Brevet FR2441724A1 — publié le 19800613

La présente invention concerne une turbine â gaz comprenant un compresseur couplé mécaniquement sur un générateur de gaz, une chambre de combustion, une turbine motrice couplée mécaniquement sur une machine a entraîner ainsi qu'un échangeur de chaleur pour réchauffer l'air coupri- me. Les turbines à gaz sont souvent équipées d'échangeur de chaleur pour réduire la consommation en combus- tible par le préchauffage de l'air comprimé alimentant la chambre de combustion. Dans un montage connu, l'échangeur de chaleur est prévu derrière la turbine motrice (Dubbel, Taschenbuch für Naschinenbau, tome II, 1966, pages 377, 378). Comme la chaleur est transmise à l'air comprimé en aval du compresseur, la température de sortie de l'échangeur de chaleur du côté des gaz d'échappement ne peut être inférieure à la température de sortie du compresseur. Pour un coefficient d'échange de chaleur égal à l'unité (valeur idéale) la taraé- rature de sortie du compresseur et la température de sortie de l'échangeur de chaleur peuvent au plus être égales à 1. Comme 1'échangeur de chaleur est prévu en aval du traitaient, la température des gaz d'échappement ne peut pas devenir inférieure à la température de sortie du compresseur, de sorte que la température de sortie du traitement doit toujours entre supérieure à la température de sortie du compresseur. Pour UD coefficient d'échange de chaleur, un débit massique et une construction donnés, le volume de l'échangeur de chaleur dépend très fortement de la densité des gaz d'échappement. Du fait du montage de l'échangeur de chaleur à la fin du traitement, la pression des gaz d'échappement est très faible (elle correspond sensiblement à la pression ambiante) de sorte que la denté des gaz d'échappement est très faible, ce qui nécessite un échangeur de volume important. On connaît également un montage tel que celui décrit dans le document DE-AS il 95 091. Ce document décrit une installation à turbine à gaz pour entraider la pompe d'alimentation d'un générateur de vapeur, le générateur de gaz entratnant non seulement le compresseur mais égale ont un autre générateur. Les gaz d'échappement qui sortent du générateur de gaz passent ainsi par un échangeur de chaleur qui réchauffe l'air comprimé alimentent la chaibre de combustion puis envoie cet air comprimé dans une turbine motrice qui entratne la pompe d'alimentation du générateur de vapeur. Ce montage correspond dans son principe, à une installation de turbine à gaz à un seul arbre, c'est-à-dire que le travail principal est pris par la turbine du générateur de gaz puisque cette turbine doit entraîner le générateur. La pompe d'alimentation couplée sur la turbine motrice ne demande qu'une puissance considérablement plus faible, contrairement au générateur. C'est pourquoi on peut considérer que les gaz d'échappement sortant de la turbine 'motrice ne présentent qu'une faible densité, ce qui nécessite corme cela est connu, un échangeur de chaleur de volume relativexent important. La présente invention a pour but de créer une turbine å gaz comportant un échangeur de chaleur dont le volume soit considérablement réduit tout en arrivant à une température faible pour les gaz d'échappement de la turbine A cet effet, l'invention concerne une turbine du type ci-dessus, caractérisée en ce que l'échangeur de chaleur est branché dans le chemin des gaz d'échappement entre la turbine du générateur de gaz et la turbine wtriob, pour un fonctionnement en charge partielle, alors que pour un fonctionnement en charge maximale la turbine du générateur de gaz est directement reliée à la turbine motrice.Ce mon- tage convient particulièrement pour des machines fonctio-mnt de façon prédominante en charge partielle comme, par exerpla, des turbines de véhicules à moteur, de véhicules blindés et de véhicules sur rails. fac'ce montage de la turbine et de l'échangeur de gaz selon l'invention, on peut réduire le volume et le poids de l'échangeur de chaleur d'environ 30 å 35 %. On peut également réduire considérablement -la tempé- ratura de sortie des gaz d'échappement en charge partielle grâce à la disposition de 1'échangeur de chaleur.Du fait que la turbine motrice soit chargée par des gaz d'échappement à faible température lors du fonctionnement en charge partielle, on peut augmenter