types bien connus de la technique,

détectera les paramètres de fonctionnement tels que tempéra-

S ture, pression, débit du moteur et particulièrement dans le compresseur 10 et la turbine 14 lors du fonctionnement. Dans

la figure 1, la détection de ces paramètres dans le compres-

seur 10 et la turbine 14 sont représentés respectivement par les lignes 18 et 20. Dans le système de la figure 1, ces paramètres comportent les valeurs qui identifient la gamme de rapports de pressions d'écoulement du compresseur et

celle de rapports de pressions d'écoulement de la turbine.

La commande de système compare alors les paramètres détectés avec des valeurs prédéterminées telles que des gammes de rapports de pressions qui résultent du fonctionnement du

moteur dans une plage recommandée du rendement thermique.

Lorsque la commande de système 16 reçoit une commande ou qu'elle détermine un écart entre les paramètres détectés et les paramètres prédéterminés, elle fait fonctionner la vanne ZZ pour commander le débit de fluide dans. fa turbine 14 à partir de l'alimentation en fluide 24 dans la turbine 14 au moyen des moyens d'introduction de fluide en 26 tels qu'

injecteur, conduit, ouverture, jusqu'à ce qu'un équi-

libre souhaité de paramètres tels que les gammes de rapports de pressions d'écoulement soit établi entre le compresseur 1Q et la turbine 14. La variation de ces paramètres peut résulter d'une modification du choix de la puissance de sortie du moteur, par exemple, tel que commandé par le débit

de combustible dans la chambre de combustion 12.

Comme décrit ci-dessus, le fluide provenant de l'alimentation en fluide 24, qui est envoyé par les moyens d'introduction de fluide 26 dans la turbine 14 a une chaleur spécifique à pression constante (C p) supérieure au Cp de l'écoulement en provenance de la chambre de combustion, appelée ici, effluent de combustion, dans la turbine. Par exemple, la vapeur surchauffée en tant que fluide peut avoir un Cp une fois et demie supérieure au Cp d'un débit équivalent d'effluent de combustion. Le mélange du fluide provenant de l'alimentation de fluide 24 avec l'effluent de combustion a pour résultat, en tant que fonction de la com-

binaison des chaleurs spécifiques de l'effluent et du flui-

de, un milieu de fonctionnement de turbine ayant une capaci-

té ou un potentiel par unité de débit de transfert de l'é-

nergie à travers la turbine supérieure à celle d'un débit équivalent de l'effluent de combustion. En outre, on utilise très peu de puissance pour comprimer la masse ajoutée par exemple en utilisant une pompe à eau. Sous l'influence de la commande de système 16, la gamme de rapports de pressions d'écoulement de la turbine est maintenue à la valeur de

celle qui réalise une composante prédéterminée et un rende-

ment thermique global pour le moteur et, à son tour. fournit

au compresseur 10 une gamme de rapports de pressions d'écou-

lement de compresseur prédéterminée pour laquelle l'engin a

été conçu et fonctionne avec un rendement thermique recom-

mandé et/ou une puissance de sortie recommandée.

Comme l'homme de l'art peut le remarquer, le sys-

tème représenté figure I est relativement simple comparé au

système plus avancé ou au moteur à turbine à gaz actuelle-

ment en fonction ou prévu pour faire fonctionner des véhicu-

les dans un but de propulsion ou des générateurs de puis-

sance de différents types. La figure 2 représente un mode de

réalisation-plus complexe de la présente invention.

