Brevet FR2072222A1 — publié le 19710924

- 1 - 2072222 L'invention concerne un circuit de réglage d'une installation de traitement thermique de métaux, comprenant au moins un four recevant l'air comburant nécessaire d'un conduit d'air sous pression, de manière que la combustion ait lieu sous haute pression et que les gaz de combustion soient 5 également évacués sous haute pression et dirigés sur une turbine d'entraînement d'un turbo-compresseur qui refoule l'air comprimé dans le conduit d'air sous pression. Les groupes à turbo-compresseur des installations du type mentionné à four sont en général réglés par action sur le courant gazeux dirigé 10 sur la turbine. Un circuit de réglage de ce type s'adapte toutefois mal aux particularités du four, car il ne peut diriger sur la turbine qu'une partie du gaz dont il doit évacuer le reste ailleurs pour former une réserve de réglage. L'inconvénient qui en résulte est que les gaz disponibles ne peuvent pas être utilisés avec une rentabilité suffisante. 15 Selon une particularité essentielle de l'invention destinée à éviter les inconvénients mentionnés, un régulateur de vitesse agit sur le groupe formé d'une turbine et d'un turbo-compresseur en modifiant l'inclinaison d'un ensemble d'ailettes directrices orientables. Ce transfert du réglage de la turbine au turbo-compresseur permet de diriger sur la turbine prati-20 quement toujours le débit total des gaz brûlés du four dont l'énergie peut être entièrement utilisée. Le régulateur comporte de préférence un dispositif de réglage de la consigne de la vitesse qui peut être réglée ainsi, par exemple en fonction de la pression régnant dans le conduit d'air. IL est ainsi possible de 25 faire tourner le compresseur à un régime auquel il peut refouler l'air dans le conduit correspondant dans les conditions toujours les plus favorables en fonction de la puissance dont il dispose, 1® débit d'air correspondant à la puissance disponible. Selon une autre particularité avantageuse de l'invention, un 30 conduit en dérivation aboutissant à un point de basse pression peut être raccordé au conduit de refoulement du turbo-compresseur et un organe de réglage monté sur ce conduit en dérivation est réglé par un appareil de mesure du débit d'air refoulé par le compresseur. Ce régulateur de débit comporte; de préférence, un dispositif de réglage de la valeur de consigne du débit d'air 35 à laquelle l'organe de réglage monté dans le conduit en dérivation commence de s'ouvrir, ce dispositif étant réglable par la pression régnant dans le conduit de refoulement. Cette disposition empêche le turbo-compresseur de tourner à un régime auquel il s'approche de sa limite de pompage» Lorsque la consommation de l'air passant par le conduit correspondant est faible, cet air peut s'évacuer par le conduit en dérivation, de manière à empêcher BAD ORIGINAL 70 41870 2072222 - a - le compresseur de passer la limite de ponçage. Une soupape de retenue montée dans le conduit de refoulement peut empêcher l'air de refluer du conduit sous pression vers le compresseur ou dans le conduit en dérivation, cette soupape étant utile, en particulier, lorsqu'il est nécessaire que 5 l'air soit évacué par le conduit en dérivation pour empêcher le compresseur de tourner en régime de pompage. Un organe d'arrêt pouvant être monté dans le conduit d'alimentation de la turbine et commandé par un régulateur à action rapide est fermé lorsque le turbo-compresseur atteint une vitesse maximale admissible. Ce cas 10 peut se produire lorsque le turbo-compresseur n'est plus capable d'absorber la puissance produite par la turbine et que le groupe de turbo-machines risque de s'emballer. Il est préférable de prévoir pour ce cas, par ailleurs, un conduit en dérivation débouchant en un point sous faible pression et raccordé au conduit d'alimentation de la turbine en un point situé en amont 15 de l'organe d'arrêt, un autre organe d'arrêt monté sur ce conduit en dérivation étant également commandé par un régulateur à action rapide et ouvert lorsque le turbo-compresseur atteint une vitesse maximale admissible. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention ressor-tiront de la description qui va suivre, faite en regard des dessins annexés 20 illustrant un mode de réalisation donné à titre explicatif, mais nullement limitatif. Sur ces dessins, la figure 1 est un schéma d'une installation à four réglée conformément à l'invention ; et 25 la figure 2 est un diagramme PV du compresseur. Le four 1 de la figure 1 reçoit l'air comburant sous haute pression d'un conduit 2. Les gaz brûlés passent ensuite sous une pression réduite par la perte dans le four, mais encore notable,dans un conduit 3 et parviennent dans une turbine à gaz k. On sait que les gaz brûlés sortent du four 30 en entraînant une quantité notable d'impuretés pulvérulentes qui risquent donc de former des dépSts dans les conduits et dans les coudes défavorables à l'écoulement, ces dépSts s'accumulant rapidement en réduisant de façon néfaste les sections da passage et en entachant les éléments mobiles éventuellement présents de fonctionner correctement. Les éléments les plus sensibles 35 sont des coudes de conduit et,tout particulièrement,les organes de réglage tels que les soupapes de réglage de la turbine. Par ailleurs, il est possible de conférer à l'aubage de la turbine une forme telle que la circulation des gaz à grande vitesse empêche les poussières de former des dépôts ou, tout au moins, empêche les dépSts de s'accumuler. Si donc, il est possible de tenir tous les 40 appareils essentiels de réglage à 1°écart de la circulation des gaz de la turBAD ORIGINA 70 41870 2072222 - 3 - bine, celle-ci peut fonctionner en toute sécurité sans perturbation malgré la forte teneur en poussières du gaz propulseur. La turbine 4 entraîne par un accouplement 5 1® turbo-coaçras-seur 6 qui comporte une couronne d'ailettes directrices orientables 7 (dont 5 une seule est représentée). Le compresseur aspire l'air ambiant par un conduit 8 et l'envoie à l'état comprimé par un conduit de refoulement 9 dans un conduit 10 d'air comprimé sur lequel le conduit 2, en particulier, est raccordé et alimente le four en air comburant. D'autres conduits raccordés à ce conduit 10 peuvent alimenter d'autres fours en air comburant. Par ail-10 leurs, il est en général nécessaire que le conduit d'air conçrimé reçoive une certaine quantité d'air en défaut d'un compresseur entraîné séparément. La règle essentielle d'exploitation qui en découle est donc que la pression régnant dans le conduit d'air doit être constante (par exemple à la valeur Pl), cette condition pouvant être satisfaite par le dosage convenable du 15 débit d'air fourni par le compresseur auxiliaire. Un régulateur 11 de vitesse commandé par l'arbre du groupe à turbo-compresseur commande la couronne des ailettes orientables 7 au moyen d'un servo-moteur 12, de manière que lorsque la vitesse tombe, le travail fourni par le compresseur tombe et que lorsque la vitesse monte, ce travail 20 augmente. Un régulateur 13 fixe la consigne de réglage de la turbo-machine en fonction de la pression Pl régnant dans le conduit 10. Toutefois, la pression régnant dans ce conduit étant maintenue à une valeur constante, la vitesse reste également constante aussi longtemps que cette pression ne subit pas de modification. 25 Un organe 15 de réglage est monté sur un conduit 1k de dérivation raccordé au conduit de refoulement 9 du turbo-compresseur. Le conduit 14 débouche en un point de basse pression, par exemple dans un conduit d'évacuation qui élimine le surplus d'air par le toit. L'organe de réglage 15 est soumis à un servo-moteur 16 commandé par un appareil de mesure 17. Ce der-30 nier détecte le débit d'air que le conduit 9 dirige sur le conduit 10. L'organe de réglage 15 commence de s'ouvrir lorsque le débit d'air passant par le conduit 10 diminue au point que le régime du compresseur s'approche de la limite de pompage. L'augmentation du débit refoulé qui en résulte empêche le compresseur de