considérablement la durée de viede cette turbine. La réalisation de l'échangeur de chaleur sous la forme d'un récupérateur offre l'avantage que cet échangeur qui est plus fortement sollicité que précédemment, résiste mieux aux températures. Un autre avantage de l'installation selon l inveniion, pour l'échangeur de chaleur, réside dans le fait que le générateur de gaz fonctionne en charge partielle à des vitesses de rotation plus élevées que dans les installa tisons a échangeur de chaleur, connues, si bien que pour une charge appliquée pendant une courte durée, le temps d'accélération du générateur de gaz est plus court. Pour obtenir qu'en charge partielle les gaz d'échappement passent dans l'échangeur de chaleur et qu'en charge totale les gaz- d'échappement contournent l'échangeur de chaleur, il est avantageux de prévoir un tiroir axial qui est actionné en fonction de la vitesse de rotation de la turbine du générateur de gaz. L'avantage de la vitesse de rotation de la turbine du générateur de gaz est qutil n'ests pas nécessaire de prévoir un capteur de vitesse de rotation ou de nombre de tours, distinct, puisque la vitesse de rotation du génrateur de gaz est une information nécessaire puisqu'en général la vitesse de rotation est utilisée pour limiter les survitesses dans une installation à deux arbres comme celle décrite ici.Il est également possible de commander le tiroir en utilisant la relation entre la pression de compression et/ou la température d'entrée de la turbine du générateur de gaz. Pour cela, il faut néanmoins prévoir des capteurs distincts pour déterminer la valeur maximale des rapports de pression ou de la température. Des essais ont montré qu'il était intéressant dans une turbine à gaz selon l'invention, d'avoir une turbine motrice à rotor réglable. Cela permet lorsque 1'échangeur de chaleur est court-circuité en charge maximale de régler le rotor de la turbine de façon à soumettre une partie plus importante de la surface du rotor de la turbine aux gaz d'échappement qui sont dans ce cas à une température d'entrée plus importante. Cela agit de façon intéressante sur la caractéristique de réception de la turbine. Pour arriver à un montage aussi réduit que possible, il est intéressant suivant une autre caractéristique de l'invention, de régler le rotor de la turbine motrice et le tiroir, en commun à l'aide d'une seule installation de réglage. L'installation de réglage elle-même fonctionne soit de façon pneumatique, hydraulique ou électrique. Suivant une caractéristique avantageuse, le tiroir est réalisé sous la forme d'un anneau concentrique à l'axe de la turbine motrice cet anneau comportant des canaux essentiellement axiaux. Le tiroir oppose ainsi une résistance d'écoulement (perte de charge) aussi réduite que possible aux gaz d'échappement. Etant donné cette réalisation, il est en outre possible de réunir l'ensemble des éléments composant la turbine à gaz en une seule unité constructive, si l'échangeur de chaleur est en deux parties ou en forme annulaire, monté concentriquement à l'axe de la machine entre le générateur de gaz et la turbine motrice. Il en résulte un encombrement très réduit de la turbine à gaz, ce qui permet son utilisation en particulier sur des équipements mobiles, par exemple des véhicules à moteur. Dans les utilisations de la turbine sur des éléments mobiles, il est particulièrement avantageux que l'échangeur de chaleur soit traversé radialement par les gaz d'échappement, de l'intérieur vers l'extérieur et que des canaux de déviation soient prévus sur l'échangeur de chaleur vers la turbine motrice, canaux dont le tiroir commande la section de passage. Cela permet de placer le tiroir pratiquement au niveau du rotor de la turbine motrice, ce qui réduit l'encombrement de l'ensemble de la turbine à gaz. La présente invention sera décrite plus en détail à l'aide des dessins annexés dans lesquels - la figure 1 est un schéma d'une turbine à gaz selon l'invention - la figure 2 est un coupe schématique de la turbine avec un schema de commande du tiroir. Selon la figure 1, la turbine comprend un compresseur i qui est entratné par la turbine 3 appelée génératrice de gaz, par l'intermédiaire de l'arbre 2. L'air comprimé qui sort du compresseur 1 passe dans un échangeur de chaleur 4 et de là dans une chambre de combustion 5 dont les gaz d'échappement