Brevet FR2585408A1 — publié le 19870130

L'invention concerne la construction des turbines et a notamment pour objet une turbine à gaz axiale. La turbine à gaz axiale conforme à la présente invention peut être utilisée le plus efficacement dans le domaine de la métallurgie pour l'utilisation de l'énergie des gaz provenant d'un haut fourneau. La turbine à gaz axiale proposée peut être également utilisée dans les industries chimique, pharmaceutique, dans la production d'énergie ainsi que dans d'autres branches de l'industrie afin d'employer l'énergie de la pression de gaz chargés de poussières qui se déposent sur les surfaces des éléments de la turbine à gaz axiale. On connaît une turbine à gaz axiale (voir, par exemple, l'ouvrage "Turbines à gaz de bateaux" par Artemov G.A., Boykov V.P., Gilmutdinov A.G., Léningrad, Editions "Sudostroénie", 1978, p. 248, fig.6.3, pp.142 à 143) comprenant un convergent, un aubage et un divergent se succédant dans le sens du courant et montés sur un même axe. Le convergent sert à rétrécir le courant de gaz. L'aubage de la turbine à gaz axiale connue est destiné à transformer l'énergie des gaz en énergie mécanique. La turbine À gaz axiale connue comporte aussi un dispositif d'injection d'un liquide détergent ou de lavage servant à laver l'aubage. Ce dispositif d'injection de liquide détergent est un collecteur circulaire muni de six injecteurs. Le collecteur communique avec la source de liquide détergent et se situe dans le corps, en amont de l'aubage, sur l'axe de la turbine à gaz axiale. Le dispositif d'injection de liquide détergent sert à évacuer les poussières déposées sur les aubes de la turbine à gaz axiale (dans le cas de cette turbine connue il s'agit de sels). Néanmoins, dans cette turbine, la répartition des gouttes de liquide détergent à l'entrée de l'aubage n'est pas régulière. Cela s'explique par le fait que l'amenée du liquide détergent est assurée par six injecteurs dont les jets se recouvrent mutuellement afin d'exclure la présence de zones dans lesquelles les gouttes de liquide détergent n'arrivent pas. Par suite du recouvrement des jets, il se forme des zones à concentration élevée des gouttes de liquide détergent. La répartition irrégulière des gouttes de liquide détergent, ou plus exactement, la concentration accrue des gouttes de liquide dans les zones de recouvrement des jets, peut aboutir à une usure par érosion intense de l'aubage de la turbine à gaz axiale, ce qui réduit notablement la longévité de l'aubage. De plus, l'usure par érosion de l'aubage nécessite une diminution du débit de liquide détergent, ce qui aboutit, à son tour, à un nettoyage peu efficace de l'aubage et à une baisse de la puissance de la turbine à gaz axiale. D'autre part, dans cette turbine à gaz axiale, le flùx de gaz n'est mis en turbulence que dans un court tronçon du convergent. Les particules de poussière n'ont pas le temps de se débarrasser de l'enveloppe gazeuse absorbée empêchant la coagulation des poussières avec les gouttes de liquide détergent, et elles conservent leur aptitude à l'adhésion, ctest-à-dire leur aptitude à se coller aux surfaces des éléments de la turbine à gaz axiale. On s'est donc proposé de mettre au point une turbine à gaz axiale dont le dispositif d'injection de liquide détergent serait conçu de manière à permettre de réduire l'usure par érosion de l'aubage. Ce problème est résolu à l'aide d'une turbine à gaz axiale dans laquelle sont disposés l'un après l'autre (dans le sens du courant) un convergent et un aubage, et qui est munie d'un dispositif d'injection d'un liquide détergent ou de lavage, caractérisée, selon l'invention, en ce que le dispositif d'injection de liquide détergent comporte, à l'entrée du convergent, un diaphragme comportant au moins un canal dont l'aire de section transversale et la longueur sont suffisantes pour la coagulation des poussières contenues dans le courant de gaz avec les gouttes de liquide détergent, et un injecteur disposé suivant l'axe de la turbine à gaz axiale, en amont du diaphragme et à une distance L de ce dernier déterminée par la formule où L est la distance entre l'injecteur