Brevet FR2286283A1 — publié le 19760423

La présente invention est relative à des perfectionnements apportés aux turbines à gaz dotées d'échangeurs thermiques, de type rotatif, ou fixe. On sait qu'une telle turbine à gaz comprenyau moins un disque en matière poreuse, qui coupe deux canalisations juxtaposées parallèlement l'une à l'autre, à savoir - une canalisation d'air, ot l'air sort rcQhauffé après avoir traversé le disque échangeur, - une canalisation de gaz d'échappement où les gaz sortent refroidis après passage à travers une autre zone de ce même disque échangeur. le disque poreux peut eAtre métallique ou en matière céra mique. n peut e"tre fixe ou rotatif. Sur une turbine à gaz de type connu, l'air et les gaz traversent en permaflience l'échangeur. Pour une température de l'ordre de 9500 C dans les gas d'admission à la roue de turbine haute pression (ce qui est actuellement le maximum admis sirli en régime permanent), le cycle thermodynamique de la turbine se trouve optimisé pour un taux de compression de ltor- dre de 4:1 entre la sortie et l'entrée du compresseur d'air. Autrement dit sur une turbine à gaz de type connu équipée d'échangeurs, la consommation spécifique passe par un minimum pour un taux réel de 4:1 au-dessus et au-dessous duquel elle augmente rapidement. La présente invention a pour out de réaliser une turbine à gaz qui, à l'instar des moteurs à pistons, possède à charge partielle une consommation spécifique inférieure aux consoh- mations spécifiques à pleine charge. Une turbine à gaz selon l'invention comprend au moins un disque échangeur thermique pore intercalé transversalement d'une part entre le tronçon amant et le tronçon aval d'une canalisation d'air, d'autre part entre le tronçon amont et le tronçon aval d'une canalisation de gaz d'échappement, et elle est caractérisée en ce qu'au moins une soupape de by-pass est montée entre les tronçons amont et aval de la canalisation d'air, tandis qu'au moins une soupape de by-pass est montée entre les tronçons amont et aval de la canalisation de gaz d'échappe- ment, ces soupapes étant munies de moyens nui provoquent automatiquement, d'une part leur ouverture aw. fortes charges et à pleine charge, d'autre part leur fermeture a- bas régi mes et faibles charges. suivant une autre caractéristique de l'inventjon, les moyens de commande des soupapes de by-pass sont à déclenche- ment automatique, pour provoquer 'ouverture des soupapes en réponse à une augmentation de pression à l'intérieur du tron çon amont considéré, c'est-à-dire le tronçon d'air d'admission pour l'une des soupapes, et le tronçon de gaz d'échappement pour l'autre. suivant une autre caractéristique, la turbine comporte plu- sieurs soupapes de by-pass montées en parallèle sur la canalisation d'qir, et plusieurs soupapes de by-pass en parallèle sur la canalisation de gaz d'échappement. Suivant une particularité supplémentaire de l'invention, la turbine comporte - un arbre primaire portant la ou les roues de compresseurs, et la optes roues de turbine à haute pression, ou turbine gé négatrice; - un arbre secondaire portant la ou les roues de turbine à basse pression, ou turbine de puissance; et elle est caractérisée en ce que l'arbre primaire entratne une première pompe à huile, tandis que l'arbre secondaire en train une seconde pompe à huile, ces deux pompes débitant dans un circuit d'huile piloté par un rébulateur, de façon à réaliser entre les arbres primaire et secondaire de la turbine, une liaison hydraulique variable et réglable. Cette liaison coopère avec l'ouverture et la fermeture des soupapes de by-pass de l'échangeur, pour diminuer notablement les consommations spécifiques aux charges partielles. le dessin annexé, donné à titre d'exemple non limitatif, permettra de mieux comprendre les caractéristiques de l'invention. Figure 