alimentent la turbine 3. La sortie de la turbine 3 peut se relier par une vanne 6 soit avec l'échangeur de chaleur 4 soit avec la turbine motrice 7. L'arbore 8 fournit la puissance de sortie de la turbine motrice 7. Dans la plage des charges partielles, la vanne 6 est commutée de façon telle que les gaz d'échappement qui sortent de la turbine 3, arrivent tout d'abord dans l'échangeur de chaleur 4 pour réchauffer l'air comprimé venant du compresseur i. Comme les gaz d'échappement qui n'ont fourni jusqutà présent qu'un faible travail dans la turbine 3, par comparaison de l'énergie totale accumulée, (pour entraner le compresseur 1) les gaz d'échappement sont encore à une pression élevée à l'entrée et à la sortie de l'échangeur de chaleur 4 ; cela permet de ne prévoir qu'un échangeur de chaleur de faible volume, pour assurer un bon échange de chaleur.Après le passage dans l'échangeur de chaleur 4, les gaz d'échappement qui sont encore comprimés de façon relativement importante, passent dans la turbine motrice pour s'y détendre et fournir la puissance à l'arbre 8. Comme ce circuit entratne une réduction de la puissance spécifique rapportée au débit d'air, il ne convient que pour la plage de fonctionnement en charge partielle. Dans la plage de fonctionnement en charge maximale1 on commute pour cela la vanne 6 pour que les gaz de sortie de la turbine 3 alimentent directement la turbine motrice 7 sans passer par l'échangeur de chaleur 4. Dans ce cas, on supprime le réchauffage de l'air frais comprimé. Comme l'absence de préchauffage de l'air frais est compensé par une consommation moyenne plus élevée, le montage selon l'invention convient en particulier pour des turbines à gaz qui fonctionnent pour la plus grande partie dans la plage des charges partielles, comme par exemple les turbines à gaz de véhicules à moteur, de véhicules blindés et de véhicules sur rails. La figure 2 montre un schéma plus détaillé partiellement coupé de la disposition des divers composants de la turbine à gaz, ainsi que du circuit de réglage néces saire à la commutation. Contrairement à la figure 1, l'instal- lation de la figure 2 comporte un tronc de cône 9 entre la turbine 3 constituant le générateur de gaz et la turbine motrice 7 ; ce tronc de cône 9 est prévu pour des raisons de technique des fluides. A la périphérie du tronc de cône 9, sur son côté tourné vers la turbine motrice 7, il est fixé un organe de guidage 10. Cet organe de guidage 10 sert de surface de guidage pour la vanne 6 réalisée sous la forme d'un tiroir. L'échangeur de chaleur qui est dans le présent exemple, se compose des deux organes 4.1 et 4.2, est monté concentriquement à l'axe du tronc de cône 9. Les parties 4.1, 4.2 constituant l'échangeur de chaleur peuvent dans cet exemple, être traversées radialement de l'intérieur vers l'extérieur. Pour cette raison, il est prévu un carter Il autour' des parties constituant l'échangeur de chaleur. Le carter se trouve à une certaine distance, tant dans la direction radiale vers la turbine à gaz 7, que dans la direction axiale, par rapport aux parties de l'échangeur de chaleur. Ces intervalles forment des canaux 12 et servent à guider les gaz d'échappement vers la turbine motrice 7. Le tiroir mentionné ci-dessus est placé dans l'intervalle radial entre les échangeurs de chaleur 4.1, 4.2 et l'organe de guidage 10. Le tiroir présente des canaux de déviation 13 qui sont séparés les uns des autres par des nervures d'appui, distinctes. Le nombre et la forme des canaux de déviation 13 est tel qu'ils présentent une perte de charge ou résistance à l'écoulement aussi faible que possible pour les gaz d'échappement sortant de la turbine motrice 7. Le tiroir est monté de façon que sa périphérie bloque les canaux 12 et libère les canaux de déviation 13 ou inversement. Lorsque lé tiroir occupe la position réprésentée à la figure.2, la turbine motrice 7 travaille à charge maximale, c'est-a-dire que les parties 4.1 et 4.2 de l'échangeur de chaleur ae sont pas traversées par les gaz d'échappement, de sorte que l'air comprimé qui passe dans la chambre de combustion 5 n'est pas préchauffé. De plus, la figure 2 montre schématiquement le circuit de réglage pour commander le tiroir. Un capteur dC-vtasse de rotation 14 est branché sur l'arbre 2 du générateur de gaz ; le capteur 14 est, par exemple, un