et le diaph-ragme, D est le diamètre suivant les bords extérieurs du canal de diaphragme, K est un coefficient établi empiriquement et compris dans une plage de 0,2 à 0,7, otest l'angle de pulvérisation de l'injecteur. La réalisation du dispositif d'injection du liquide détergent avec un seul injecteur placé suivant l'axe de la turbine à gaz axiale supprime les zones à concentration élevée des gouttes de liquide détergent et permet de prévenir l'usure par érosion intense de l'aubage. La suppression des zones à concentration élevée des gouttes de liquide détergent, dans lesquelles peut avoir lieu une usure intense de l'aubage, permet d'augmenter le débit du liquide détergent utilisé pour le lavage, ce qui améliore l'efficacité de l'élimination des poussières recouvrant l'aubage. Le fait que le dispositif d'injection de liquide détergent placé à l'entrée du convergent comporte un diaphragme dans lequel est pratiqué au moins un canal permet de réduire l'aptitude des poussières à adhérer à la surface des éléments de la turbine à gaz axiale grâce à la coagulation des poussières avec les gouttes de liquide détergent. De plus, l'accroissement de la vitesse des gouttes de liquide détergent dans le diaphragme comportant au moins un canal améliore l'aptitude des gouttes à détruire la couche de poussières déposées sur les aubes de la turbine à gaz axiale. La disposition de l'injecteur à l'amont du diaphragme et à une distance L de ce dernier a un effet qui peut être expliqué comme suit. A la sortie de l'injecteur, les gouttes de liquide détergent ont une composante de vitesse radiale et une composante de vitesse axiale. Au fur et à mesure du déplacement des gouttes dans le courant de gaz, leur vitesse radiale décroît par suite de leur freinage dans le courant de gaz du fait que ce dernier n'a pas de vitesse radiale. La composante axiale de la vitesse des gouttes est généralement différente de la vitesse axiale du flux de gaz. Donc, au cours du déplacement des gouttes dans le courant, celles-ci changent de direction. La disposition de l'injecteur en amont du diaphragme et à une distance L de ce dernier permet d'imprimer aux gouttes de liquide détergent des trajectoires qui,comme l'ont montré les expériences réalisées, intersectent le diaphragme principalement dans les limites de la zone du diaphragme délimitée par le bord extérieur du canal. De ce fait, lors du mouvement subséquent des gouttes après le diaphragme, le convergent assure leur répartition régulière à l'entrée de l'aubage. Quand K = 0,2, les gouttes de liquide détergent se séparent et se déposent sur les parois, ce qui peut provoquer l'usure par érosion de l'aubage. Quand K = 0,7, les gouttes de liquide détergent n'arrivent pas à recouvrir la zone périphérique de l'aubage. I1 est avantageux que l'injecteur soit du type centrifuge. L'emploi d'un injecteur centrifuge permet en effet d'obtenir un jet dont la section transversale a une forme annulaire. Grâce à cette forme, et étant donné que l'entrée de l'aubage a généralement une forme circulaire, tout le liquide détergent arrive dans l'aubage sans se déposer sur la paroi intérieure du convergent. Ainsi, grâce au nettoyage de l'aubage permettant d'enlever le dépôt des poussières contenues dans le courant de gaz, la turbine à gaz axiale conforme à la présente invention assure une utilisation efficace de l'énergie du courant de gaz qu'elle emploie. La turbine à gaz axiale revendiquée est d'un entretien simple, d'un fonctionnement fiable et d'une durée de vie élevée. L'invention sera mieux comprise et d'autres buts, détails et avantages de celle-ci apparaîtront mieux à la lumière de la description explicative qui va suivre d'un mode de réalisation donné uniquement à titre d'exemple non limitatif avec références au dessin unique non limitatif annexé qui est une vue schématique en coupe longitudinale de la turbine à gaz axiale conforme à la présente invention. La turbine à gaz axiale conforme à l'invention comporte un corps 1 dont la partie d'entrée (non représentée) est raccordée à une canalisation de gaz 2 destinée à véhiculer un courant de gaz (dans le cas considéré à