Le système de la figure 2 comporte un moteur ayant un compresseur basse pression 28 relié à et entraîné par une turbine basse pression 30 et un compresseur haute pression 32 relié à et entraîné par une turbine haute pression 34 disposés en série comme représenté figure 2. La chambre de combustion 36 est placée en série entre les compresseurs et les turbines. La turbine de puissance libre 38 est placée en série en aval de la turbine basse pression 30 et on extrait 9 - la puissance de sortie du moteur de cette turbine. Les gaz d'éjection passant à travers la turbine de puissance 38 sortent par le système d'éjection 40. Un système de moteur à turbine à gaz comportant plusieurs compresseurs et leurs turbines correspondantes est décrit plus en détail dans le brevet des Etats-Unis d'Amérique n 3 677 012 délivré le 18 juillet 1972 et le brevet des Etats-Unis d'Amérique n 3 620

009, délivré le 16 novembre 1971 dont les descriptions sont

incorporées ici par références. Le dernier brevet cité com-

porte la description d'un turbine libre.

La modification d'un tel système de moteur à tur-

bine à gaz relativement complexe selon la présente invention est représentée figure 2. Dans ce mode de réalisation, le

fluide utilisé pour équilibrer le fonctionnement des com-

presseurs et des turbines est de la vapeur engendrée à par-

tir d'une alimentation d'eau 42. Un refroidisseur 46 est placé dans au moins une partie de l'écoulement d'air du

moteur entre le compresseur basse pression 28 et le compres-

seur haute pression 32, et un échangeur de chaleur 48 est placé dans au moins une partie du trajet des gaz d'éjection du moteur dans le système d'éjection 40. De l'eau provenant de l'alimentation d'eau 42 est envoyée par une conduite de fluide 43 au moyen d'un moyen de pompage constitué par une

pompe 44 commandée par la commande de fluide 68, successive-

ment à travers le refroidisseur 46 et ensuite l'échangeur de chaleur 48. L'échangeur de chaleur 48 engendre de la vapeur en quantité désirée et à l'état désiré, par exemple de la vapeur surchauffée, à partir de la chaleur d'éjection du moteur seulement ou en combinant cette chaleur avec celle provenant de un ou plusieurs brûleurs supplémentaires 49 situés dans le système d'éjection 40. La vapeur provenant de

l'échangeur de chaleur 48 se trouve dans le trajet d'écoule-

ment de fluide comme représenté en figure 2, qui comporte une ou plusieurs vannes ayant pour effet de coopérer avec et

d'aider la commande de système 66 à régler le débit de va-

- 10 -

peur provenant de l'échangeur de chaleur 48 vers une partie

déterminée du moteur.

Dans le mode de réalisation de la figure 2, la

conduite de fluide 43 dans l'échangeur de chaleur 48 commu-

nique avec une série de vannes placées en parallèle 50, 52, 54 et 56 ayant pour effet d'aider au réglage du débit de fluide vers les composants du moteur tels que la chambre de combustion 36, la turbine haute pression 34, la turbine

basse pression 30 et la turbine de puissance 38 respective-

ment. On a réalisé pour injecter le fluide dans les compo-

sants ou dans la zone o se trouvent ces comoposants une série de moyens d'introduction de fluide 58, 60, 62 et 64, construits pour envoyer le fluide respectivement dans la chambre de combustion, la turbine haute pression, la turbine basse pression et la turbine de puissance. De tels moyens

peuvent avoir différentes formes, par exemple des ouver-

tures, des orifices, des injecteurs, etc.

On a inclus dans le système une commande de sys-

tème 66 qui, entre autres fonctions, coordonne le fonction-

nement des vannes d'écoulement de fluide telles que les

vannes 50, 52, 54 et 56 en fonction des paramètres de fonc-

tionnement du moteur détectés par la commande de système 66

dans la turbine et le compresseur du moteur.

Comme il a été noté auparavant, la figure 2 repré-

sente un mode de réalisation plus complexe de la présente invention. Il peut être souhaitable de fonctionner avec un

système plus simplifié, par exemple du type représenté fi-

gure 1 dans un moteur du type représenté figure 2. Dans ce cas, l'injection d'un fluide tel que de la vapeur par la vanne 52 dans la turbine haute pression 34 pour équilibrer le fonctionnement du compresseur haute pression 32 et de la

turbine haute pression 34 peut améliorer le rendement ther-

mique du moteur représenté.

