Brevet FR2552163A1 — publié le 19850322

Perfectionnements apportés aux installations à turbines à gaz dans lesquelles l'air issu du compresseur est réchauffé L'invention est relative aux installations à turbines à gaz comportant au moins un compresseur, au moins une chambre de combustion, au moins une turbine haute pression entraînant le compresseur, et au moins une turbine basse pression indépendante de la turbine haute pression et entraînant un organe récepteur. Dans une telle installation, on a déjà proposé de réchauffer l'air issu du compresseur, et avant son admission dans la chambre de combustion, par les gaz de combustion issus de la turbine basse pression, et ce grâce à un échangeur situé en aval de cette turbine basse pression. Or, de tels échangeurs situés en aval de la turbine basse pression sont encombrants, présentent un poids important et sont sujets à des fuites ou à un encrassement. Pour remédier à de tels inconvénients, l'installation conforme à l'invention comporte, pour réchauffer tout ou partie de l'air issu du compresseur avant son admission dans la chambre de combustion, des moyens d'échanges thermiques disposés entre la turbine haute pression et la turbine basse pression et traversés par une partie au moins des gaz de combustion issus de la turbine hautte pression. Grâce à cette disposition, on obtient les avantages suivants - le rapport de pression optimisé est plus élevé que dans le cas de l'échangeur situé en aval de la turbine basse pression, - les sections offertes par la partie froide de ces moyens d'échanges thermiques sont diminuées, dans des proportions importantes pouvant atteindre la moitié, par rapport à la partie froide d'un échangeur situé en aval de la turbine basse pression; il en résulte donc une diminution notable de l'encombrement et du poids ; - la partie chaude de ces moyens d'échanges thermiques est traversée par un fluide à pression sensiblement plus élevée, de l'ordre de quatre fois, que dans le cas de la partie chaude d'un échangeur situé en aval de la turbine basse pression ; il en résulte, malgré le fait que la température soit plus élevée, une diminution importante, de l'ordre de trois, de l'encombrement et du poids ; - les fuites éventuelles se produisant dans les moyens d'échanges thermiques situés entre la turbine haute pression et la turbine basse pression ne sont pas totalement perdues puisqu'elles se récupèrent, au moins partiellement, dans la turbine basse pression ; - l'encrassement des moyens d'échanges thermiques situés entre la turbine haute pression et la turbine basse pression conduit à une diminution de rendement beaucoup plus faible que celle produite dans le cas de l'encrassement d'un échangeur situé en aval de la turbine basse pression, car il se produit alors, en cas d'encrassement des susdits moyens d'échanges thermiques, une augmentation de la puissance délivrée par la turbine basse pression. Les moyens d'échanges thermiques sont de préférence agencés pour présenter une efficacité variable. Selon un premier mode de réalisation de l'invention, il est prévu - un échangeur de chaleur disposé entre la turbine haute pression et la turbine basse pression et parcouru par au moins une partie des gaz de combustion issus de la turbine haute pression ; - un échangeur de chaleur disposé entre le compresseur et la chambre de combustion et parcouru par au moins une partie de l'air issu du compresseur, - et un circuit de fluide caloporteur, éventuellement muni de moyens de réglage, reliant les deux susdits échangeurs. Dans ce mode de réalisation, les échangeurs sont de type statique. Selon un autre mode de réalisation de l'invention, il est prévu, - un échangeur de chaleur disposé entre la turbine haute pression et la turbine basse pression et parcouru par au moins une partie des gaz de combustion issus de la turbine haute pression, - et un circuit par lequel au moins une partie de l'air issu du compresseur, partie éventuellement réglable, est dirigé vers le susdit échangeur avant d'être admis dans la chambre de combustion. Dans ce mode de réalisation, l'échangeur peut être de type statique ou rotatif. Selon une disposition avantageuse de l'invention, il est prévu un dispositif de variation de section de la turbine basse pression, grâce à cette disposition, on peut remédier aux chutes de rendement de cette turbine basse pression aux régimes intermédiaires, car l'effet dû à cette variation de section se trouve très sensiblement augmenté grâce à la présence des moyens d'échanges thermiques situés entre la turbine haute pression et la turbine basse pression, les calories récupérées en amont de la turbine basse pression étant réintroduites en amont de la chambre de combustion. L'invention consiste, mise à part la disposition dont il vient d'être-question, en certaines autres dispositions qui s'utilisent de préférence en même temps et dont il sera plus explicitement parlé ci-après. L'invention pourra, de toute façon, être bien comprise à l'aide du complément de description qui suit, ainsi que des dessins ci-annexés, lesquels complément et dessins sont relatifs à des modes de réalisation préférés de l'invention et ne comportent, bien entendu, aucun caractère limitatif. La fig. 1, de ces dessins, est une vue schématique d'une installation à turbines à gaz établie conformément à un premier mode de réalisation. La fig. 2 est une vue