titre d'exemple, d'un gaz de haut fourneau (non représenté). La turbine à gaz axiale comprend un convergent 3 disposé suivant l'axe 4 de la turbine à gaz axiale. La surface extérieure 3a du convergent 3 est constituée par le corps 1 de la turbine (dans d'autres cas, elle peut être constituée par une virole conique). La surface intérieure du convergent 3 est formée par une virole conique 5 montée suivant l'axe de la turbine à gaz axiale et désignée par le même chiffre de référence 5. L'arbre 6 de la turbine à gaz axiale, disposé suivant le même axe que le convergent 3, est lié cinématiquement à un générateur électrique (non représenté). En aval (dans le sens du courant de gaz) du convergent 3 est placé l'aubage 7 de la turbine à gaz axiale. L'aubage 7 est constitué par des aubes directrices 8 fixées par l'une de leurs extrémités respectives à la virole 5, et par leur autre extrémité, au corps 1, et par des aubes mobiles 9 montées sur l'arbre 6. L'aubage 7 est suivi (dans le sens d'écoulement du gaz), d'un divergent 10 disposé suivant l'axe 4 et dont la surface extérieure est constituée par le corps 1 (dans d'autres cas, cette surface peut être formée par une virole conique). La surface intérieure du divergent 10 est formée par une virole conique 11 disposée elle aussi suivant l'axe 4. La turbine à gaz axiale revendiquée comporte un dispositif 12 destiné à injecter dans celle-ci un liquide détergent ou de lavage. Ce dispositif 12 sert À maintenir propre l'aubage 7 en chassant les poussières se déposant sur les aubes directrices 8, les aubes mobiles 9 et sur les autres éléments de la turbine à gaz axiale. Le dispositif 12 d'injection du liquide détergent comporte un diaphragme 12 comportant, dans l'exemple considéré ici, douze canaux 14 disposés régulièrement suivant la circonférence et symétriquement par rapport à l'axe 4. Selon des variantes de réalisation de la présente invention, le diaphragme comporte un seul canal, par exemple annulaire et ayant son centre sur l'axe 4. Dans le cas représenté ici conventionnellement, le diaphragme 13 dépasse au-delà du corps 1. Le diaphragme 13 est destiné à mettre en turbulence le courant de gaz et, par conséquent, à assurer une coagulation intense des poussières avec les gouttes de liquide détergent. Les canaux 14 sont pratiqués dans le diaphragme 13 de façon queleurs bords extérieurs, c'est-à-dire leurs bords éloignés au maximum de l'axe 4, se situent au niveau de la face extérieur du divergent 10 et que leurs bords intérieurs, c'est-à-dire les bords les plus proches de l'axe 4, se situent au niveau de la surface intérieure du divergent 10. Les ner-vures ou analogues (non représentées) du diaphragme 13 qui séparent les canaux 14 présentent des arrondis réguliers assurant une entrée et une sortie régulières des gaz dans les canaux 14 et hors de ceux-ci, respectivement. L'aire totale des sections transversales des canaux 14 est choisie de telle sorte que la vitesse du flux de gaz dans les canaux 14 augmente jusqu'à une valeur voisine de 80 m/s. Suivant d'autres variantes de réalisation de l'invention, il est possible d'utiliser d'autres vitesses du courant de gaz. L'accroissement de la vitesse du courant de gaz jusqu'À une valeur d'environ 80 m/s assure un tourbillonnement intense du courant de gaz et, par conséquent, la destruction de l'enveloppe de gaz absorbée autour de chaque particule de poussière et empêchant la coagulation, et une coagulation intense des poussières avec les gouttes de liquide détergent. La longueur du canal 14 peut-être notamment de 600 mm. Suivant d'autres variantes de réalisation de la présente invention, le canal peut avoir d'autres longueurs. A une vitesse d'environ 80 m/s du courant de gaz, une longueur de 600 mm du canal fait séjourner les poussières et les gouttes de liquide détergent dans chaque canal 14 pendant un temps suffisant pour leur coagulation. Cette longueur de 600 mm est déterminée par le fait que le tourbillonnement du flux de gaz, obtenu dans les canaux 14, se poursuit après sa sortie des canaux 14. Suivant des variantes de réalisation de la présente invention, on utilise plusieurs