Brevet FR2401319A1 — publié le 19790323

L'invention est relative aux groupes moteurs à turbine à gaz à cycle ouvert et à récupération de chaleur. On rappelle qutun groupe moteur de ce genre comporte une chambre de combustion, une turbine actionnée par les gaz de combustion de ladite chambre, un compresseur dtair entrane par la turbine pour délivrer de ltair de combustion à la chambre de combustion et un récupérateur de chaleur, autrement dit un échangeur de chaleur réchauffant l'air de combustion au moyen des gaz dgéchapp-ement de la turbine. Dans un tel groupe moteur, le récupérateur est souvent un échangeur du type à plaques choisi parce qu'il est relativement peu coûteux et peu encombrant quoique efficace. Mais ce genre d'échangeur est vulnérable aux contraintes mécaniques différentielles engendrées par des gradients thermiques dus a des variations trop rapides de température. Autrement dit, pour éviter des fissurations ou des déformations des plaques, il importe que la vitesse de variation de température du flux gazeux parcourant le récupérateur demeure en deçà dtune limite prédéterminée. Il existe deux moyens pour respecter cette condition.On peut veiller à ralentir les changements de régime de la turbine ce qui ntest pas toujours possible car la température des gaz peut, dès la fin de la séquence de démarrage excéder le niveau maximal admissible pour la mise en température du récupérateur, cette solution nuit à la souplesse de fonctionnement du groupe. On peut aussi diluer les gaz d'échappement de la turbine par un fluide réfrigérant introduit en proportion variable en amont du récupérateur. Mais ce fluide est de l'air frais, il doit être ajouté parfois en proportions importantes, le rendement du groupe peut en être diminué, le récupérateur doit être dimensionné pour admettre un débit total important et lton perd le bénéfice du faible encombrement des échangeurs à plaques.Il est en outre pratiquement impossible d'amortir par ce moyen des variations rapides de température des gaz d'échappement. Le groupe moteur de ltinvention est caractérisé en ce qutil comporte des moyens d'injecter de liteau dans le conduit d'échappement de la turbine et des moyens de commander le débit de cette eau. En raison des propriétés physiques de 11 eau, notamment de sa forte chaleur de vaporisation, le débit supplémentaire de vapeur est faible, l'encombrement de ltinstallation nlest pas augmenté et il est possible dtagir rapidement sur la température des gaz entrant dans le récupérateur. Avantageusement, les moyens d'injection deau sont consti- tués par au moins une rampe d'injection disposée à llentrée du diffuseur de sortie du dernier étage de la turbine, transversalement à la direction du flux, cette rampe étant munie d'orifices d'injectian orientés vers l'amont, ctest-à-dire à contre-courant des gaz de sortie, pour favoriser l'homogénéisation du mélange gaz-vapeur d'eau. Pour des raisons que l'on indiquera plus loin, il est préférable que les moyens de commande de débit d'eau comprennent une vanne de réglage et une vanne d'arrêt. Ces vannes peuvent être commandées manuellement par un opérateur mais, comme on le verrà, leur commande peut entre facilement asservie à un paramètre tel que la température des gaz de sortie de la turbine ou encore assurée automatiquement en correspondance avec les phases de démarrage et dlarret du groupe, de telle serte que la température du mélange gaz-vapeur d'eau traversant le récupérateur ne dépasse pas une limite spécifiée et suive une loi de variation déterminée. D'autres dispositions et avantages de l'invention seront vus dans la description qui suit d'un exemple de réalisation, en référence aux dessins annexés dans lesquels - la figure 1 est un schéma général d'un exemple d'installation de groupe moteur muni conformément à l'invention de moyens d'injection d'eau et de commande du débit dtinjection, - la figure 2 est un schéma plus détaillé des moyens d'injection et de commande de la figure 1, - la figure 3 est un diagramme. On considère d'abord la figure 1. Le groupe représenté comporte à la manière connue une turbine à gaz TG dont les gaz de sortie s'échappent par un divergent annulaire DG. La turbine TE en traRne un compresseur d'air CA au moyen de la ligne d'arbres LA à laquelle sont également accouplés un organe de démarrage non représenté et les machines à entraîneur, par exemple un réducteur suivi d'un alternateur, qui ne sont pas davantage représentées. Le compresseur CA aspire l'air par son collecteur d'entrée EA et le refoule par la tubulure de sortie SA vers ltentrée d'air d'une chambre de combustion CC.La rampe d'injection IC de cette dernière est alimentée en combustible par une vanne VC à commande électrique. L'air de la tubulure SA traverse un récupérateur RA réchauffé par les gaz de sortie qui sont délivrés par le divergent DG et acheminés par une tubulure SG. Ces gaz sont enfin évacués par ltorifice de sortie SR du récupérateur RA. Des flèches précisent le sens des flux d'air et de