Brevet FR2085890A1 — publié le 19711231

i 2085890 La présente invention est relative a une instaxxation à turDine a gaz, équipée a'au moins un compresseur, a'au moins un echangeur ae chaleur pour transmettre la chaxeur des gaz d'échappement de la turbine a gaz au xiuide ae travail comprimé et au moins d'une cnamDre ae coicoustion comportant une source 5 de comoustibxe regxabxe. On sait qu'un échangeur de chaleur prévu dans une installation a turbine à gaz a seulement pour but d'augmenter le rendement. En conséquence une installation à turbine a gaz munie d'un échangeur de chaleur présente un rendement économique-10 ment acceptable, maxs elle est d'une grande lenteur pour fournir la puissance requise. Cette lenteur peut être complètement éliminée lorsqu'on prévoit dans l'installation a turbine a gaz un compresseur centrifuge à paies fiuxdiques, tel que celux aecrit dans i^ le brevet français 2 032 9&7 aeposé par la Demanderesse le 23 févrxer 1970. Dans ce compresseur centrifuge à pales fiuidi-ques dont le rotor est entraîné par Xa turbxne a gaz, au moins une aes parois délimitant la chambre de compression peut tourner xxbrement, elle est pourvue d'aubes le long de sa peripné-20 rie et elle sera appelée dans la suxte "le rotor secondaire". Une pompe auxiliaire également entraînée par la turbine a gaz fait arriver le fluide aans le compresseur a pales fluidiques dans lequel un effluent, par exemple de l'air, est comprimé, puis est séparé du fluide formant les paies, et est transféré 25 dans la turbine a gaz par x'Intermédiaire a'un échangeur de chaleur et d'une chambre de combustion. x.e fluxde séparé assure xa rotation du rotor secondaire. Dans 1'installatxon, les dimensions sont cnoisies de maniéré que la puxssance utxxe four-nxe par xa turbxne à gaz soxt disponxbxe sur x'arbre du rotor 30 secondaxre, c'est-a-dire que x1énergie existant encore aans xe fluide à la fin de la phase de compression est par conséquent égalé, aux pertes près, a x'énergxe fournie par xa'turbine à gaz. Le regxage de la puissance de sortie est, par conséquent, effectué en contrôlant l'alimentation en fluide du compresseur a 35 pales fluidiques. Ainsi, la température des gaz d'échappement de la turbine est maintenue constante dans toutes les conditions et d'une maniéré connue par regiage automatique de l'alimentation en comoustible de la cnambre de combustion. gO?s 71 11234 2 2085890 Bien que, dans l'installation à turbine â gaz decrite plus haut, l'influence au ralentissement thermique exercé par x'échangeur de chaxeur sur x1aptitude de commande de l'installation soit complètement éliminée, son taux de pression est limité et ix en resuxte que xes dimensions deviennent trop grandes 5 pour [justifier x1 appxication efficace de cette installation â de grandes puissances. ii'invention a pour but d'augmenter le rendement d'une xnstalxation à turc me à gaz sans perte d'énergie. ju'invention a également pour but d'augmenter la vi-xo tesse de réponse a des variations de xa charge et égaxement xa vitesse de régxage d'une installation à turbine à gaz. Jj"invention a égaxement pour but de fournir un procédé de regxage permettant d'éximiner xa xenteur thermique de x'é-changeur de chaleur. 15 Dans une installation à turbine à gaz comportant au moins un compresseur, on utilise un compresseur centrifuge â pales fluidiques tel que celui décrit dans la demande de brevet déposée sous le ïP 70.04-9 30 aux Pays-Bas par la Demanderesse, ce qui permet d'obtenir l'avantage d'une construction très 20 compacte pour une grande puissance. Dans ce compresseur centrifuge a pales fluidiques, le fluide est introduit tangentieiiement par x'orifice a'entrée du rotor qui est situé sensiblement dans le même pxan circonfé-rentiel du rotor que les orifices de déchargé des ajutages, 25 la vitesse absolue a'entree au fluide dans le rotor étant sensiblement égalé a la vitesse circonférentielie locale du rotor. Xje rotor est entraîné par xe fluide dirigé tangentieiiement. _in plus de l'avantage de l'amélioration au rendement du compresseur à pales fluidiques, l'installation a turbine à 30 gaz suivant l'invention présente l'avantage intéressant que, par un regiage spécial, la température d'échappement ae xa turome à gaz, c'est-a-dire xa température régnant du coté cnaud de x'échangeur de chaxeur, est maintenue constante dans toutes xes conditions ae charge, .an maintenant d'une manière connue 35 xa température de déchargé sur xe coté froid de x'écnangeur de chaxeur, qui est xa meme que Xa temperature d'échappement du compresseur à pales fluidiques, également constante