1 est un schéma montrant la disposition d'ensemble d'une turbine à gaz selon l'invention. Figure 2 est un graphique illustrant la variation du taux de compression de l'air en fonction de la vitesse de rotation de la roue haute-pression de la turbine, et du débit massique. Figure 3 est un graphique illustrant la variation de la température des gaz à l'entrée de la roue haute-pression, res pectivement avec et sans liaison varable entre les arbres primaire et secondaire de la turbine. Fig. 4 à 6 sont des courbesillustrant comparativement le fonctionnement de deux turbines de type connu et d'une turbine selon l'invention. Figure 7 est une vue en coupe montrant une réalisation possible d'une soupape de by-pass d'admission. Figure 8 est une vue analogue pour 'une soupape dé by-pass d'échappeaent. La turbine à gas illustrée sur la figure 1 comprend un arbre primaire 1 sur lequel sont calés les rotors 2 et 3 d'un compresseur étagé, et et"les roues haute pression 4 de la turbine; - un arbre secondaire 5 portait la roue basse pression 6; - une ou des chambres de combustion non représentées qui reçoivent l'air d'un tronçon aval 7 et éjectant des gaz chauds et sous pression par un diffuseur 8; - deux disques poreux 9 en céramique, constituant chacun un échangeur rotatif de type connu, tournant autour d' ua axe théorique 10; - un tronçon amont Il de la canalisation d'admission d'air, placé face au tronçon aval 7;; - un tronçon amont 12 de la canalisation d'échappement, placé face à un tronçon aval 13; - au moins une soupape te by-pass 14 intercalé entre les tronçons amont Il et aval 7/chaque canalisation d'air; - au moins une soupape de by-pass 15 intercalée entre les tronçons amont 12 et aval 13 de chaque canalisation d'échap pement; - un canal de by-pass 16 pour court-circuiter l'échangeur 9 entre les tronçons d'admission Il et 14 de chaque canalisation d'air, en cas d'ouverture des soupapes 14; - un canal de by-pass 17 pour court-circuiter l'échangeur 9 entre les tronçons d'échappement 12 et 13 de chaque canalisation d'échappements en cas d'ouverture des soupapes 15. le fonctionnement est le suivant Lorsque la vitesse de rotation de l'arbre primaire 1 augmente, on constate que le taux de compression de l'air dans le tronçon amont Il augmente comme illustré sur la figure 2. Autrement dit, il atteint 4 vers 36 000 tours/minutes (soit un' débit massique de l'ordre de 0,62 Eg/s)et 6 vers 47 ooo tours/minute (soit un débit massique de l'ordre de 0,8 kg/s). Dans le cas 'pr'sent, on choisit d'adapter le dimensionne ment des échangeurs 9 à un taux de compression de 4, les pertes de charge dans les disques 9 étant normales à ce régime. Âu-dessus d'un débit de 0,62 Kg/s. et jusqu'à 0,8 Eg/s., les pertes de charge dans les échangeurs 9 ont tendance à augmenter beaucoupe C'est alors que s1 ouvrent les soupapes de bypass 14 et 15 : une partie du débit gazeux se trouve court-circuitée, si bien qu'entre 36 000 et 47 OvO tours/minute, l'importance des pertes de charge est maintenue sensiblement constante. De neume; la température reste pratiquement constante dans toute la plage comprise entre 30 OvO t/nn et le régime max-imum (par exemple 47 000 t/mn), ceci du ìt de la liaison 36-37-38 dont il sera question plus loin. ^utrement dit si lton trace sur un graphique la courbe de consommation spécifique (g/ch.h.) do la turbine en fonction du taux de compression réel de l'air d'admission, trois cas peuvent se présenter 10 - Cas d'une turbine connue à échangeurs rotatifs (fi - On voit que la consommation spécifique est minima lorsque le taux de compression de l'air est voisin de 4:1. Par contre, elle augmente rapidement au-dessus et au-dessous de ce taux. la présence des échangeurs introduit une perte de charge qui fait chuter le rendement aux fortes charges. 