Brevet FR2289729A1 — publié le 19760528

La présente invention concerne les groupes à turbine à gaz du type à circuit fermé, particulièrement indiqués pour la propulsion de véhicules terrestres ou marins ou des applications mili- taires ou industrielles chaque fois que le niveau de bruit et l'émission de gaz d'échappement doivent être limités. Un tel groupe convient particulièrement pour des installations dans lesquelles on peut facilement produire de la chaleur ou prélever de la chaleur sur des gaz perdus provenant de processus industriels ou encore pour association à des réacteurs nucléaires à refroidissement par gaz ou à des réacteurs à isotopes plus petits munis d'accumulateurs de chaleur. Be but visé est de construire le groupe de façon que les organes rotatifs soient complètement enfermés dans un carter, ce qui facilite le montage et, en outre, de réaliser le carter de fagon que la section active la plus chaude soit située à une extrémité et la section de sortie d'énergie à l'extrémité opposée du carter.De plus, le carter a la forme voulue pour qu'on obtienne un circuit de circulation fermé ne subissant qu'un minimum de pertes0 Selon un autre aspect de l'invention, l'énergie est prélevée électriquement ou par fluide sous pression, les organes générateurs d'énergie étant enfermés dans le carter. Il en résulte la suppression des problèmes ardus posés par l'étanchéité dtun arbre mobile à va-et-vient ou en rotation ressortant d'une enceinte sous forte pression0 Pour les installations où la charge, le couple et la vitesse de rotation varient fortement, il est hautement souhaitable que la modification du couple et les pertes associées aient lieu dans le circuit fermé, où ces pertes sont faibles et peuvent, ce qui n'est pas le cas dans les transmissions extérieures, être couvertes par récupération à concurrence de 80 à 90 % environ dans un échangeur de chaleur. tes caractéristiques de l'invention sont définies dans les revendications ci- annexées. On va maintenant décrire l'invention en détail en se référant aux dessins annexés, sur lesquels la figure 1 représente schématiquement les principaux organes d'un groupe selon l'invention; la figure 2 est une vue en coupe longitudinale d'un groupe simple selon l'invention; les figures 3 et 4 représentent des turbines à structure plus complexe qui se prêtent à être incorporer au carter représenté sur la figure 2. Dans la réalisation représentée sur la figure 1, les principaux organes sont enfermés dans un carter étanche sous pression, comportant un corps cylindrique 10 et deux dômes d'extrémité 11 et 12. Une turbine à gaz comportant deux rotors 13 et 14 et un compresseur 15 est montée dans ce carters Le rotor 13 entraîne une pompe hydraulique 16 et le rotor 14 le compresseur, mais on notera que les deux rotors de turbine peuvent être accouplés soit à la pompe, soit à deux pompes montées en parallèles, comme symbolisé en traits interrompus en 17, de sorte que, si besoin est, on peut transmettre de l'énergie à partir de la turbine pour accélérer rapidement le compresseur pour entratner la charge par lin- termédiaire de la pompe du réseau hydraulique ou d'un ensemble générateur moteur électrique associé. Be fluide gazeux (par exemple air, hélium ou hydrogène) circule en circuit fermé à travers la turbine et le compresseur et traverse un certain nombre d'échangeurs de chaleur0 Be fluide en circulation est comprimé par le compresseur 15, traverse un premier échangeur de chaleur 18 récupérant la chaleur des gaz d'échappement de la turbine, puis sort du carter proprement dit pour traverser un second échangeur de chaleur 19 où il est encore chauffé. Ensuite, le fluide revient dans le carter, se dilate dans les turbines 13, 14 traverse le premier échangeur de chaleur 18 et franchit finalement un refroidisseur 20 avant de rejoindre le compresseur.Ce cycle assure un avantage essentiel: les pertes de transmission ont lieu au sein du groupe sous forme de pertes de chaleur qu'on peut couvrir à concurrence de 80 à 90% dans un échangeur de chaleur, et non dans un réseau hydraulique ou dans une transmission où l'on ne peut assurer de récupération0 ainsi, le fluide qui circule en continu dans le circuit fermé est soumis à une compression, un préchauffage, un chauffage et une détente; il subit des pertes de chaleur et sa chaleur résiduelle est dissipée par refroidissement après quoi il estzcompri- mé de nouveau. Be chauffage dans l'échangeur de chaleur 19 est assuré par un fluide gazeux et/ou liquide résultant de tout processus connu fournissant du fluide chaud. Pour fixer les idées, on a choisi à titre d'exemple une combustion externe apparaissant dans un réseau qui comprend un ventilateur à air 21, un réchauffeur d'air 22 et une chambre de combustion 230 La pression régnant dans le circuit est ajustée par un régulateur relié au circuit par un conduit 24. En modifiant le niveau de pression, on peut faire varier la puissance de sortie et il est bien entendu nécessaire de maintenir le circuit de circulation plein en dépit de variations de température et de