diaphragmes, dont les uns sont fixes et les autres sont mobiles et peuvent tourner autour de l'axe 4. La rotation des diaphragmes mobiles assure l'obturation partielle ou complète de leurs canaux. La possibilité d'obturer les canaux peut être utilisée pour régler la débitance de la turbine à gaz axiale afin de modifier le régime de fonctionnement ou bien d'arrêter la turbine. Le dispositif 12 comprend un injecteur 15 placé sur l'axe 4 de la turbine à gaz axiale, en avant du diaphragme 13 et à une distance L de ce dernier. Par "distance L" on entend la distance entre la tranche de la buse de l'injecteur 15 et la face avant (suivant le sens d'écoulement du gaz) du diaphragme 13. La distance L est déterminée par la formule D 2K. tg 2 où L est la distance entre l'injecteur 15 et le diaphragme 13 (dans le présent cas L = 3500 mm); D est le diamètre suivant les bords extérieurs des canaux 14 du diaphragme 13 (dans le présent cas D = 1300mm); K est un coefficient établi empiriquement, compris entre 0,2 et 0,7 (dans le présent cas K = 0,4); oC est l'angle de pulvérisation de l'injecteur (dans le présent casol = SOC). La disposition de l'injecteur à une distance L du diaphragme 13 permet de pulvériser le liquide détergent sous forme d'un jet dont le diamètre près de la face avant du diaphragme 13 est sensiblement égal (comme l'a montré 1' expérience ) au diamètre des bords extérieurs des canaux 14 du diaphragme 13 par rapport à l'axe 4. La disposition indiquée de l'injecteur 15 par rapport au diaphragme 13 permet d'éviter la séparation des gouttes de liquide détergent en direction des parois du corps 1 de la turbine à gaz axiale et assure une concentration régulière des gouttes de liquide détergent dans les canaux 14 du diaphragme 13 suivant la totalité de l'aire de chaque plan de section transversale des canaux 14. L'injecteur 15 peut être constitué par un injecteur centrifuge de toute conception connue appropriée. L'injecteur centrifuge forme un jet dont les sections transversales par rapport à l'axe 4 ont une forme circulaire, ce qui permet au jet de couvrir les canaux 14 du diaphragme 13 de telle sorte que la surface du diaphragme 13 se trouvant au-delà des bords extérieurs des canaux 14 et sa surface de diamètre correspondant aux bords intérieurs des canaux 14, restent pratiquement en dehors de la zone couverte par le jet. Le dispositif 12 d'injection de liquide détergent comporte une canalisation 16 (d'un type connu en soi) d'alimentation en liquide détergent, indiquée sur le dessin par deux lignes fines, et raccordée à une source 17 de liquide détergent constituée par un réservoir désigné par le même chiffre de référence 17. Dans le couvercle 18 du réservoir est incorporé un tube 19 (d'un type connu en soi) mettant en communication avec l'atmosphère l'espace se trouvant au-dessus du niveau du liquide dans le réservoir 17. La canalisation 16 comprend une pompe 20 à commande électrique (non représentée). La pompe 20 et sa commande électrique peuvent être d'un type connu en soi et approprié quelconque. Un appareil 21 connu en soi, destiné à mesurer et à contrôler la pression du liquide détergent dans la canalisation 16, est monté dans la canalisation 20+ à proximité du point de raccordement de celle-ci à l'injecteur 15. En aval (suivant le sens d'écoulement du liquide. détergent allant de la source 17 à l'injecteur 15) de la pompe 20 est monté un raccord en T à trois vannes 22, 22 et 23 dont deux (22, 22) sont des vannes à commande électrique d'un type connu en soi, destinées à ouvrir ou obturer la canalisation 16. La troisième vanne 23, elle aussi à commande électrique et d'un type connu approprié, est montée sur un tube 24 reliant à l'atmosphère le tronçon de la canalisation 16 compris entre les vannes 22. La vanne 23 sert à ouvrir ou obturer le tube 24. I1 y a également un tube de dérivation 25 muni d'une valve 26 à commande manuelle d'un type connu approprié. Le tube de dérivation 25 relie le tronçon de la canalisation 16, compris entre la vanne 22 et la pompe 20, à la osurce 17 de liquide détergent. Le tube de dérivation 25 sert à régler la pression du liquide détergent