gaz. La commande des divers organes du groupe est assurée au moyen d'une unité logique de commande UL provoquant selon une chronologie déterminée l'allumage de la chambre de combustion CC ( en particulier par ltouverture de la vanne VC ), la mise en marche du démarreur non représenté, etc.. Selon l'invention, une ou plusieurs rampes 10 permettent dtinjecter de liteau dans l'entrée du divergent DG. Elles sont alimentées par un collecteur annulaire 20 et disposées transversalement à la direction du flux pénétrant dans le divergent. Les organes de commande d'injection sont symbolisés ici par une vanne de réglage 30 dont le moteur 40 est contrôlé par la logique UL. On considère maintenant la figure 2 qui représente plus en détail ces organes dtinjection et de commande. On y retrouve en particulier le dernier étage de la turbine TG, son divergent annulaire DG, la conduite SG, les rampes 10 et leurs orifices d'injection orientés vers ltamont, le collecteur 20, la vanne 30 de réglage de débit et son moteur 40. On a représenté en outre schématiquement la plaque de chauffage RP du récupérateur RA de la figure 1.La vanne 30 est par exemple un robinet à pointeau à ressort de rappel, le mouvement du pointeau étant commandé par une came 41 entraînée par le moteur 40 qui est un moto-réducteur. L'eau est admise par une vanne électro-magnétique de coupure 42 ( nonreprésentée sur la figure 1 ) alimentée soit par une pompe, Si l'installation décrite est autonome, soit par le réseau de distribution si ltinstallation est -fixe. La commande du moto-reducteur 40 et de l'électro-vanne 42 est assurée par ltinterméd-aire de conducteurs 50 et 51 au moyen de relais disposés dans la logique de commande UL de l'installation. On considère maintenant la figure 3 qui comprend trois diagrammes 3a, 3b et 3c dont les axes t des abscisses sont tous trois relatifs au temps à la même échelle et avec la même origine. L'axe des ordonnées Q du diagramme 3a représente le débit d'eau à délivrer par les rampes 10 de la figure 2, ltaxe T du diagramme 3b représente la température du mélange gazeux atteignant l'entrée du récupérateur RA et l'axe N du diagramme 3c la vitesse de rotation de la turbine TE. L'origine des temps correspond à l'allumage des rampes de combustion. Schématiquement, le diagramme 3c comprend trois parties que lton peut assimiler à des segments de droite. Le premier correspond à la phase de démarrage et s'étend de t=O à t=td. Au cours de cette durée, on impose à la turbine TG une montée -en vitesse d'un régime de ventilation Nv auquel le moteur est entratné avant son démarrage jusqu'à un régime de rotation Ns qui est le régime de ralenti ou tout autre régime favorable à la stabilisation thermique de ltinstallation et notamment du récupérateur RA. Le deuxieme segment ( de td à ts, N=Ns } correspond à la durée de cette phase de stabilisation. Cette phase étant terminée, commence au-delà de ts la phase de mise en régime durant laquelle la vitesse de la turbine est progressivement accrue jusqu'à se valeur normale de fonctionnement. Si le dispositif d'injection d'eau de l'invention n'était pas utfisé, l'accroissement de température du mélange gazeux atteignant le récupérateur RA aurait, jusqu'à ce que commence la phase de mise en régime ctest-à-dire en deçà du temps ts, l'allure donnée par les tronçons du diagramme 3b dessinés en trait interrompu. Au cours du démarrage ( t=O à t=td ), la température T croit très rapidement de T=Tv ( température qui correspond à l'échauffement consécutif à la vitesse de ventilation et qui est supérieure à la température ambiante Ta )-jusqu'à T=Ts ( température de stabilisation ).Durant la phase de stabilisation ( de td à ts, N=Ns ) la température T deviendrait à peu près constante et fixée à Ts puis recommencerait à crottre lentement durant la période de mise en régime ( tts > . La in phase de démarrage est donc dangereuse pour le récupérateur, la croissance rapide de la température des gaz risquant d'y produire des gradients de température et donc des contraintes de mecaniques différentielles inadmissibles.L'injection d'eau ( diagramme 3a ) au moyen du dispositif de l'invention évite ces phénomènes gênants, Dàs le début de la phase de démarrage ( t > le débit d'eau des rampes 10 est poussé par action manuelle ou automatique sur la vanne 30 à sa valeur maximale ce qui ralentit considérablement l'échauffement des gaz atteignant le récupérateur ( tronçons en trait plein du diagramme 3b, de t-O à t=ts ). Durant la phase de stabilisation ( t=td-à t=ts ), le débit d'eau est progressivement diminué jusqu'à devenir nul de telle sorte que la température T du mélange gazeux crolt alors pro-gressivement jusqu'à rejoindre, en t=ts, la valeur Ts qu'elle aurait atteinte sans injection d'eau. On voit ainsi que le jeu de la vanne 30 permet d'imposer à la température du mélange gazeux une allure de croissance compatible avec la sécurité du recupérateur RA. Quant à la vanne 42 ( fig. 2 ), elle permet de couper instantanément l'alimentation