Brevet FR2533628A2 — publié le 19840330

FR 2533628 A2 19840330 FR 8216225 A 19820927 Installation de production d'énergie à générateur à pistons libres La présente invention concerne les installations de production d'énergie comprenant un générateur de gaz à pistons libres à plusieurs compartiments compresseurs et au moins un cylindre-moteur et une turbine à gaz qui reçoit les gaz d'échappement du cylindre moteur ou des cylindres moteurs. Le brevet FR 78 22168 décrit et revendique une installation de ce genre, dont les compartiments compresseurs sont répartis en une première fraction et une seconde fraction, les compartiments compresseurs de la première fraction étant alimentés en air par un compresseur rotatif à travers un premier refroidisseur a'air et fournissant de l'air comprimé chaud qui est, au moins partiellement, envoyé à une turbine auxiliaire tandis que les compartiments compresseurs appartenant à la seconde fraction sont alimentés par un compresseur rotatif à travers un second refroidisseur et alimentent le cylindre moteur ou les cylindres moteurs à travers un troisième refroidisseur. En général, le même compresseur rotatif alimentera tous les compartiments compresseurs et sera entrainé par la turbine auxiliaire. Dans le mode particulier de réalisation décrit à titre d'exemple dans le brevet FR 78 22168, la portion de l'air comprimé chaud qui n'est pas envoyée à une turbine auxiliaire est mélangée aux gaz d'échappement pour alimenter la turbine à gaz de puissance. Une telle installation permet d'utiliser dans de bonnes conditions l'air fourni par les compartiments compresseurs en excès par rapport à ce qui est nécessaire au fonctionnement dans de bonnes conditions des cylindres moteurs. Mais l'air comprimé chaud obtenu à la sortie des compartiments compresseurs de la premièrefraction est à une température nettement inférieure à celle des gaz de combustion et il est même souhaitable, à puissance donnée d'un cylindre compresseur, d'aug menter le débit d'air qutil fournit plutôt que la surpres- sion pour limiter les problèmes thermiques à la sortie des cylindres compresseurs. Le mélange direct avec les gaz d'échappement des cylindres moteurs n'est donc pas totalement satisfaisant. L'invention vise à fournir une installation permet tant d'utiliser Il air en excès fourni par les compresseurs avec un meilleur rendement thermodynamique. Elle vise au surplus , dans un mode de réalisation particulièrement avan tageux, à ajouter à l'installation un cycle haute pression supplémentaire ne mettant en oeuvre que des moyens classiques, donc parfaitement fiables, augmentant, pour un dimensionnement donné du générateur à pistons libres, la puissance plafond et la sou plesse de fonctionnement. Dans ce but, l'invention propose notamment une ins tallation du genre ci-dessus défini comportant des moyens pour réchauffer l'air comprimé chaud avant envoi à la tur bine auxiliaire et, éventuellement, à la turbine à gaz. Ces moyens de réchauffe peuvent notamment comporter un échangeur de chaleur avec les gaz d'échappement de la turbine à gaz de puissance et/ou une chambre de combustion du type couramment utilisé dans les installations à turbine à gaz. Dans une installation ayant un cycle haute pression supplémentaire, les moyens de réchauffe sont incorporés à une boucle haute pression qui comprend un compresseur haute pression et une turbine calés sur le même arbre, indépendant de celui de la turbine à gaz de puissance, les moyens de réchauffe, qui comportent alors une chambre de combustion, étant placés entre compresseur et turbine haute pression. En général, l'énergie apportée par les moyens de chauffage se retrouvera sous forme d'une élévation de pres sion qui amène les gaz à la sortie de la turbine à une pression supérieure à celle des gaz d'échappement du compar timent ou des compartiments moteurs. Dans ce cas, la pression des gaz provenant de la turbine haute pression sera ramenée à la même valeur que les gaz de sortie des compartiments moteurs dans une turbine d'équilibrage qui peut notamment être montée soit sur le même arbre que la turbine à gaz de puissance, soit sur un arbre d'entratnement d'un compresseur ou d'un corps de compresseur rotatif alimentant une fraction ou les fractions de compartiments compresseurs. L'invention sera mieux comprise à la lecture de la description qui suit de modes particuliers de réalisation, donnés à titre d'exemples non limitatifs. La description se réfère aux dessins qui l'accompagnent, dans lesquels - la Figure 1 est un schéma montrant une installation dérivant de celle décrite dans le brevet 78 22168 par la simple adjonction de moyens de réchauffe, - la Figure 2 est un schéma montrant un autre mode de réalisation de l'invention, comprenant un cycle haute pression, - les Figures 3 et 4 montrent divers montages possibles de la turbine d'équilibrage. La figure 1 