passer en régime de ponçage. La limite de ponçage variant 35 également à faible pression de refoulement, un dispositif 18 de mesure règle la valeur de consigne du débit d'air, auquel le servo-moteur 16 ouvre la vanne 15,en fonction de la pression régnant dans le conduit 9 de refou -lement. Ce réglage donne donc le résultat suivant : à chaque point de la courbe de régime, l'air peut toujours être dirigé sur le conduit 10 à un ^ débit tel qu'il peut l'absorber sans augmentation de pression et le débit BAD ORIGINAL 70 41870 - * - 2072222 d'air qui doit pouvoir s'échapper ne correspond jamais qu'à celui qui est nécessaire pour éviter le pompage du compresseur. La soupape de retenue 25 montée dans le conduit 10 de refoulement empêche dans ces cas l'air de refluer du conduit 10 vers le compresseur 6 ou dans le conduit 14 en dérivation. 5 -Un régulateur 20 à action" rapide commande un organe d'arrêt 19 à action rapide monté dans le conduit 3 • Lorsque la vitesse monte à une valeur inadmissible, cet organe .d'arrêt se ferme afin d'empêcher le groupe de turbo-machines de s'emballer. Par ailleurs, un conduit 21 en dérivation raccordé au conduit 3 en amont de l'organe d'arrêt 19 comporte un organe 10 22 de libération du passage. Cet organe est également soumis au régulateur 20 à action rapide, de manière que lorsque l'organe d'arrêt 19 se ferme, les gaz provenant du four puissent être dirigés par le conduit 21 sur un point de basse pression. Ainsi," le four peut continuer de fonctionner sans perturbations lorsque le groupe de turbo-machines subit un arrêt rapide. 15 Le compresseur 6 représenté est axial. Le réglage peut concer ner une couronne d'ailettes d'entrée, par exemple une couronne disposée en amont du premier étage ou des couronnes disposées entre les étages ou encore une dernière couronne disposée derrière le dernier étage. H est cependant possible également d'utiliser des compresseurs radiaux comportant des dispo-20 sitifs correspondants de commande de l'écoulement giratoire à l'entrée ou dans les diffuseurs. Finalement, il serait également possible de prévoir, dans certains cas particuliers, le réglage des couronnes mobiles d'un compresseur axial. Le mode de régulation sera expliqué en regard du diagramme PV 25 de la figure 2. La pression Pl correspond à celle à laquelle le compresseur refoule dans le conduit 10 de la figure 1, La courbe A représente la limite de pompage à différents régimes et la courbe B, une limite d'état ne devant jamais être dépassée afin d'empêcher que le compresseur ne parvienne en régime de pompage. Par ailleurs, les courbes ¥1, ¥2 et ¥3 représentent les régimes 30 de même rendement /*\ (86, 84, 80 $). On peut poser que le régime normal correspond au point F de la ligne Pl. Le' compresseur doit alors recevoir une puissance déterminée N à une vitesse R. La position des ailettes mobiles 7 correspond à un angle d'inclinaison ^3 . Lorsque la puissance de la turbine tombe, par exemple par 35 suite d'une réduction du débit de gaz ou de la pression, ou encore de la température, le régime se déplace du point F vers le point F' avec variation de l'angle d'inclinaison ^3 • Au point F', la régulation fait passer par ex~ ençle l'angle d'inclinaison à la valeur . Si, par aillieurs, le compresseur tend à se rapprocher de la limite de pompage À, le régulateur de débit 15» 40 16, 17 (figure l) doit entrer en action exactement au point D. IL ouvre BAD ORIGINAL 70 41870 2072222 - 5 - l'organe de réglage 15 afin que de l'air puisse également être évacué par le conduit 14 et que le débit total de refoulement du compresseur recommence d'augmenter. Le régime retourne alors vers le point F' et empêche le compresseur de passer la limite de ponçage de la courbe A. mente, le régime se déplace du point F vers le point F". Le dispositif de réglage modifie alors la position des ailettes réglables et les fait passer de l'angle d'inclinaison {3 à l'angle d'inclinaison /3". Ainsi, le débit refoulé dans le conduit 10 d'air comprimé augmente et le travail fourni par 10 la turbine est absorbé. Si la puissance continuait d'augmenter, le compresseur marcherait à la limite de régulation et le régime suivrait la courbe P " représentée. Le compresseur refoulerait à volume réduit, mais à pression accrue et absorberait ainsi l'augmentation de puissance de la turbine - toutefois à vitesse accrue -. 