pression,,ainsi que de pouvoir vider le circuit en période de non utilisation du groupe. Le fluide en circulation peut êtrew par exemple, de l'air de l'hydrogène ou de l'hélium. Il faut bien entendu pouvoir le récupérer stil s'agit d'hélium. Lorsqu'on utilise de l'air, qui donne le rendement le plus faible, on peut remplir le circuit à l'aide dlun compresseur d'air, ce qui est le plus commode pour diverses applications. Be réglage de la pression est assuré par un réservoir 25, divisé par une cloison en deux chambres, sous hau- te pression 25a et sous basse pression 25b. La transmission du fluide d'une chambre à l'autre est assurée par une pompe 26, qui est de préférence à réglage automatique et fait passer du fluide sous pression de la chambre sous basse pression dans celle sous haute pression. Bien entendu, pour des groupes plus importants, on peut prévoir deux réservoirs complètement indépendants. L'installation comprend aussi une soupape à trois voies 27 permettant de relier le conduit 24 soit à la chambre sous haute pression, soit la chambre sous basse pression du réservoir 25o On suppose que lors dé la mise en route du groupe, la chambre sous haute pression 25a contient un volume de fluide sous haute pression suffisant our remplir le circuit sous la pression souhaitée La pompe 26 prélève du fluide dans la chambre sous basse pression 25b de façon à maintenir toujours du fluide disponible pour augmenter la pression du réseau (jusqu a une certaine valeur maximale prédéterminée). Si l'on doit réduire la pression du réseau, on fait passer du fluide dans la chambre sous basse presslon 25b. On nctera que le fluide est chauffé contre le dôme 11 et que la pompe et les conduits 28 et 29 la desservant sont situés près du dôme opposé 12, c'est-è-dire dans la section la plus froide et aussi loin que possible des sections les plus chaudes du groupe. Au lieu de prévoir une pompe, on peut faire entraîner la turbine par un générateur électrique. Ces deux modes de transmission d'énergie dispensent d'assurer l'étanchéité d'un arbre rotatif, comme l'exigent les transmissions mécaniques. Bien entendu, l'utilisation d'un groupe à turbine à gaz à circuit fermé du genre décrit n'interdit pas la mise en oeuvre de transmissions mécaniques mais, du fait que tout le carter est entièrement sous pression, l'étanchéité est plus difficile à obtenir que lorsqu'il est prévu des conduits de canalisation ou des câbles pour montage fixe. Lorsqu'on utIlise un générateur tournant à grande vitesse, il faut le monter dans une chambre sous pression réduite, pour minimiser l'appel d'air. Toutefois, ce dernier n'implique pas de difficultés majeures. La figure 2 représente plus en détail une réalisation de groupe comportant une turbine 30 à deux rotors, qui entralane un rotor de compresseur 31 monté sur le même arbre 52 que ceux de la turbine. Cet arbre entralne la pompe hydraulique 16 par l'intermédiaire d'une transmission simple 33. La section moyenne ou corps du carter porte la référence numérique 10 et les deux dômes les références Il et 12, comme sur la figure 1. L'échangeur de chaleur 19 est formé d'un grand nombre de tuyaux en forme de U, reliés par leurs deux extrémités au dôme 11, formant un ensemble annulaire au centre duquel est montée la chambre de combustion 23, Ltair arrive du ventilateur 21, non représenté, et traverse un réchauffeur d'air, ici du type rotatif. Les gaz se rabattent radialement vers l'extérieur à partir de la chambre, entre les tuyaux 19 de l'échangeur de chaleur, et sont recueillis dans une aut-re chambre avant d'atteindre le réchauffeur d'air 22. Pour régler la température de l'air dans la chambre de combustion, on prévoit un conduit dérivé 34 muni d'un registre 350 Ce conduit permet d'introduire directement une certaine quantité d'air non réchauffé dans la zone primaire de la chambre de combustion et de l'envoyer se mélanger à l'air réchauffé. Lorsqu'on dispose de gaz chauds fournis par un processus industriel, on peut chauffer le fluide en circulation soit entièrement au moyen de ces gaz, soit l'aide de chaleur fournie en combinaison par la chambre de combustion et par les gaz de traitement, qui arrivent par un conduit 36 et s'échappent par un conduit 370 Ces gaz de traitement peuvent par exemple provenir d'accumulateurs de chaleur0 L'échangeur de chialeur 18 est d'un type connu en soi, comprenant d'étroits trajets parallèles assurant alternativement une cession et un prélèvement de ehaleur. Des cloisons plissées divisent chacun de ces trajets en passages parallèles, les plis étant parallèles à la direction de circulation du fluide. Bes trajets sont fermés à une extrémité et ouverts à l'autre extrémité; leurs extrémités sont alternativement dirigées vers le dôme voisin et vers l'autre dame, en sens opposés. Bes cloisons plissées définissant les trajets sont coupées obliquement comme indiqué en trait plein en 38 pour le trajet vu en coupe sur la figure 2 et en traits interrompus en 39 pour le trajet situé derrière le précédent. Ainsi, le fluide arrivant de la turbine atteint à travers des