schématique d'une installation à turbines à gaz établie conformément à un autre mode de réalisation de l'invention La fig. 3 est le diagramme thermodynamique d'une installation à turbines à gaz établie conformément à 1 'invention. La fig. 4 est un diagramme montrant l'avantage, au point de vue rendement, d'une installation à turbines à gaz établie conformément à l'invention. La fig. 5 est un diagramme montrant l'évolution du rendement d'une installation à turbines à gaz établie conformément à l'invention. Comme montré sur les fig. 1 et 2, l'installation à turbines à gaz comporte un compresseur 1, une chambre de combustion 2, une turbine haute pression 3 comportant une roue 31 entraînant le compresseur par l'intermédiaire d'un arbre 4, une turbine basse pression 5 indépendante de la turbine haute pression 3 comportant un distributeur réglable 16 et une roue 51 et entraînant un organe récepteur 6 qui peut être une soufflante de double flux ou le corps basse pression d'un monoflux, par l'intermédiaire d'un arbre 7. Pour réchauffer tout ou partie de l'air issu du compresseur 1 avant son admission dans la chambre de combustion 2, il est prévu des moyens d'échanges thermiques 8 disposés entre la turbine haute pression 3 et la turbine basse pression 5. Ces moyens d'échanges thermiques 8 sont traversés Dar tout ou partie des gaz de combustion issus de la turbine haute pression. Selon le mode de réalisation illustré sur la fig. 1, ces moyens d'échanges thermiques 8 comportent, - un échangeur de chaleur 9 disposé entre la turbine haute pression 3 et la turbine basse pression 5 et parcouru par au moins une partie des gaz de combustion issus de la turbine haute pression 3 - un échangeur de chaleur 10 disposé entre le compresseur 1 et la chambre de combustion 2 et parcouru par au moins une partie de l'air issu du compresseur 1, - et un circuit de fluide caloporteur ll, éventuellement muni de moyens de réglage 12, reliant les deux susdits échangeurs 10 et 11. Selon le mode de réalisation illustré sur la fig. 2, ces moyens d'échanges thermiques 8 comportent - un échangeur de chaleur 13 disposé entre la turbine haute pression 3 et la turbine basse pression 5 et parcouru par au moins une partie des gaz de combustion issus de la turbine haute pression 3 - et un circuit 14 par lequel au moins-une partie de l'air issu du compresseur 1, partie éventuellement réglable par des moyens de réglage 15, est dirigé vers le susdit échangeur 13 avant d'être admis dans la chambre de combustion 2. Sur le diagramme thermodynamique de la fig. 3, on a porté, en abscisses, l'entropie S, et, en ordonnées, la température T. Le cycle d'une installation à turbines à gaz avec échangeur situé en aval de la turbine basse pression est représenté par la ligne ABCDEFG. Le cycle d'une installation à turbines à gaz conforme à l'invention, c'est-à-dire avec moyens d'échanges thermiques 8 situés entre la turbine haute pression et la turbine basse pression, est représenté par la ligne ABCDEKLM. Les calories récupérées suivant EK sont réinjectées en CC' à l'entrée de la chambre de combustion 2. En particulier, on constate que si l'efficacité des moyens d'échanges thermiques 8 diminue (encrassement de l'échangeur), K vient en K1 et la puissance est représentée par K1L1 qui est supérieur à KL. Sur le diagramme de la fig. 4, on a porté en abscisses le rapport W Puissance de la turbine basse pression 5 WM Puissance maximum de la turbine basse pression 5 et, en ordonnées, le rendement n. La courbe I représente l'évolution du rendement d'une installation à turbines à gaz conforme à l'art antérieur. Si on munit la turbine basse pression 5 d'un dispositif de variation de section 16 ou distributeur réglable (fig. 1 et 2), l'évolution du rendement de l'installation est représentée par la courbe Il. Si l'installation comporte, conformément à l'invention, des moyens d'échanges thermiques 8 situés entre la turbine haute pression 3 et la turbine basse pression 5, l'évolution du rendement est représentée par la courbe III. Si, en plus, et conformément à une disposition avantageuse de l'invention, on fait comporter à l'installation le dispositif de variation de section 16 de la turbine basse pression 5, l'évolution du rendement est représentée par la courbe IV. On constate donc, sur ce diagramme de la fig. 4, tout l'intérêt qu'il y a à combiner les moyens d'échanges thermiques 8 situés entre la turbine haute pression 3 et la turbine basse pression 5, avec le dispositif de variation de section 16 de la turbine basse pression 5. On va maintenant examiner l'intérêt qu'il y a, grâce aux moyens de réglage 15, à faire passer dans les moyens d'échanges thermiques 8, - la totalité des gaz de combustion issus de la turbine haute pression 3, - une partie de plus en plus faible de l'air issu du compresseur 1, le reste de cet air étant dirigé directement vers la chambre de combustion 3. On réalise ainsi des moyens d'échanges thermiques 8 dont l'efficacité varie d'une valeur maximale (tout le débit d'air issu du compresseur 1 les traverse) à une valeur nulle (aucun débit d'air issu du compresseur 1 ne les traverse). De tels moyens d'échanges thermiques 8 à efficacité variable peuvent également être réalisés grâce aux moyens de réglage 12. La variation de rendement TI est alors représentée sur la fig. 5 sur laquelle on a porté, en abscisses, la puissance WN de la