dans la canalisation 16. Un clapet anti-retour 27 est monté en aval des vannes 22 (suivant le sens d'écoulement du liquide vers l'injecteur 15). Ledit clapet 27 sert à obturer la canalisation 16 lorsque la pression du liquide détergent dans ladite canalisation devient inférieure à la pression du courant de gaz dans le corps 1 de la turbine à gaz axiale. Le dispositif 12 d'injection de liquide détergent comprend un bloc de commande 28 relié par des circuits électriques aux vannes 22, 23 à commande électrique, à la pompe 20 et à l'appareil 21. I1 y a aussi un bloc 29 de commande de la turbine à gaz axiale, relié également par un circuit électrique (non représenté) au bloc 28. Les blocs 28, 29 de commande peuvent être d'un type connu approprié et sont destinés à commander, par l'intermédiaire des circuits électriques, les vannes 22 et 23, la pompe 20, l'appareil 21 et aussi la turbine à gaz axiale. Les circuits électriques sont désignés sur le dessin par des lignes fines. Les vannes 22 et 23, le clapet anti-retour 27 et le bloc de commande 22 permettent d'éviter la pénétration de gaz explosif et toxique provenant du haut fourneau dans la zone de service de la turbine à gaz axiale. La turbine à gaz axiale comprend un collecteur de condensat 30 d'un type connu approprié pour l'accumulation et l'évacuation du condensat formé à partir du liquide détergent. La turbine à gaz axiale conforme à la présente invention fonctionne de la manière suivante Pendant le fonctionnement de la turbine à gaz axiale, les gaz provenant du haut fourneau pénètrent dans le corps 1 en passant le long de l'axe 4. Le courant de gaz traverse les canaux 14 du diaphragme 13, dans lesquels a lieu un accroissement de la vitesse du courant. Après sa sortie du diaphragme 13, le courant de gaz arrive dans le convergent 3 et ensuite dans l'aubage 7 de la turbine à gaz axiale. L'action du courant de gaz sur les aubes directrices 8 et sur les aubes mobiles 9 a pour effet de transformer l'énergie du courant en énergie mécanique de rotation de l'arbre 6. A son tour, l'énergie mécanique de rotation de l'arbre 6 est transformée en énergie électrique au moyen d'une génératrice. Le dispositif 12 d'injection de liquide détergent est mis en marche en appuyant sur un bouton (non représenté) du bloc 28. Dans d'autres variantes de réalisation, la mise en marche du dispositif 12 d'injection de liquide détergent s'effectue sur un signal de commande envoyé par le bloc 29 de commande de la turbine à gaz axiale. Ce signal de commande n'est transmis qu'en cas d'établissement du régime de travail de la turbine. L'information sur l'établis- sement du régime de travail de la turbine à gaz axiale est transmise du bloc 29 au bloc 28 par l'intermédiaire d'un circuit électrique. Après la mise en marche du dispositif d'injection 12, les opérations se succèdent comme suit. Sur un signal fourni par le bloc 28, la pompe 20 se met en marche, la vanne 23 se ferme et la vanne 22 s'ouvre. Le liquide détergent arrive à l'injecteur 15 qui le pulvérise. Etant donné qu'on utilise pourra turbine à gaz axiale un injecteur 15 du type centrifuge placé à une distance L du diaphragme 13, les trajectoires des gouttes de liquide détergent intersectent le diaphragme 13 dans une zone de sa surface déterminée sensiblement par le diamètre passant par les bords extérieurs des canaux 14 et le diamètre passant par les bords inférieurs des canaux 14. Ces trajectoires des gouttes de liquide excluent pratiquement la séparation et le dépôt des gouttes sur les parois du corps 1 de la turbine à gaz axiale et sur la partie de la surface du diaphragme 13 déterminée par le diamètre passant par les bords inférieurs des canaux 14. En même temps, il n'existe pas dans les canaux 14 de zones à concentration réduite des gouttes de liquide détergent. Dans les canaux 14, la vitesse du courant de gaz augmente jusqu'à une valeur d'environ 80 m/s, c'est-à-dire qu'il se produit un tourbillonnement intense du courant de gaz. Par suite de cette mise en turbulence du courant de gaz, les poussières contenues dans celui-ci perdent leur enveloppe de gaz absorbé empêchant la coagulation des