20 - Cas d'une turbine connue sans écbanffeurs thermiques (fig. 5). ici, le minimum se situe aux environs d'un taux de 6,2:1. L'absence d'échangeurs se traduit par une baisse de rendement aux faibles charges. 30 - Cas d'une turbine selon l'invention (fig. 6). Aux faibles charges, (Z ( 4), les soupapes de by-pass étant fermées, le fonctionnement se situe sur le tronçon de courbe A-B, correspondant à la partie avantageuse du graphique de lafig.4. Aux fortes charges ( # ) 6) les soupapes de by-pass é- tant ouvertes, le fonctionnement se situe sur le tronçon C-D correspondant à la partie avantageuse du graphique de la fig. 5. Enfin entre les points B et C, la transition est assurée par l'ouverture partielle des soupapes. On voit que l'invention permet d'obtenir une consommation spécifique minima dans toute la zone B-C. il résulte de ce qui précède que la disposition selon l'invention présente les avantages suivants - amélioration du rendement aux charges partielles, par fonctionnement à la températurë optima; - possibilité de résoudre les dimensions (donc le poids) des échangeurs, puisqu'ils sont court-circuités aux régimes maxima; - possibilité d'augmenter le taux de compression du comprésseur 2, 3, ce que permet ae réduire les débits massiques d'air, donc le poids et l'encombremeht de l'ensemble de la turbine. les températures et pressions dont les valeurs figurent sur la ligure 1 ont ét! données simplement à titre d'exemple. La soupape 14 illustrée sur la fig. 4 comporte - un siège plat 24 à l'extrémité du tronçon 16; - un clapet obturateur 25 dont la face supérieure plane 26 peut s'appliquer de façon étanche sur le siège 24; - un ressort taré 27 qui tend constamment à repousser le clapet 25 sur le siège 24; - un embout de sortie 28 relié au tronçon aval 7; - deux bossages de butée 29 et 30 prévus respectivement au dos du clapet 25 et sur le fond du bottier 31 de la soupape 14 (une fois en batée, ces deux bossages limitent la levée du clapet 26 et définissent positivement sa position d'ouverture, ce qui évite toute oscillation). La soupape 14 est caractérisée par son diamètre d'entrée 32 et par le tarage de son ressort 26. La soupape 15 illustrée sur la fig. 5 possède une structure analogue, à cette différence près qu'elle présente un autre dimensionnement. Par exemple, son diamètre d'entrée 33 peut eatre 2,5 à 3 fois plus grand que le diamètre 32 de la soupape 14. De semé7 le ressort 34 qui rappelle le clapet 35 de la soupape 15 possède un tarage plus élevé que celui du ressort 26. Pour utiliser au maximum des soupapes de by-pass 14 et 15, on prévoit entre l'arbre primaire 1 et l'arbre secondaire 5, une liaison hydraulique réglable telle qu'illustrée sur la fig. 1. L'arbre primaire 1 entrain une pompe hydraulique 36, tandis que l'arbre secondaire en entratne une autre 37. Ces deux pompes débitent dans un circuit fermé sur lequel est entercalé un régulateur variable 38. Grâce à cette liaison 36-37-38, on peut récupérer sur la turbine génératrice 4, de la puissance qu'on envoie à la turbine de puissance 6. Cette récupératioq/aAieu tant que les températures d'échappement se situent au-dessous et au voisinage du maximum admissible Cpar exemple jusqu'à pres de 9200 C). Ainsi, à ces charges partielles, une plus grande récupération de calories est assurée par les échangeurs 9 (fig. de l'origine au point 23). Ensuite, la température d'échappement est maintenue pratiquement constante (courbe 22). On voit que, dans toute la zone 21 (par exemple de 26 000 à 47 000 t/mn),le système selon l'invention permet d'économiser l'énergie correspondant à la surface hachurée, par rapport à une turbine à gaz de typze connu, caractérisée par la courbe 19. En définitive, le système selon l'invention assure le fonctionnement suivant - Aux basses vitesses ou aux charges partielles, l'uvili- sateur souhaite