Lors du fonctionnement du système représenté fi-

gure 2, de l'eau provenant de l'alimentation d'eau 42 tra-

- 11 -

verse le refroidisseur 46 pour extraire de la chaleur de l'air comprimé dans le compresseur basse pression 28. Une telle extraction de chaleur augmente la température de l'eau passant à travers le refroidisseur 46 diminuant ainsi la température et le volume d'air pénétrant dans le compresseur haute pression 32. Une telle diminution de la température et du volume de l'air comprimé passant entre le compresseur basse pression 28 et le compresseur haute pression 32 permet

au compresseur haute pression 32 de fonctionner plus effica-

cement. A son tour la turbine haute pression 34 qui entraîne le compresseur haute pression 32 peut être conçue pour

opérer de manière plus efficace en ce qui concerne la quan-

tité de combustible qu'il est nécessaire d'envoyer dans la

chambre de combustion 36 pour des conditions de fonctionne-

ment prédéterminées.

L'eau traversant et réchauffée dans le refroidis-

seur 46 est ensuite pompée par une pompe haute pression 44 (à une pression égale par exemple à la pression de décharge du compresseur) à travers la conduite 43 vers l'échangeur de chaleur 48 qui est conçu pour convertir l'eau réchauffée en

vapeur, qui est à l'état de chauffe ou de surchauffe sou-

haité, à partir des gaz d'éjection du moteur seuls ou com-

binés avec de la chaleur provenant d'un ou de plusieurs brûleurs 49. Au vu de ceci, la commande de système 66 peut être adaptée pour détecter la température d'entrée de l'air dans le compresseur basse pression 28 et pour régler le fonctionnement de la pompe 44 par la commande d'eau 68 ainsi

que pour régler tout mode de fonctionnement des brûleurs 49.

Dans le cas de températures d'entrée de compresseur plus faibles, il peut être nécessaire d'avoir moins de volume d'eau pour obtenir la quantité de vapeur nécessaire pour équilibrer le fonctionnement des parties de compresseur et de turbine du moteur. Dans ces conditions, on peut voir deux

refroidisseurs, l'un faisant circuler l'eau vers le refroi-

disseur 46 o la température d'eau la plus élevée est sou-

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haitée, l'autre permettant d'obtenir la température d'air de

compresseur la plus basse.

On envoie la vapeur engendrée dans l'échangeur de chaleur 48 vers une ouplusieurs vannes 50, 52, 54 et 56 comme nécessaire pour le fonctionnement souhaité du moteur, par la commande de système 66 qui détecte les conditions de fonctionnement telles que les rapports de pressions dans les

parties de compresseur et de turbine du moteur.

Les décisions d'inclure ou de donner la possibi-

lité pour utiliser une ou plusieurs vannes de fluide et un

ou plusieurs moyens d'injection, en des combinaisons varia-

bles, selon la présente invention sont faites par le concep-

teur du moteur selon l'application prévue de ce moteur. Par exemple, l'introduction de vapeur telle que celle engendrée

par le système d'éjection, par la vanne 50 et le moyen d'in-

troduction de vapeur 58 dans la chambre de combustion 36

diminuera les gammes de rapports de pressions dans la tur-

bine haute pression 34 et la turbine basse pression 30 avec pour résultat un rapport de pressions plus élevé dans la

turbine de puissance 38. A cause du débit accru et du trans-

fert d'énergie et de chaleur amélioré par unité de débit

dans la turbine, la puissance disponible en sortie de tur-

bine de puissance 38 est beaucoup plus élevée que lors du

fonctionnement normal.