générateur tachymétrique. Le capteur 14 fournit une tension proportionnelle à la vitesse de rotation -; cette tension est appliquée à un comparateur 15 qui compare la grandeur réelle à une grandeur de consigne réglée de façon fixe. La grandeur de consigné correspond à la vitesse de rotation, limite de l'arbre 2 lorsque le générateur de gaz 3 travaille encore à la limite de la plage de la charge partielle. Lorsque, par suite de la charge appliquée à la turbine à gaz 3, la vitesse de rotation du générateur de gaz 3 augmente, la grandeur réelle dépasse la grandeur de consigne et le comparateur 15 fournit un signal à l'amplificateur 16 l'amplificateur donne une impulsion de commutation à l'installation de réglage 17 qui déplace le tiroir 6 et le fait passer de la position de charge partielle à celle de la charge totale ou maximale. Comme en fonctionnement en charge maximale, la turbine motrice 7 est alimentée par des gaz d'échappement de température plus élevée venant du générateur de gaz 3, il est intéressant, lors de la commutation sur la charge totale, de régler en même temps le rotor de la turbine motrice 7 et cela de façon à solliciter une plus grande partie de la surface du rotor par les gaz d'échappement chauds. La commutation de la charge maximale à la charge partielle se fait de facon inverse, c'est-à-dire lorsque la vitesse de rotation du générateur de gaz descend en-dessous de la grandeur de consigne réglée dans le comparateur 15, ce comparateur 15 fournit un signal à l'amplificateur 10 qui envoie une impulsion de commande à 1 'installa- tion de réglage 17 de façon à déplacer le tiroir 6 pour fermer les canaux de déviation 13 de la turbine de gaz 3 vers la turbine motrice 7. Les gaz d'échappement sont alors obligés de traverser les parties 4.1, 4.2 de ltéchangeur de chaleur ainsi que les canaux 12, si bien que l'air frais comprimé se réchauffe. Après le passage des parties de l'échan- geur de chaleur, les gaz d'échappement légèrement refroidis passent dans la turbine motrice 7. REVENDICATIONS 1) Turbine à gaz composée d'un compresseur couple mécaniquement à un générateur de gaz, d'une chambre de combustion, d'une turbine motrice reliée mécaniquement à une machine à entraîneur ainsi qu'un échangeur de chaleur pour l'air comprimé, turbine caractérisée en ce que ltéchangeur de chaleur (4) est branché dans le chemin des gaz d'échappement entre le générateur de gaz (3) et la turbine motrice (7), en fonctionnement en charge partielle, alors qu'en fonctionnement en charge maximale, les gaz d'échappement du générateur de gaz (3) passent directement dans la turbine motrice (7). 2) Turbine à gaz selon la revendication 1, caractérisée en ce que l'échangeur de chaleur (4) est un récupérateur. 3) Turbine à gaz selon l'une quelconque des revendications 1 et 2, caractérisée par un tiroir axial (6) pour la commutation entre la charge partielle et la charge maximale, ce tiroir étant commandé en fonction de la vitesse de rotation du générateur de gaz (3). 4) Turbine à gaz selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, comportant une turbine motrice avec un rotor réglable, turbine caractérisée en ce que le rotor de la turbine motrice (7) et le tiroir (6) sont réglables en commun par un dispositif de réglage (17). 5) Turbine à gaz selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisée en ce que le tiroir (6) est constitué par un anneau monté concentriquemeRt à l'axe de la turbine motrice, cet anneau comportant des canaux dirigés essentiellement dans la direction axiale. 6) Turbine à gaz selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisée en ce que le générateur de gaz (1, 3, 5) et la turbine motrice (7) sont montés coaxialement et sont réunis sous la forme d'une unité constructive, et en ce que l'échangeur de chaleur (4) est composé de deux parties (4.1, 4.2) en étant monté concentriquement à l'axe de la machine entre le générateur de gaz (3) et la turbine motrice (7). 7) Turbine à gaz selon la revendication 6, caractérisée en ce que ltéchangeur de chaleur (4) est parcouru par les gaz d'échappement, radialement de l'intérieur vers l'extérieur et en ce que des canaux de déviation (11, 12) sont prévus sur l'échangeur de chaleur (4) du coté de la turbine motrice (11), la section de passage des canaux de déviation étant réglable par le tiroir (6).