que la turbine fournisse un bon rendement (fai- ble consommation spécifique). Ce résultat est obtenu grâce aux échangeurs rotatifs 9 traversés par la totalité des flux gazeux tant que les soupapes 14 et 15 sont fermées. - A plein régime, l'utilisateur souhaite que la turbine fournisse le maximum de puissa nce, quitte à voir augmenter les consommations. Ce résultat est obtenu grâce aux soupapes 14 et 15 qui sont ouvertes et cnurt-circuitent en partie les échan- gaurs 9, réduisant ainsi les pertes de charge sur les circuits gazeux. REVENDICATIONS 1. - Turbine à gaz comprenant au moins un situe échan- geur thermique poreux intercalé transversalement d'une part entre le tronçon amont et le tronçon aval d'une canalisation d'air, d'autre part entre le tronçon amont et le tronçon aval d'une canalisation de gaz d'échappement, et caractérisée en ce qu'au moins une soupape de by-pass est montée entre les tronçons amont et aval de la canalisation d'air, tandis qu'au moins une soupape de by-pass est montée entre les tronçons amont et aval de la canalisation de gaz d'échappement, ces soupapes étant munies de moyens qui provoquent automatiquement, d'une part leur ouverture aux fortes charges et à pleine char ge, d'autre part leur fermeture aux bas régimes et faibles charges. 2. - Turbine à gaz suivant la revendication 1, caracté- risée en ce que les moyens de commande des soupapes de by pasS sont à déclenchement automatique, pour provoquer l'ouver- ture des soupapes en réponse à une augmentation de pression à l'intérieur du tronçon amont considéré, c'est-à-dire d'ad- mission pour l'une des soupapes et de gaz d'échappement pour l'autre. 3. - Turbine à gaz suivant l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce que la turbine comporte plusieurs soupapes de by-pass montées en parallèle sur la canalisation d'air, et plusieurs soupapes de by-pass en parallèle sur la canalisation de gaz d'échappement. 4. - Turbine à gaz suivant l'une quelconque des reven dications précédentes, caractérisée en ce que chaque soupape de by-pass comprend uiclapet mobile rappelé en position d'obturation par un ressort taré. 5. - Turbine à gaz suivant la revendication 4, caractérisée en ce que chaque soupape de by-pass comporte au moins un bossage de butée pour limiter l'applitude maxima d'ouverture du clapet qui se trouve alors en butée sur ce bossage. 6. - Turbine à gaz suivant la revendication 5, caractérisée en ce que le dos du clapet obturateur comporte un premier bossage de butée tandis que le fond au bottier fixe d5 la soupape comporte un second bossage de butée, ces deux bossages étant appelés à venir en butée l'un contre l'autre quand la soupape est complètement ouverte. 7. - Turbine à gaz suivant la revendication 6, caractérisée en ce que les deux bossages de butée situés en vis-à-vis possèdent des parois extérieures cylindriques servant de centrage au ressort de rappel dont chaque extrémité coiffe l'un des deux bossages. 8. - Turbine à gaz suivant ltune quelconque des revendications précédentes, comportant - un arbre primaire équipé de 4a ou des roues de connu presseur et de la ou des roues de turbine à haute pression ou turbine genérvtrice; - un arbre secondaire équipé de la ou des roues de turbine à basse pression ou turbine de puissance caractérisée en ce que 11 arbre primaire entrainAe une première pompe à huile , tandis que l'arbre secondaire entraine une seconde pompe à huile, ces deux pompes débitant dans un circuit d'huile piloté par un régulateur de façon à réaliser entre les arbres primaire et secondaire de la turbine, une liaison hydraulique variable et réglable. 9. - Turbine à gaz suivant l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce que le (ou les) disque (s) échangeurs) est (sont) en matière céramique poreuse montée dans une armature entratnée en rotation.