La figure 3 dans laquelle les numéros de référence identiques identifient les mêmes éléments que dans la figure

2, représente un autre mode de réalisation encore plus com-

plexe de la présente invention. Dans la figure 3, la con-

duite de fluide est divisée en une série de conduites dis-

tincts, tels que dans cet exemple, des conduits haute pres-

sion, pression moyenne et basse pression, représentés res-

pectivement en 43H, 43M et 43L, associés respectivement aux vannes 51, 53 et 55. La pression dans chacun des conduites du système est différente de celle existant dans les autres conduites et est réglée et commandée par la commande d'eau

- 13 -

68 sous la direction de la commande de système 66, en fonc-

tion de la zone d'introduction de la vapeur dans le moteur

ainsi qu'en fonction du rôle de cette vapeur dans le fonc-

tionnement de ce moteur. Par exemple, dans le système parti-

culier représenté figure 3 mais aussi figure 2, on peut utiliser les deux critères à la fois pour équilibrer le fonctionnement du moteur comme décrit ci-dessus, ainsi que pour refroidir les composants du moteur. De cette manière, on peut injecter la vapeur à pression élevée dans le moteur en 57 en amont de la chambre de combustion 36 pour refroidir la chambre de combustion ainsi que des composants internes

et en aval du moteur.

Dans certaines installations de production d'élec-

tricité, la puissance de sortie peut être limitée par la

taille du générateur ou la demande en énergie électrique.

Dans ce cas, on peut introduire la vapeur dans le moteur en 58 pour régler l'émission d'oxydes d'azote, généralement

appelée émission de NOx, et en 62, 64 pour faire fonction-

ner le moteur à sa température nominale avec un débit d'air réduit pour augmenter la production de vapeur et la pointe

ou maximum de rendement thermique à puissance réduite.

Comme on l'a décrit ci-dessus, la présente inven-

tion permet de faire fonctionner un moteur à turbine à gaz à un rendement thermique déterminé en dehors des conditions de puissance normales. Cependant on remarquera qu'à l'inverse d'autres systèmes d'injection de vapeur, le moteur à turbine à gaz associé à la présente invention peut aussi fonctionner sans injection d'un fluide tel que la vapeur. Cependant, lorsqu'un moteur a été conçu de manière spécifique pour une injection de vapeur, le fonctionnement sans vapeur dans la

gamme de rendement thermique maximum de conception a généra-

lement pour résultat un niveau de puissance de sortie infé-

rieur à celui du cas de l'utilisation de vapeur. Dans ce cas, on peut concevoir un équilibre entre les gammes de

rapports de pressions de la partie de turbine et de la par-

- 14 -

tie de compresseur et pas d'introduction ou d'injection de fluide externe. Ainsi, la présente invention fournit la possibilité de faire fonctionner un système de moteur à

turbine à gaz selon différentes conditions choisies de puis-

sance de sortie avec le moteur à turbine à gaz fonctionnant

régulièrement à un niveau élevé de rendement thermique.

Cependant toute augmentation du débit de vapeur récupéré peut être utilisée pour accroître le rendement thermique de

manière encore plus sensible.

Le tableau ci-dessous présente une comparaison de données calculées du moteur représenté dans le système de la figure 2, dans quatre agencements. Sans refroidisseur; avec seulement refroidisseur; avec le refroidisseur, l'échangeur de chaleur, et l'injection de vapeur surchauffée dans la zone de la chambre de combustion et dans la turbine basse pression; et avec l'échangeur de chaleur et l'injection de vapeur surchauffée dans la zone de la chambre de combustion et dans la turbine basse pression. Les calculsont été basés sur un fonctionnement journalier standard ce qui signifie

une pression ambiante absolue de 101.304 kPa et une tempéra-

ture de 270 C.