15 Dans certains cas exceptionnels seulement, lorsque le compresseur ne serait plus capable d'absorber la puissance qui lui serait fournie, la vitesse pourrait monter à une valeur inadmissible. Le régulateur 20 à action rapide interviendrait alors et fermerait, dans tous les cas, l'organe d'arrêt 19 et, si nécessaire, ouvrirait la vanne d'échappement 22, de sorte que 20 le groupe des turbo-machines serait arrêté. H va de soi que l'invention n'a été décrite et représentée qu'à titre explicatif, mais nullement limitatif, et qu'elle est susceptible de diverses variantes,sans sortir de son cadre. 5 Lorsque la puissance fournie par la turbine au compresseur aug— BAD original 70 41870 - 6 - 2072222 REVEHDICATIOHS 1. Circuit de réglage d'une installation de traitement thermique de métaux, comprenant au moins un four recevant l'air comburant nécessaire d'un conduit d'air sous pression, de manière que la combustion ait 5 lieu sous haute pression et que les gaz, de combustion soient également évacués sous haute pression et dirigés sur une turbine d'entraînement d'un turbo-compresseur qui refoule l'air comprimé dans le conduit d'air sous pression, ledit circuit étant caractérisé en ce qu'un régulateur de vitesse agit sur le groupe formé de la turbine et du turbo-compresseur en modifiant 10 l'inclinaison d'un ensemble d'ailettes directrices orientables du compresseur. 2. Circuit de réglage selon la revendication 1, caractérisé en ce que le régulateur de vitesse comprend un dispositif de réglage de la valeur de consigne de la vitesse. 3» Circuit de réglage selon la revendication 2, caractérisé en 15 ce que ledit dispositif de réglage de la valeur de consigne est réglé de son côté en fonction dé la pression régnant dans ledit conduit d'air sous pression. 4. Circuit de réglage selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'un conduit en dérivation débouchant sur un point à pression réduite est raccordé au conduit dans lequel le turbo-compresseur refoule et un or- 20 gane de réglage monté dans ce conduit en dérivation est réglé par un appareil de mesure du débit d'air refoulé par le compresseur. 5. Circuit de réglage selon la revendication 4, caractérisé en ce que le régulateur de débit formé par ledit organe de réglage et ledit appareil de mesure comprend un dispositif de réglage de la valeur de consi- 25 gne du débit d'air auquel l'organe de réglage monté dans ledit conduit en dérivation commence de s'ouvrir, ce dispositif de réglage de cette valeur de consigne étant réglé, de son côté, par la pression régnant dans le conduit dans lequel le compresseur refoule. 6. Circuit de réglage selon la revendication 1, caractérisé en 30 ce qu'une soupape de retenue,montée dans le conduit dans lequel 1© compresseur refoule, ençêche l'air de refluer dudit conduit d'air sous pression vers le compresseur et vers ledit conduit en dérivation. 7« Circuit de réglage selon la revendication 1» caractérisé en ce qu'un organe d'arrêt monté dans le conduit d'alimentation de la turbine 35 est fermé par l'intermédiaire d'un régulateur à action rapide lorsque le turbocompresseur atteint une vitesse maximale admissible. 8» Circuit de réglage selon l'une des revendications 1 et 7» caractérisé en ce qu* un conduit en dérivation débouchant sur un point à pression réduite est raccordé au conduit d'alimentation de la turbine en -"0 amont de l'organe dsarrêt et un autre organe d'arrêt monté sur ce conduit en BAD ORIGINAL 70 41870 2072222 - 7 - dérivation est ouvert par l'intermédiaire d'un régulateur à action rapide lorsque le turbo-compresseur atteint une vitesse maximale admissible. 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