montre une installation dont la disposition générale est la même que celle du brevet FR 78 22168. Les organes correspondant à ceux déjà décrits dans ce brevet porteront en conséquence les mêmes numéros de référence. L'installation schématisée en figure 1 comporte un générateur à pistons libres qui peut être un générateur multi-tandem du genre montré dans le brevet déjà mentionné. La figure montre deux cylindres compresseurs 3a et 3n dans lesquels les pistons compresseurs 2a et 2n limitent des compartiments de compression. Le piston 2n est mécaniquement couplé à deux pistons moteurs 7 placés l'un dans un cylindre moteur 5, l'autre dans un cylindre moteur 6. Le piston 2a est couplé mécaniquement à des pistons 8 placés-également dans les cylindres 5 et 6. Les compresseurs 3a et 3n sont alimentés par un compresseur rotatif de suralimentation 20, respectivement par l'intermédiair-e de refroidisseurs d'air 22 et 23, ce dernier imposant à l'air qui le traverse une baisse de température plus importante que le refroidisseur 22. L'air refoulé du compresseur 3n traverse un troisième refroidisseur 24 avant d'être admis dans les cylindres moteurs 5 et 6 par des lumières d'admission et de balayage. Les gaz d'échappement des cylindres moteurs sont envoyés à une ou plusieurs turbines à gaz 25 entraînant un ou plusieurs alternateurs 26. Des vannes de réglage sont prévues pour que la quantité d'air admise aux cylindres moteurs assure une combustion et un balayage satisfaisants et sans surchauffe. Une fraction de l'air provenant du compresseur 3a alimente une turbine auxiliaire 27 qui entraîne le compresseur 20. Dans le mode de réalisation décrit en figure 1, l'échappement de la turbine 27 s'effectue à l'air libre. Le reste de l'air provenant du compresseur 3a est mélangé, par l'intermédiaire d'une vanne 28, aux gaz d'échappement pour actionner la turbine 25. Conformément à l'invention, l'air sortant du compar timent compresseur 3a est soumis à une réchauffe. Cette réchauffe peut notamment s'effectuer dans un échangeur de chaleur 40 de récupération de la chaleur des gaz d'échappement de la turbine à gaz 25. Un réchauffage complémentaire peut être effectué à l'aide d'une chambre de combustion 41 alimentée en combustibIe et permettant de fournir des gaz à une température telle que la température d'entrée aux turbines 25 et 27 assure un bon rendement de ces dernières. Par ailleurs, le compresseur 20 est avantageusement à deux corps 60 et 61, avec refroidissement intermédiaire dans un re-froidisseur 62-, lorsque l'on souhaite obtenir un rapport de compression élevé. Cette disposition sera généralement adoptée lorsque l'énergie thermique apportée par les moyens de réchauffede l'air sortant du compresseur 3a représente une fraction notable de l'énergie totale fournie à la turbine auxiliaire 27. Un filtre à air 63 est généralement prévu sur l'admission d'air. Une installation permettant d'atteindre une puissance nettement plus élevée tout en conservant un bon rendement est montrée en figure 2. Elle se différencie notamment de celle de la figure 1 par l'adjonction d'un cycle haute pression. Pour cela, l'installation comporte une turbo-machine haute pression ayant un compresseur 43 et une turbine 44 calés sur le même arbre, indépendant de l'arbre de l'alternateur 26, donc pouvant fonctionner à vitesse variable. Le compresseur 43 reçoit l'air provenant du compartiment compresseur 3a, avantageusement par l'intermédiaire d'un refroidisseur d'air 45 et d'une vanne de décharge 46, permettant en cas de besoin de décharger à l'atmosphère l'air provenant du compresseur 3a. Entre le compresseur 43 et la turbine 44 l'air circule dans un récupérateur 47, puis dans une chambre de combustion 48.Le mélange d'air et de gaz de combustion provenant de la chambre 48 se détend partiellement dans la turbine haute pression 44. L'arbre de la machine rotative haute pression ainsi constituée ne fournissant aucune puissance utile, la pression de sortie de la turbine 44 sera supérieure à la pression d'entrée dans le compresseur 43 et elle pourra être utilisée de plusieurs façons. A condition de munir l'installation d'un système de régulation qui maintient la pression de sortie de la turbine 44 à une valeur comparable à la pression de sortie des compartiments moteurs, on peut mélanger directement les deux flux de gaz, par une conduite 49 placée comme indiqué en double trait sur la figure 2. On diminue ainsi le travail de compression requis du compresseur 3a à débit donné. La puissance disponible sur le générateur 1 étant fixée par le fonctionnement des cylindres moteurs 2a et 2n, on peut augmenter le débit secondaire d'air fourni par le compresseur 3a, dans toute la mesure permise par les limites technologiques sur le diamètre du cylindre compresseur (ou des cylindres compresseurs) 3a. Le mélange de gaz, présentant une forte proportion d'air, ainsi