TABLEAU

DONNEES CALCULEES

(fonctionnement standard) Charge Refroidisseur Refroidisseur Injection de Charge Refroldlsseur

standard seul et injection de vapeur vapeur sur-

surchauffée chauffée seule Débit d'air (kg/sec) 131,1 156,5 156,5 156,5 131,1 Temp. sortie CBP OC 108 139 139 139 108 Temp. sortie refroidisseur 108 27 27 27 108 Temp. sortie.CHP. C 540 374 374 374 540 Temp. métal THP C 878 816 816 871 873,3 Rapport pression THP 4,6 3,6 2,4 2,1 4,3 Temp. TBP C 784 872,7 941 1 016 760 Rapport pression TBP 1,44 1,56 1,4 1,36 1, 44 Rapport pression TP 4,1 5,9 8,8 11,2 4,6 Temp. sortie TP C 443 427 427 454 399 Tcmp, sortie éjection C 443 427 149 149 149 Vapeur (Z débit d'air). __ 13 Z 15 Z 13 % Puissance sortie kW 37536 58880 93472 120440 47476 Rendement thermique LHV (Z) 0,38 % 0,41 Z 0,52 Z 0,55 Z 0,45 % SFC en kg/kW-h 0,122 0,116 0,090 0,086 0,102 O4 Ln IFI "'4 Ul

*- 16 -

La signification des termes du tableau sont les suivantes: k/sec kg/seconde CBP compresseur basse pression CHP compresseur haute pression THP turbine haute pression TBP turbine basse pression TP turbine de puissance HP puissance en CV LHV combustible à faible pouvoir calorifique SFC consommation spécifique de combustible kg/CV-H kg/CV-Heure

Les données du tableau sont présentées pour mon-

trer l'avantage potentiel de la présente invention représen-

té par la disposition avec la combinaison du refroidisseur et de l'injection de vapeur sur les autres dispositions représentées. Les données présentées dans le tableau pour la disposition et les exemples de la présente invention le sont

pour trois états d'injection de vapeur dans la zone de com-

bustion et à l'entrée de la turbine basse pression avec

leurs paramètres résultants. Comme représenté par la puis-

sance de sortie sur l'arbre, les dispositions du mode de

réalisation recommandé de la présente invention, représen-

tées par l'utilisation de la combinaison de refroidissement

et d'injection de vapeur surchauffée, peuvent plus que dou-

bler la puissance par rapport aux autres agencements, tout en augmentant le rendement thermique et en diminuant la

consommation spécifique de combustible du moteur.

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Claims

REVENDICATIONS

1. Système de moteur à turbine à gaz, comportant en série un compresseur (10), une chambre de combustion

(12), et une turbine (14), la chambre de combustion engen-

drant un effluent de combustion gazeux, système caractérisé en ce que: le moteur est conçu pour fonctionner dans une gamme de rendements thermiques recommandée dans une gamme de rapports de pressions d'écoulement prédéterminée pour le compresseur ainsi que pour la turbine, le moteur comprend en

outre: -

a) une alimentation de fluide (24) ayant une cha-

leur spécifique à pression constante Cp supérieure au Cp de l'effluent de combustion; S15 b) des moyens d'introduction de fluide (26) qui

ont pour effet d'introduire le fluide provenant de l'alimen-

tation de fluide dans le moteur pour qu'il se mélange avec

l'effluent de combustion pour fournir un milieu de fonction-

nement de turbine; et

c) un moyen de commande de système (16, 22) modu-

lant l'introduction de fluide dans les moyens d'introduction de fluide (26) pour:

i) fournir à la turbine un milieu de fonction-

nement ayant un potentiel de transfert d'énergie par unité de débit, fonction de la combinaison du Cp de l'effluent de combustion et du C du fluide pour une position donnée

dans le moteur, supérieur au potentiel de transfert d'éner-

gie d'un débit équivalent de l'effluent de combustion en fonction du Cp de l'effluent de combustion seul pour la position choisie, et

ii) maintenir les rapports de pressions d'écou-

lement du compresseur et de la turbine dans la gamme prédé-

terminée pratiquement indépendants de la puissance de sortie

du moteur.

2. Système de moteur à turbine à gaz selon la re-

- 18 -

vendication 1, caractérisé en ce que le fluide est de la vapeur.

3. Système de moteur à turbine à gaz selon la re-

vendication 2, caractérisé en ce que la vapeur est de la vapeur surchauffée.