trous les trajets de l'échangeur de chaleur, à l'extrémité gauche de ce dernier sur la figure 2, se rabat à 900 au niveau des bords obliques 38, puis ressort axialement de l'échangeur de chaleur. Sur.une partie notable du trajet, le fluide circule a' contre-courant dans les sections de cession et de prélèvement de chaleur, ce qui assure un rendement maximum, La structure du refroidisseur 20 peut être adaptée à l'es- pace disponible; il peut suffire d'une section de refroidisseur disposée dans la partie de la boucle située radialement à l'intérieur, immédiatement en amont de l'entrée du compresseur 31. Il est commode de faire déboucher le conduit 24 arrivant du régulateur de pression dans la paroi extérieure ou dans l'un quelconque des rails des aubages directeurs 40 disposés en amont du compresseur. Comme représenté, le fluide franchit la turbine et le oempresseur en sens opposés, ce qui oblige à équilibrer soigneusement les forces axiales engendrées dans l'ensemble rotatif, par exemple au moyen d'orifices, de joint d'étanchéité ou d'un piston d'équilibrage de pression. Bes figures 3 et 4 représentent un agencement de turbine plus complexe qu'on peut fort bien incorporer à un carter du genre représenté sur la figure 2. L'agencement représenté sur la figure 4 entraîne un bon équilibrage des forces axiales engendrées par le rotor de compresseur. La turbine représentée sur les figures 3 et 4 comprend trois rotors 41,42,43, dont le premier est directement accouplé à la pompe 16, le second étant accouplé au compresseur 44. Bien entendu, la détente peut éventuellement avoir lieu dans deux ou plusieurs étages et, comme dans le cas de la figure 1, on peut accoupler le rotor de turbine 42 à la pompe par l'intermédiaire d'une transmission 17. La répartition de l'énergie fournie par les étages de turbine 41, 42 et 43 est assurée au moyen d'un rail de guidage d'admission mobile 45, disposé près d'un des rotors, ou par transfert d'énergie opéré entre les rotors au moyen de fluide sous pression sans augmentation du débit ni patinage, de sorte que le rendement est élevé. Le troisième rotor de turbine entratne une seconde pompe hydraulique 46. Cette pompe est commandée par une soupape 47 de façon à utiliser la pression qui: n'a pu servir dans les deux étages de turbine précéden-ts. Cette soupape permet d'opérer un recyclage vers la pompe de manière à mettre en oeuvre une quantité de fluide sous pression correspondant exactement à la consommation d'énergie momentanée. Le conduit de refoulement de la pompe 46 peut être relié à celui de la pompe 16 ou monté de façon à entraîner un organe auxiliaire quelconque, par exemple la pompe 26 du régulateur de pression représenté sur la figure 1 et le moteur 48 (figure 2) d'entraînement de l'échangeur de chaleur rotatif. On peut assurer l'isolation thermique et sonore du carter et l'on conçoit que l'ensemble rotatif, bien enfermé, n'a qu'un niveau de bruit très faible et peut être agencé pour fonctionner sans vibrations, par exemple comme les turbines à vapeur En ce qui concerne le réglage de la combustion, du réchauffage d'air et du chauffage, le principe est de maintenir le groupe chauffant 19 à température constante, quelles que soient la puissance et la vitesse de rotation de sortie. Le mélange aircarburant est dosé d'après des signaux émanant de détecteurs, du groupe chauffant et de détecteurs-doseurs de carburant qui règlent le débit d'air traversant le ventilateur et le débit de carburant traversant la soupape d'alimentation0 Afin que la proportion de NOx demeure faible, la commande est agencée pour maintenir un rapport air-carburant sensiblement constant dans la zone de combustion, On peut encore ajuster la proportion de NO par recyclage x de gaz-d'échappement, variation de la vitesse de rotation du régénérateur ou de celle du moteur hydraulique et en prélevant en dérivation de l'air sur l'échangeur de chaleur0 REvENDICÂTIt 1. Groupe à turbine à gaz à chauffage indirect du fluide en circulation dont le compresseur 15 et la turbine 13, 14 sont disposés dans un carter étanche sous pression, comportant un corps cylindrique 10 et des dômes Il et 12 en contact étanche avec les extrémités du corps, le carter contenant des trajets à coudes de retour que le fluide emprunte de manière à franchir le compresseur et la turbine en sens opposés, caractérisé en ce qu'au niveau d'un dôme (11) du carter, les trajets à coude de retour 19 ressortent du dôme, le fluide étant chauffé sur ces trajets. 2. Groupe à turbine à gaz selon la revendication 1 caractérisé en ce que l'arbre menant 32 est disposé près du dôme 12 opposé à la section de chauffage. 3. Groupe à turbine à gaz selon la revendication 2, caractérisé en ce que énergie de sortie est obtenue hydrauliquement ou électriquement sans qu'aucun organe rotatif ne traverse le carter. 4. Groupe à turbine à gaz selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'un conduit 24 de réglage de la pression du fluide est relié à l'entrée du compresseur 15, de préférence au niveau de la volute d'admission 40 du compresseur.