obtenu, est admis dans une chambre de combustion 41 dont le flux de sortie est admis à la turbine à gaz de puissance 25 entraînant l'alternateur 26. Dans cette solution, l'air provenant du compresseur 3a n'arrive à la turbine auxilaire 27, entraînant le compresseur rotatif 20, qu à travers la turbine de puissance 25. La chaleur latente encore présente dans les gaz détendus à la s-ortie de la turbine 27 est utilisée pour réchauffer l'air du cycle haute pression dans le récupérateur 47. Dans une variante de réalisation, qui sera préférable dans la plupart des cas, la régulation est prévue pour que la pression des gaz à la sortie de la turbine 44 soit supérieure à la pression de sortie des compartiments moteurs 5 et 6. Dans ce cas, il est nécessaire de détendre les gaz provenant de la turbine 44 dans une turbine supplémentaire d'équilibrage 50 prévue pour ramener la pression à la même valeur qu'à la sortie des compartiments moteurs. Dans le cas illustré en tirets sur la figure 2, cette turbine 50 est calée sur l'arbre de l'alternateur 26 et de la turbine à gaz de puissance 25. Le montage mécanique peut alors être celui de la figure 3 où l'arbre de la machine haute pression est tubulaire et concentrique à celui de l'ensemble turbine à gaz de puissance-turbine d'équilibrage-alternateur.Dans cette solution, l'énergie du cycle haute pression est directement appliquée sur l'arbre de l'alternateur. Dans la variante montrée en figure 4, l'arbre tubulaire de la machine tournante haute pression est monté sur un arbre d'entraînement du second corps 61 (corps moyenne pression) du compresseur 20 par la turbine d'équilibrage 50. Le premier corps 60 reste entraîné par la turbine auxiliaire 27, comme dans le cas de la figure 2. Dans ce dernier cas, la turbine d'équilibrage 50 diminue le travail à fournir par la turbine auxiliaire 27 à basse pression, donc permet de diminuer sa pression d'entrée et la puissance utile de la turbine à gaz de puissance 25 entraînant l'alternateur. Les deux corps du compresseur 20 devant alors être séparés, le montage du refroidisseur intermédiaire 62 devient particulièrement commode. On voit que les montages des figures 3 et 4 minimisent les parcours de fluides à pression ou température élevée et évitent de faire voisiner des machines travaillant dans des conditions très différentes. Mais, dans tous les cas, l'apport d'énergie à l'aide d'une ou de plusieurs chambres de combustion permet de répartir la fourniture~d'énergie à la turbine à gaz entre plusieurs sources et d'augmenter considérablement la souplesse et la fiabilité. REVENDICATIONS 1. Installation de production d'énergie à générateur à pistons libres comprenant un générateur de gaz à pistons libres à plusieurs compartiments compresseurs (3a, 3n) et au moins un cylindre moteur (5, 6) et une turbine à gaz (25) qui reçoit les gaz d'échappement du cylindre moteur ou des cylindres moteurs, dont les compartiments compresseurs sont répartis en une première fraction et une seconde fraction, les compartiments compresseurs (3a) de la première fraction étant alimentés en air par un compresseur rotatif (20) à travers un premier refroidisseur d'air (22) et fournissant de l'air comprimé chaud qui est, au moins partiellement, envoyé à une turbine auxiliaire (27) tandis que les comparti ments compresseurs (3n) appartenant à la seconde fraction sont alimentés par un compresseur rotatif (20) à travers un second refroidisseur (23) et alimentent le cylindre moteur ou les cylindres moteurs (5, 6) à travers un troisième refroidisseur (24), caractérisée par des moyens (40, 41 ; 47, 48, 41) pour réchauffer l'air comprimé chaud avant envoi à la turbine auxiliaire (27) et, éventuellement, à la turbine à gaz (25). 2. Installation suivant la revendication 1, caractérisée en ce que les moyens de réchauffe comportent un échangeur de chaleur- avec les gaz d'échappement de la turbine à gaz de puissance (40 ; 47) et/ou une chambre de combustion (41). 3. Installation suivant la revendication 1 ou 2, caractérisée en ce qu'elle comprend un cycle haute pression supplémentaire auquel sont intégrés les moyens de réchauffe. 4. Installation suivant la revendication 3, caractérisée en ce que les moyens de réchauffe (47, 48, 41) sont incorporés à une boucle haute pression qui comprend un compresseur haute pression (43) et une turbine (44) calée sur le même arbre indépendant de celui de la turbine à gaz de puissance et comportent une chambre de combustion (48) placée entre compresseur et turbine haute pression. 5. Installation suivant la revendication 3 ou 4, caractérisée en ce que la pression des gaz provenant de la turbine haute pression est ramenée à la même valeur que les gaz de sortie des compartiments moteurs dans une turbine d'équilibrage (50)~montée sur l'arbre de la turbine à gaz (25) ou sur un arbre d'entraînement d'un corps (61) du compresseur rotatif (20).