4. Système de moteur à turbine à gaz selon la re-

vendication 2, caractérisé en ce que l'alimentation de flui-

de est une alimentation d'eau (42), le système comportant en outre: des moyens pour extraire de la chaleur provenant du moteur pour convertir l'eau provenant de l'alimentation d'eau en vapeur; et des moyens pour fournir la vapeur aux

moyens d'introduction de fluide.

5. Système de moteur à turbine à gaz selon la re-

vendication 4, caractérisé en ce que le compresseur comporte plusieurs étages (28, 32), le système comportant en outre: - un refroidisseur (46) placé au moins en partie

dans le trajet d'air du moteur entre les étages du compres-

seur (28, 32) et adapté pour recevoir de l'eau provenant de l'alimentation d'eau; - un échangeur de chaleur d'éjection (48) placé au moins en partie dans le trajet des gaz d'éjection du moteur et adapté pour recevoir de l'eau du refroidisseur (46); et - des moyens de pompage (44) pour pomper -l'eau de

l'alimentation d'eau et l'envoyer tout d'abord vers le re-

froidisseur (46) et ensuite vers l'échangeur de chaleur (48) pour créer la vapeur, le moyen de commande de système (66) modulant aussi le débit d'eau à travers le refroidisseur et

le débit de vapeur à travers l'échangeur de chaleur d'éjec-

tion.

6. Système de moteur à turbine à gaz selon la re-

vendication 5, caractérisé en ce qu'il comporte un brûleur

supplémentaire (49) placé pour fournir de la chaleur addi-

tionnelle à l'échangeur de chaleur (48), le moyen de comman-

de de système (66) commandant aussi le fonctionnement de ce

brûleur supplémentaire pour engendrer une quantité détermi-

- 19 -

née et un état de vapeur déterminé dans l'échangeur de cha-

leur (48).

7. Système de moteur à turbine à gaz selon la re-

vendication 1, comportant un moteur à turbine à gaz qui comprend en série un compresseur basse pression (28), un compresseur haute pression (32), une chambre de combustion (36), une turbine haute pression (34), une turbine basse pression (30), et un système d'éjection (40), le compresseur

basse pression (28) étant relié avec la turbine basse pres-

sion (30) et le compresseur haute pression (32) étant relié avec la turbine haute pression (34), système caractérisé en ce que: le moteur est conçu pour fonctionner dans une gamme

de rendements thermiques recommandés pour une gamme de rap-

ports de pression d'écoulement pour le compresseur haute pression prédéterminée et pour des gammes de rapports de pressions d'écoulement prédéterminées pour la turbine haute pression et la turbine basse pression; le moteur comportant en outre: a) une alimentation en eau (42), b) un refroidisseur (46) placé au moins en partie dans le trajet d'écoulement d'air entre le compresseur basse pression (28) et le compresseur haute pression (32); c) un échangeur de chaleur d'éjection (48) au moins en partie dans le trajet d'écoulement des gaz d'éjection du moteur dans le système d'éjection (40); d) un système de conduite de fluide (43) relié à partir de l'alimentation d'eau (42) par le refroidisseur

(46) et l'échangeur de chaleur (48) aux moyens de l'intro-

duction de vapeur; e) un moyen de pompage (44) relié à la conduite de fluide (43) pour pomper l'eau de l'alimentation d'eau (42) et l'envoyer premièrement par le système de conduite dans le

refroidisseur (46) pour chauffer l'eau et refroidir et dimi-

nuer le volume et la température de l'air de décharge du

- 20 -

compresseur basse pression (28), et deuxièmement dans l'é-

changeur de chaleur (48) pour extraire la chaleur des gaz d'éjection du moteur et engendrer de la vapeur à partir de l'eau; f) des moyens d'introduction (58, 60, 62, 64), de