du dispositif en eau en cas d'incident, par exemple pour éviter la projection d'eau sur le dernier étage de la turbine en cas d'arret inopiné de celle-ci. Il existe plusieurs moyens de commander automatiquement les vannes 30 et 42. La figure 2 montre l'un d'eux. La logique UL qui commande ( voir fig. i ) le fonctionnement de la turbine TG en agissant en particulier sur le débit de combustible délivré par la vanne VC à la chambre de combustion CC, comporte en outre les circuits nécessaires pour agir sur le moto-reducteur 40 à came 41 de la vanne 30 par les conducteurs 50 et sur l'électro-vanne de coupure 42 par les conducteurs 51. Au demarrage ( temps O des diagrammes de la figure 3 ), la logique UL commande à la fois l'allumage de la chambre de combustion CC ( diagramme 3c ), l'ouverture de l'électro-vanne 42 et la rotation du moto-réducteur 40. Le contour de la came 41 comprend trois arcs - le premier, de rayon constant, correspondant au débit maximal de la vanne 30 ( période de démarrage de t=O à t=td ) - le deuxième, de rayon variable, correspondant à la fermeture progressive de la vanne 30 ( phase de stabilisation de t=td à t=ts ) - le troisième, de rayon constant, correspondant à la fermeture de ladite vanne ( phase de mise en régime pour tests ). L'unité logique UL comporte en outre les circuits nécessaires pour assurer automatiquement, par l'intermédiaire des conducteurs 51, la fermeture de la vanne 42 en cas de fermeture de la vanne VC d'alimentation en combustible ( fig. 1 ) ou de toute autre cause d'extinction de la chambre de combustion. On peut cependant, au lieu d'assigner à la vanne 30 un cycle de fermeture en correspondance avec la phase de stabilisation, la commander en fonction du débit calorifique à dissiper par lin- jection d'eau. Ce débit calorifique dépendant de la température des gaz et de leur débit, on disposera par exemple dans la conduite SE un capteur de vitesse 52 et une sonde de température 53 dont les signaux sont adressés à l'unité logique UL par des liaisons 54. L'unité UL comporte alors les circuits nécessaires pour élaborer, à partir de ces signaux, des instructions de position de la vanne 30. Le moteur 40 est dans ce cas par exemple un moteur pas-à-pas recevant de l'unité UL des impulsions de commande de sens conve- nable. REVENDICATION5 1. troupe moteur à turbine à gaz à cycle ouvert du genre comportant une chambre de combustion, une turbine actionnée par les gaz délivrés par ladite chambre, un compresseur d'air entraîné par la turbine et délivrant de l'air de combustion à ladite chambre et un récupérateur de chaleur réchauffant ltair de combustion au moyen des gaz d'échappement de la turbine, caractérisé en ce qu'il comporte en outre, pour régler la température des gaz d'échappement admis dans l'échangeur des moyens d'injecter de l'eau dans le diffuseur de sortie de la turbine et des moyens de commander le débit d'injection d'eau. 2. Groupe moteur selon la revendication 1, caractérisé en ce que les moyens dtinjection d'eau comprennent au moins une rampe d'injection disposée à l'entrée du diffuseur transversalement à la direction du flux de gaz d'échappement et délivrant l'eau par une pluralité d'orifices orientés vers l'amont du flux. 3. Groupe moteur selon la revendication 1 ou la revendication 2, caractérisé en ce que les moyens de commande du débit dteau comprennent une vanne à ouverture progressive et des moyens électromécaniques actionnant la vanne. 4. Groupe moteur selon la revendication 3, caractérisé en ce que, ledit groupe comportant en outre une unité logique commandant le régime de rotation de la turbine et particulièrement son démarrage, son maintien en rotation à vitesse réduite et son maintien an rotation aux vitesses de fonctionnement, lesdits moyens électro-mécaniques sont commandés par ladite unité pour assurer la pleine ouverture de la vanne au démarrage de la turbine etla fermeture progressive de ladite vanne durant le maintien de la turbine en rotation à vitesse réduite. 5. Groupe moteur selon la revendication 4, caractérisé en ce que lesdits moyens électro-mécaniques comprennent un moteur électrique, une came entraînée par le moteur pour actionner la vanne et en ce que l'unité logique comporte des moyens pour commander le démarrage du moteur au démarrage de la turbine. 6. Groupe moteur selon la revendication 3, caractérisé en ce qu'il comporte en outre des moyens pour déterminer le débit calorifique transporté par le flux de gaz d'échappement de la turbine et des moyens pour commander lesdits moyens électro-mécaniques en correspondance avec le débit calorifique. 7. Groupe moteur selon l'une quelconque des revendications 3 à 6, caractérisé en ce qu'il comporte en outre pour délivrer l'eau à la vanne à ouverture progressive, une vanne de coupure ainsi que des moyens pour provoquer ltouverture de la vanne de coupure au démarrage de la turbine et des mayens pour provoquer la fermeture de ladite vanne de coupure en cas d'extinction de la chambre de combustion.