par des refroidisseurs prévus aans le courant ae fluide, on éliminé 71 11234 3 2085890 complètent la lenteur thermique de 1'échangeur de chaleur, de sorte qu'une installation à turbine à gaz agencée de cette manière a une réponse très rapide. L'invention est caractérisée par le fait que l'arbre d'au moins une turbine à gaz constitue au moins un étage de 5 l'installation est relié à au moins un compresseur et à au moins une pompe à fluide qui entraîne une.turbine à fluide, en ce qu'il est prévu dans l'installation à turbine à gaz, au moins un compresseur centrifuge à pales fluidiques dont le rotor est entraîné par le fluide, qui constitue le dernier étage de com-10 pression de l'installation et qui est accouplé, d'une part, au compresseur d'alimentation en effluent et, d'autre part, par ~ l'intermédiaire d'un dispositif de réglage incorporé à la source de fluide à, 1'échappement de la turbine à fluide pour fournir le fluide formant les pales fluidiques, et par le fait que la 15 puissance utile est prise a l'arbre de la turbine à fluide. Le réglage de l'alimentation en fluide du compresseur à pales fluidiques peut être réalisé de différentes manières. Avantageusement, le dispositif de réglage comprend un obturateur cylindrique réglable qui est placé autour de l'ori-20 fice d'entrée de fluide du rotor. La régulation de puissance de 11 installation à turbine à gaz est effectuée d'une manière simple par réglage combiné de l'alimentation en combustible de la chambre de combustion et de 11 alimentation en fluide du rotor du compresseur a pales flui-25 diques, de manière que la température d'échappement de la turbine à gaz puisse être maintenue constante dans toutes les conditions de charge. Si la régulation de la puissance de l'installation de la turbine à gaz est effectuée par réglage de l'alimentation en 30 combustible de la chambre de combustion, un écart de la température à la sortie de la turbine à gaz est automatiquement corrigé par un réglage de l'alimentation en fluide du. rotor du compresseur à pales fluidiques. Dans le cas où la température d'échappement de la turbine 35 à gaz est trop élevée, l'alimentation en fluide du rotor du compresseur à pales fluidiques est augmentée et le taux de compression est relevé, de sorte qu'une quantité plus importante 71 11234 4 2085890 de gaz passe dans la turbine à gaz et que, par conséquent, la température diminue. L'inverse se produit lorsque la température d'échappement de la turbine à gaz est trop faible. Si la régulation de puissance de l'installation à tur-5 bine à gaz est effectuée par réglage de l'alimentation en fluide du rotor du compresseur à pales fluidiques, un écart de la température d'échappement de la turbine à gaz est automatiquement corrigé par réglage de l'alimentation en combustible de la chambre dé combustion et, en d'autres termes, si la température d'é-10 chappement de la turbine à gaz devient trop "basse, l'alimentation en combustible est augmentée, ou inversement, lorsque la température d'échappement est trop élevée, l'alimentation en combustible est réduite. Il n'est pas essentiel que l'effluent soit d'abord 15 comprimé dans un compresseur ordinaire puis dans un compresseur à pales fluidiques et l'inverse est également possible. Pour obtenir une bonne rapidité de commande de l'installation à turbine à gaz, il est cependant nécessaire d'utiliser dans le dernier étage de compression un compresseur à pales fluidiques. 20 Dans l'installation à turbine à gaz, la turbine à fluide est placée après la pompe, mais elle peut être également placée avant la pompe par exemple dans un système à turbine à gaz du type fermé, dans lequel tout le circuit est placé en surpression; cette turbine peut également être- placée entre deux ponq?es. 25 La turbine à gaz (du type axial ou radial) peut compren dre un étage qui entraîne le compresseur (axial ou radial) et la pompe, mais elle peut également comporter plusieurs étages avec arbre unique, bien qu'il soit également possible d'utiliser une construction avec plusieurs arbres d'entraînement, par exemple un 30 arbre pour le ou les compresseurs et un arbre pour la ou les pompes. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront de la description, qui va suivre en regard des dessins annexés qui représentent, schématiquement et simplement 35 a titre d'exemple, un mode de réalisation d'une installation à turbine à gaz. . Sur ces dessins : La fig. 1 est une coupe d'un compresseur centrifuge 71 11234 5 2085890 à pales fluidiques. La fig. 2 est une vue schématique d'une installation à turbine à gaz. La fig. 3 est une demi-coupe d'une installation à tur-5 bine à gaz. La fig. 4 est une vue en perspective d run dispositif de réglage cylindrique. Sur la fig» 1, on a représenté un mode de réalisation d'un compresseur centrifuge à pales fluidiques tel que celui 10 décrit dans la demande de brevet déposée sous le 70 04990 aux Pays-Bas par la Demanderesse. Ge compresseur comprend un corps 1 qui est assemblé avec un réservoir de fluide 2. Le rotor 3, dont les paliers sont centrés daûs le corps de compresseur, comporte des pales 6 pour 15 aspirer, par l'intermédiaire d'une buse 7, un effluent à comprimer . Le rotor 3 est en outre pourvu d'ajutages 8 qui débouchent directement dans un conduit annulaire 9 ménagé dans le rotor et dans lequel sont placées des aubes 10 servant à répar-20 tir le fluide dans les ajutages 8. Autour du rotor 3, il est prévu une chambre annulaire à fluide 11 comportant un orifice de décharge 12 situé le long de la périphérie intérieur et placé à l'opposé de l'orifice d'entrée 18 du conduit annulaire 2» Dans l'orifice de décharge 12, il est prévu des aubes de guidage 25 13 qui sont orientées tangentieiiement par rapport au rotor 3 dans sa direction de rotation. Le rotor 3 est entraîné par le fluide dirigé tangentieiiement. En outre, la chambre à fluide 11 est reliée à un conduit d'alimentation 14 qui est en liaison par l'intermédiaire 30 d'un dispositif de réglage 1£ avec une pompe 16 elle-même reliée au réservoir de fluide 2 par l'intermédiaire d'un conduit 17» La chambre de compression dans laquelle les pales fluidiques sont formées est délimitée par des parois 20 et 21 entourées par un canal collecteur 22 qui communique avec le 35 réservoir de fluide 2. D'une manière connue, les gaz comprimés sont séparés dans le réservoir de fluide 2 à lraide de cloisons séparatrices 23 et ils sont déchargés par l'intermédiaire de l'orifice 24. 71 11234 6 2085890 Suivant l'invention, on obtient une augmentation considérable de rendement, sans perte d'énergie, du fait que l'orifice d'entrée de fluide 18 du rotor est placé sensiblement dans le même plan circonférentiel du rotor que les orifices de décharge 5 19 des ajutages 8 et du fait que le fluide est introduit tangentieiiement avec une vitesse absolue d'entrée qui est sensiblement égale à la vitesse circonférentielle locale du rotor. Sur la figure 2, on a représenté schématiquement une installation à turbine à gaz dans laquelle est prévu le compres-10 seur centrifuge à pales fluidiques décrit plus haut. Sur le même arbre 25 sont montés une turbine 26, un compresseur 27 et une pompe à fluide 28. Bu gaz, par exemple de l'air, est aspiré par le compresseur 27, par l'intermédiaire du conduit d'alimentation 29, de 15 manière à être comprimé. Le gaz comprimé est introduit dans le compresseur à pales fluidiques 31 par l'intermédiaire du conduit de décharge 30. La pompe à fluide 28 alimente en fluide une turbine à fluide 33 par l'intermédiaire d'un conduit de décharge 32. Le fluide est ensuite canalisé jusqu'au compresseur 31 par l'in-20 termédiaire du conduit de décharge 34. Le gaz comprimé est encore plus comprimé par les pales fluidiques formées, puis il est séparé du fluide et canalisé par l'intermédiaire d'un conduit de décharge 3£ jusqu'à l'entrée 38 de la turbine à gaz 26 en traversant auparavant 1'échangeur de chaleur 36 de la chambre 25 de combustion 37» La chambre de combustion 37 est reliée à un conduit d'alimentation en combustible 39 dans lequel il est p«êvu un dispositif de réglage 40. Le conduit d'échappement 40. de la turbine à gaz 26 permet aux gaz chauds d'arriver dans 1'échangeur 30 de chaleur Le fluide qui a été séparé du gaz comprimé à la sortie du compresseur 31 est collecté dans un réservoir 42 et renvoyé à la pompe à fluide 28 par l'intermédiaire d'un conduit de décharge 43 et d'un refroidisseur 44. Le compresseur à pales fluidiques est un compresseur 35 isothermique. Avec ce type de compresseur , tout le travail de compression doit être transformé en chaleur qui est récupérée ensuite dans un ou plusieurs refroidisseurs. Dans la turbine à gaz 26, les gaz comprimés chauds 71 11234 7 2085890 fournissent de l'énergie qui est utilisée pour entraîner le compresseur 27 et la pompe à fluide 28. Le fluide est comprimé par la pompe à fluide 28 et il traverse ensuite la turbine à fluide 33. 