vapeur reliés avec la conduite de fluide (43) pour intro-

duire la vapeur provenant de l'échangeur de chaleur (48) d'éjection dans au moins l'une des turbines haute pression (34) et basse pression (30) pour la mélanger avec l'effluent de combustion et fournir- un milieu de fonctionnement de turbine; et g) un moyen de commande de système (66, 68) relié en fonctionnement avec le moyen de pompage (44) et avec les

moyens d'introduction de vapeur (58, 60, 62, 64), pour modu-

ler le débit d'eau dans le refroidisseur et le débit de vapeur dans le moyen d'introduction de vapeur pour:

i) fournir un milieu de fonctionnement de tur-

bine ayant un potentiel de transfert d'énergie par unité de débit, fonction de la combinaison du C de l'effluent de P

combustion et du C de la vapeur pour une position déter-

minée du moteur, supérieur au potentiel de transfert d'éner-

gie d'un débit équivalent de l'effluent de combustion en fonction seulement de la chaleur spécifique de l'effluent de combustion pour la position déterminée, et

ii) maintenir les rapports de pression d'écou-

lement des compresseurs et des turbines dans la gamme prédé-

terminée pratiquement indépendants de la puissance de sortie

du moteur.

8. Système de moteur à turbine à gaz selon la re-

vendication 7, caractérisé en ce qu'il comporte un brûleur supplémentaire (49) placé dans le système d'éjection (40) pour fournir de la chaleur supplémentaire à l'échangeur de chaleur (48), le moyen de commande du système (66) réglant aussi le fonctionnement de ce brûleur supplémentaire pour engendrer une quantité déterminée et un état déterminé de la

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vapeur dans l'échangeur de chaleur.

9. Système selon la revendication caractérisé en ce que: - le moteur à turbine à gaz comporte une turbine de puissance indépendante (38), placée en série entre la tur- bine basse pression (30) et le système d'éjection (40); et - que les moyens d'introduction de vapeur (58, 60, 62, 64), comportent des moyens pour introduire la vapeur dans au moins une d'entre la turbine haute pression, la

turbine basse pression et la turbine de puissance.

10. Système selon la revendication 7, caractérisé en ce que: - les moyens d'introduction de vapeur (58, 60, 62, 64) comportent des moyens pour introduire la vapeur dans au moins l'une d'entre la chambre de combustion, la turbine

haute pression et la turbine basse pression.

11. Système selon la revendication 7, caractérisé en ce que: - le moyen d'introduction est conçu pour introduire

la vapeur dans plusieurs endroits du moteur et que le sys-

tème de conduite (43) de fluide est constitué par une ou plusieurs conduites (4317, 4301, 43L), distinctes chacune

ayant une pression différente de l'autre.

12. Méthode de fonctionnement d'un système de mo-

teur à turbine à gaz comportant placés en série- un com-

presseur (10), une chambre de combustion (12) et une turbine (14), méthode caractérisée en ce qu'elle consiste à: - concevoir un moteur pour qu'il fonctionne à un rendement thermique recommandé dans une gamme de rapports de pression d'écoulement de compresseur prédéterminée et une

gamme de rapports de pression d'écoulement de turbine prédé-.

terminée et, - introduire dans le moteur un fluide dont le débit

est modulé pour maintenir les rapports de pression d'écoule-

ment du compresseur et de la turbine dans leurs gammes res-

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pectives prédéterminées pratiquement indépendants de la

puissance de sortie du moteur.

13. Méthode selon la revendication 12, caractérisée en ce que la chambre de combustion engendre un effluent de combustion et que le fluide a une chaleur spécifique à pres- sion constante (Cp) supérieure au Cp de l'effluent de combustion.

14. Méthode selon la revendication 13, caractérisée

en ce que le fluide est de la vapeur.

15. Méthode selon la revendication 14, caractérisée en ce qu'elle consiste en outre à, avant d'introduire le fluide dans le moteur,: - réaliser une alimentation d'eau; et - extraire la chaleur du moteur pour convertir

l'eau provenant de l'alimentation d'eau en vapeur pour in-

troduire en tant que fluide la vapeur dans le moteur.