turbine basse pression 5 et en ordonnées le rendement fl. Les courbes I et II montrent respectivement l'evolu- tion du rendement , jusqu'à la puissance maximum WM de la turbine basse pression 5, dans le cas où seuls les moyens d'échanges thermiques 8 sont prévus (courbe I), et dans le cas où on combine les moyens d'échanges thermiques 8 avec le dispositif de variation de section 16 (courbe II). A la puissance maximum WM, ces deux courbes se rejoignent en M'. La courbe III montre l'évolution du rendement p jusqu'au point M correspondant à la puissance maximum WM de la turbine basse pression 5 dans le cas d'une installation classique. Lorsque l'on passe, dans une installation selon l'invention comportant les moyens d'échanges thermiques 8 à efficacité variable, d'une efficacité maximum à une efficacité nulle, on décrit la courbe M'M" pour aboutir à une puissance maximum de (1 + k) WM pour un rendement à peine inférieur au rendement correspondant au point M (du fait de la perte de charge subie par les gaz de combustion lors de leur passage dans les moyens d'échanges thermiques 8). Cette courbe M'M" est en général obtenue en agissant également sur le dispositif de variation de section 1o. Donc, lorsqu'on agit sur l'efficacité des moyens échanges thermiques 8, on obtient une puissance maximum de la turbine basse pression 5 de (1 + k)WN : de ce fait, à 50% de cette puissance maximum, le rendement est donné par l'ordonnée du point B", alors qu'à 50% de la puissance WM de la turbine basse pression d'une installation classique le rendement est donné par l'ordonnée, sensiblement plus faible, du point A. La présence des moyens d'échanges thermiques entre la turbine haute pression et la turbine basse pression, la possibilité de faire varier l'efficacité de ces moyens d'échanges thermiques, et le fait de prévoir un dispositif de réglage de section sur la turbine basse pression permettent, dans les régimes de fonctionnement réduit, de réaliser des gains de rendement très importants. Les moyens d'échanges thermiques 8, et notamment l'échangeur de chaleur 9 ou 13 disposé entre la turbine haute pression 3 et la turbine basse pression 5 sont réalisés totalement ou partiellement en matériaux bons conducteurs de la chaleur et résistant aux hautes températures ; en particulier,on peut faire appel à des céra moues telles que le carbure ou le nitrure de silicium. REVENDICATIONS 1.- Installation à turbines à gaz comportant au moins un compresseur (1), au moins une chambre de combustion (2), au moins une turbine haute pression (3) entraînant le compresseur (1) et au moins une turbine basse pression (5) indépendante de la turbine haute pression (3) et entraînant un organe récepteur (6), caractérisée par le fait qu'elle comporte en outre, pour réchauffer tout ou partie de l'air issu du compresseur (1) avant son admission dans la chambre de combustion (2), des moyens d'échanges thermiques (8) disposés entre la turbine haute pression (3) et la turbine basse pression (5) et traversés par une partie au moins des gaz de combustion issus de la turbine haute pression (3). 2.- Installation à turbines à gaz selon la revendication 1, caractérisée par le fait que les moyens d'échanges thermiques (8) sont agencés pour présenter une efficacité variable. 3.- Installation à turbines à gaz selon la revendication 1 ou 2, caractérisée par le fait que les moyens d'échanges thermiques (8) comportent - un échangeur de chaleur (9) disposé entre la turbine haute pression (3) et la turbine basse pression (5) et parcouru par au moins une partie des gaz de combustion issus de la turbine haute pression (3), - un échangeur de chaleur (10) disposé entre le compresseur et la chambre de combustion (2) et parcouru par au moins une partie de l'air issu du compresseur (1), - et un circuit de fluide caloporteur (11) reliant les deux susdits échangeurs (10) et (11). 4.- Installation à turbines à gaz selon la revendication 3, caractérisée par le fait que le circuit de fluide caloporteur (11) est muni de moyens de réglage (12). 5.- Installation à turbines à gaz selon la revendication 1 ou 2, caractérisée par le fait que les moyens d'échanges thermiques (8) comportent - un échangeur de chaleur (13) disposé entre la turbine haute pression (3) et la turbine basse pression (5) et parcouru par au moins une partie des gaz de combustion issus de la turbine haute pression (3), - et un circuit (14) par lequel au moins une partie de l'air issu du compresseur (1) est dirigé vers le susdit échangeur (13) avant d'être admis dans la chambre de combustion (2). 6.- Installation à turbines à gaz selon la revendication 5, caractérisée par le fait que le circuit (14) est muni de moyens de réglage (15). 7.- Installation à turbines à gaz selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisée par le fait que la turbine basse pression (5) comporte un dispositif de variation de section (16). 8.- Installation à turbines à gaz selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisée par le fait que les moyens d'échanges thermiques (8), notamment l'échangeur de chaleur (9 ou 13) disposé entre la turbine haute pression (3) et la turbine basse pression (5) ,sont réalisés, au moins en partie, en céramique. 9.- Installation à turbines à gaz selon la revendication 8, caractérisée par le fait que cette céramique est constituée par du carbure ou du nitrure de silicium.