5 Dans cette turbine à fluide 33, le fluide cède une partie de la puissance emmagasinée dans la pompe 28. Cette puissance est maintenant disponible dans, l'installation à turbine à gaz et elle peut être prise à l'arbre 4^ de la turbine à fluide. Dans la source 34 assurant l'alimentation en fluide du compres-10 seur 31, il est prévu un dispositif de réglage qui a pour but de contrôler le débit de fluide. La puissance de l'installation à turbine à gaz est contrôlée par réglage combiné de l'alimentation en combustible de la chambre de combustion 37 par l'intermédiaire du dispositif 15 de réglage 40 et de l'alimentation en fluide du rotor du compresseur à pales fluidiques par l'intermédiaire du dispositif de réglage 46. Sur la figure 3, on a représenté une demi-coupe d'une installation à turbine à gaz suivant l'invention, qui montre clai-20 rement la structure de l'ensemble de cette installation. D'une part, il est prévu sur le même arbre 47 une turbine à gaz 48, un compresseur 49 (représenté dans ce cas sous forme d'un compresseur centrifuge) et une pompe à fluide 50. A la sortie du compresseur 49, le gaz comprimé est 25 canalisé jusqu'au compresseur centrifuge à pales fluidiques 54 par l'intermédiaire d'un conduit de dérivation 51 de manière à arriver à l'entrée 52 du rotor 53. A partir de la chambre 55, du fluide est fourni à la pompe J?0 par l'intermédiaire d'une chambre annulaire 56 qui est 30 munie d'aubes. Après avoir augmenté de pression, le fluide est canalisé jusqu'à la turbine £7 puis il passe dans une chambre annulaire 58 du compresseur à pales fluidiques 54 dont l'orifice d'alimentation 59 de la chambre, qui est disposé le long de la périphérie intérieure, est muni d'aubes de guidage 60 qui sont 35 orientées tangentieiiement par-rapport au rotor 53,» dans sa direction de rotation. L'orifice d'alimentation en fluide 59 est placé à .l'opposé de l'orifice d'entrée 61 d'un conduit annulaire pourvu d'aubes 62 et dans lequel le fluide est réparti 71 11234 s 2085890 dans les ajutages 63 qui communiquement avec le conduit annulaire 61. Dans la chambre de compression 64, les pales fluidiques sont formées et le gaz débité, par le compresseur 49,est encore plus comprimé, puis il est séparé du fluide et, d'une manière con-3 nue, il est transmis à l'entrée de la turbine à .gaz 48 après avoir traversé un échangeur de chaleur et une chambre de combustion, ces deux parties n'étant pas représentées sur le dessin. Entre l'orifice d'alimentation en combustible £9 et l'orifice d'entrée du conduit annulaire 61, il est prévu un 10 dispositif de réglage 65 qui contrôle le débit de fluide arrivant dans l'orifice d'entrée du conduit annulaire 61. le dispositif de réglage 6£ peut être agencé sous forme d'un obturateur cylindrique placé autour du rotor, par exemple un tiroir rotatif, comme indiqué en perspective sur la figure 4. 15 Le rendement de l'installation à turbine à gaz peut encore être augmenté lorsqu'on fait passer, dans le circuit fermé de la pompe, un fluide présentant un point d'ébullition élevé, par exemple de l'huile. Puisqu'il est possible de construire l'installation 20 à turbine à gaz d'une manière très compacte et également du fait de son très haut rendement et de sa très grande rapidité de réponse à des variations de la charge et à des modifications du réglage, •une telle installation à turbine à gaz convient en particulier pour des groupes de traction. 71 11234 9 2085890 XLE ^UJ-IGATÏU i-i S 1. Installation a turbine à gaz, équ-ipée d'au moins un compresseur, a'au moins un echangeur de chaleur pour transmettre de la chaleur des gaz d'échappement de la turbine à gaz au fluide de travail comprimé et d'au moins une chambre de combustion comportant une alimentation en combustible réglable, 5 caractérisée par le fait que l'arbre de la turbine à gaz qui comprend au moins un etage est relié â au moins un compresseur et â au moins une pompe a fluide entraînant une turbine à fluide, par le fait qu'il est prévu dans la turbine à gaz au moins un compresseur centrifuge à pales fluidiques dont le 10 rotor est entraîné par le fluide qui constitue le dernier étage de compression de l'installation et qui est accouplé,d'une part, au compresseur d'alimentation en effluent en vue de sa compression additionnelle et, d'autre part, par l'intermédiaire d'un dispositif de réglage incorporé à la source de fluide, à l'échap-15 pement de la turbine à fluide pour fournir le fluide formant les pales fluidiques, et par le fait que la puissance utile est prise â 11 arbre de la turbine a fluide. 2. Installation à turbine â gaz suivant la revendication 1, caractérisée par le fait que le réglage de 1'alimenta- 20 tion en fluide de l'orifice d'entrée du rotor du compresseur centrifuge à pales fluidiques est formé par un obturateur cylindrique réglable qui est placé autour dudit orifice.