Brevet FR2092741A1 — publié le 19720128

Ta présente invention concerne les machines du type turbines à gaz. On sait que dans les turbines à gaz classiques fonctionnant en cycle ouvert avec remet des gaz à l'atmosphère, l'énergie du combustible ne procure qu'une énergie sur l'arbre relativement faible, de l'ordre de ?0 Ê à 25Ç'. Près d'un tiers de l'énerie du combustible est utilisée pour comprimer l'air de combustion, tandis que la chaleur totale des gaz d'échappement est de 11 ordre de la moitié des calories apportées par le combustible.Pour compenser ce faible rendement sur l'arbre, les utilisateurs ont souvent été conduits à placer sur l'échappement de la turbine une chaudière de récupération fabriauant de la vapeur à basse pression. encore faut-il que l'on ait par ailleurs des besoins réels de vapeur basse pression, ce qui n1 est pas toujours le cas. En outre, cette récupération ne peut autre qu'un pis aller : la fabrication de vapeur n'est pas le but essentiel d'une turbine à gaz, ce but est généralement de produire l'énergie mécanique d'entrainement d'une machine réceptrice. Dans le cycle classique cité ci-dessus, l'augmentation du rendement mécanique sur l'arbre ne peut s1 obtenir qu'en augmentant la température des zaz à l'entrée de la turbine mais on est rapidement arrêté dans cette voie par les limites technologiques de la métallurgie des aubages. T'objet de la présente invention est de définir un nouveau cycle de turbine à gaz dont la principale caractéristique est d'aummenter la puissance disponible sur l'arbre grace à une réinjection en amont de la turbine de puissance d'une partie de l'énergie contenue dans les gaz d'échappement. nette réinjection s'effectue suivant des modalités particulières décrites plus loin.Une autre caractéristique est de refroidir les gaz sortant de la chambre de combustion et de permettre ainsi de dimimler l'excès d'air, donc la puissance de compression. es moyens utilisés pour ce refroidissement aboutissent à faire circuler dans la turbine un mélange de gaz brillés et de vapeur. es deux caractéristiques permettent de qualifier le cycle proposé de cycle "mixte" "semi-fermé". I1 résulte de l'adoption de ce cycle une augmentation sensible du rendement sur l'arbre et, en pratique, une diminution de la taille et du prix des machines pour une puissance sur l'arbre identique. Considérons la figure 1 représentant schématiquement une turbine à gaz classique à un arbre. le compresseur d'air 1 envoie l'air dans une chambre de combustion 2 où brûle le combustible. tes gaz sont détendus dans la turbine 3 et traversent une chaudière de récupération 4 produisant de la vapeur basse-pression avant d'être rejetés à l'atmosphère. Tans une telle machine, le compresseur d'air véhicule de 8 à 10 fois la quantité d'air qui serait strictement nécessaire pour la combustion. S'il n'y avait aucun excès d'air, la combustion stoechiométrique produirait un gaz à température dépassant 20000C, température que le métal des aubes de la turbine ne peut en aucun cas accepter. La technologie actuelle de la métallurgie des aubes nécessite que la température des gaz ne dépasse pas quelque 600 OC à 6500C. Ce résultat est obtenu par un grand excès d'air. Considérons maintenant la figure 2 qui représente schématiquement un mode d'utilisation du cycle mixte semifermé objet de l'invention. te compresseur 5 véhicule une quantité d'air inférieure à celle du compresseur 1 de la figure 1, cette quantité pouvant même descendre Jusqu'à celle procurant la combustion stoechiométrique. I1 en résulte que la température de combustion dans la chambre 6 est plus élevée que dans la chambre 2 de la figure 1, et peut atteindre la température de la combustion stoechiométrique. te refroidissement des gaz s'effectue dans une chambre de mélange 7 placée après la chambre de combustion 6 et dans laquelle est injectée la vapeur provenant de la chaudière 9. On peut aussi, simultanément ou non, injecter dans la chambre 7 de l'eau qui se vaporise dans le gaz avant son entrée dans la turbine. Tans une autre variante, non représentée sur la figure, la chambre de combustion 6 et la chambre de mélange 7 sont combinées pour ne former qu'un même appareil recevant l'air, le combustible, la vapeur et l'eau. Dans tous les cas, les quantités d'air, de combustible, de vapeur et d'eau sont réglées de manière à ce que la température du mélange ne dépasse pas celle acceptée par les aubes de la turbine 8. Si on le désire, un condenseur atmosphérique 10 placé après la chaudière 9 permet la récupération de la plus grande partie de l'eau et de la vapeur injectée. Tans le cas, rendu possible par l'invention, où la quantité d'air a été réglée pour assurer la combustion stoechiométrique, les gaz résiduels sont constitués d'azote et de gaz carbonique et la machine fonctionne en générateur de gaz inerte saturé d'eau. Dans l'exemple préférentiel de la figure 2, les fluides de refroidissement choisis sont de l'eau et de la vapeur d'eau. Tans une autre variante de l'invention, le fluide injecté peut titre un corps chimique d'une autre nature que l'on choisira avantageusement parmi ceux ayant une forte chaleur spécifique, une faible chaleur latente de vaporisation et une tension de vapeur à température ambiante peu supérieure à la pression atmosphérique. Ta pression d'échappement des gaz inertes à l'atmosphère sera fonction de la pression de condensation et sera réglée en conséquence par la vanne de réglage 11, Dans l'exemple de la figure 2, le compresseur 5 et la turbine 8 ont été représentés accouplés sur le mème arbre. Dans une autre variante de l'invention, ces deux machines peuvent titre désolidarisées. Rn e%, la puissance asorè'e par le comDresseur 5 est faible et il sera fréquemment rJrdç féré de l'entrainer par un moteur électrique, nar ailleurs ce compresseur peut être d'un type quelconque, nar exemple d'un type volumétrique au lieu qas Des axiaux ou centrifuZ ges généralement utilisés actuellement dans les turbines à gaz classiques. RT7.NDICATIONS 1.- Cycle thermique applicable aux turbines à gaz, caracté risé par le fait que la turbine détend et véhicule les gaz provenant de la combustion d'lm combustible dans l'air, mélangés avec de la vapeur d'eau provenant d'une chaudière chauffée par les gaz d'échappement. 2.- Cycle thermique applicable aux turbines à gaz, caracté risé par le fait que la turbine détend et véhicule les gaz provenant de la combustion d'un combustible dans l'air, mélangés avec la vapeur d'un corps chimique autre que l'eau provenant d'un vaporiseur chauffé par les gaz d'échappe ment. 3.- Cycle thermique suivant revendication 1, caractérisé en outre par le fait que de la vapeur supplémentaire provient de la vaporisation d'eau directement injectée dans les gaz résultant de la combustion. 4.- Cycle thermique suivant revendication 2, caractérisé en outre par le fait que la vapeur provient également de la vaporisation du méme corps chimique directement injecté sous forme liquide dans les gaz résultant de la combustion. 5.- Cycle thermique suivant ltune quelconque des quatre re vendications précédentes, caractérisé en outre par le fait que la combustion est stoechiométrique.