poussières avec les gouttes de liquide détergent. I1 en résulte une coagulation intense des poussières avec les gouttes de liquide détergent. Les particules de poussière enfermées dans la goutte de liquide détergent perdent dans une grande mesure leur capacité d'adhérer à la surface des aubes directrices 8 et des aubes mobiles 9. En général, la vitesse des gouttes à l'entrée du convergent 3 est plus grande qu'à l'entrée du diaphragme 13. Cette augmentation de la vitesse des gouttes contribue, à elle seule, à élever leur pouvoir de destruction des couches de poussières déposées sur les surfaces des éléments constitutifs de l'aubage 7. Après le convergent 3, le courant de gaz dans lequel sont réparties régulièrement les gouttes de liquide détergent et les poussières dont la majeure partie (comme l'ont montré les expériences) s'est coagulée avec les gouttes, pénètre dans l'aubage 7. La répartition régulière des gouttes de liquide détergent dans le flux en amont de l'aubage, la coagulation des poussières avec les gouttes de liquide détergent et, par conséquent, la disparition de leur aptitude à l'adhérence, l'obtention de vitesses de déplacement des gouttes de liquide détergent proches de celle du courant de gaz (ce qui contribue à renforcer leur effet destructeur sur les dépôts de poussières), la possibilité d'augmenter le débit de liquide détergent en raison de l'absence, à l'entrée de l'aubage, de zones de concentration élevée des gouttes de liquide détergent provoquant l'usure par érosion des éléments de l'aubage : tout cela permet de lutter efficacement contre le dépôt de poussières sur les éléments de l'aubage et surtout sur les aubes directrices fixes, sur lesquelles on observe la plus forte tendance à la formation de dépôts de poussières. Le condensat formé dans la turbine à gaz axiale s'accumule dans le collecteur de condensat 30 d'où il est évacué d'une manière connue en soi. L'injection du liquide détergent s'arrête automatique- ment dès que la turbine à gaz axiale s'écarte du régime de travail. L'information sur cette dernière circonstance est transmise du bloc 29 au bloc 28. Des signaux de commande transmis par le bloc 28 aux vannes 22, 23 et à la pompe 20 assurent leur fonctionnement dans l'ordre inverse de celui décrit précédemment. L'injection de liquide détergent pour débarrasser l'aubage 7 des poussières déposées peut se faire non seulement en continu, comme dans le cas décrit ci-dessus, mais aussi d'une manière intermittente ou périodique. L'emploi d'une injection intermittente peut être imposé par les propriétés des dépôts de poussières. Des modèles expérimentaux de turbine à gaz axiale réalisés en conformité avec la présente invention ont subi avec succès des essais dont les résultats ont démontré leur fonctionnement fiableen cours d'exploitation. Les indices techniques et économiques de la turbine à gaz axiale revendiquée sont élevés, la turbine se distingue par sa simplicité et sa fiabilité d'utilisation. R E V E N D I C A T I O N S 1. Turbine à gaz axiale dans laquelle sont montés l'un après l'autre (dans le sens du courant de gaz) un convergent (3) et un aubage (7), et qui est munie d'un dispositif (12) d'injection d'un liquide détergent, caractérisée en ce que le dispositif (12) d'injection de liquide détergent comporte un diaphragme (13) placé à l'entrée du convergent (3) et présentant au moins un canal dont l'aire de section transversale et la longueur sont suffisantes pour assurer la coagulation des particules de poussière, contenues dans le courant de gaz, avec les gouttes de liquide détergent, et un injecteur (15) disposé suivant l'axe (4) de la turbine à gaz axiale, en amont du diaphragme (13) et à une distance L de ce dernier déterminée par la formule où L est la distance entre l'injecteur et le diaphragme, D est le diamètre suivant les bords extérieurs du canal du diaphragme, K est un coefficient établi empiriquement et compris dans une plage de 0,2 et 0,7, ; est l'angle de pulvérisation de l'injecteur. 2. Turbine à gaz axiale suivant la revendication 1, caractérisée en ce que l'injecteur (15) utilisé est un injecteur de type centrifuge.