Brevet FR2588309A1 — publié le 19870410

Perfectionnements avortés aux installations motrices à turbine à aaz. L'invention est relative aux installations motrices à turbine à gaz fonctionnant avec un fluide thermodynamique dont le cycle comprend les phases théoriques suivantes - phase de compression polytropique, - phase de chauffage quasi isobare, et - phase de détente polytropique. Dans la plupart des installations classiques, la phase de détente polytropique du fluide thermodynamique est effectuée jusqu'à une pression du fluide thermodynamique qui est la pression ambiante. Cependant, on a déjà proposé de prolonger la phase de détente polytropique jusqu'à amener le fluide thermodynamique à une pression inférieure à la pression ambiante, et de faire alors comporter au cycle une phase de refroidissement quasi isobare par un réfrigérant extérieur, suivie d'une phase de recompression polytropique ramenant le fluide thermodynamique de sa pression minimale à la pression ambiante. On obtient alors un gain de puissance de l'installation car le travail fourni par le fluide thermodynamique pendant la phase du cycle où il se détend de la pression ambiante à sa pression minimale est, grâce au refroidissement, supérieur au travail demandé par le fluide thermodynamique pendant la phase du cycle où il est recomprimé de sa pression minimale à la pression ambiante. Pour augmenter le rendement du cycle, il est prévu, conformément à l'invention, de procéder à un double refroidissement du fluide thermodynamique avant sa phase de recompression, à savoir, d'abord un premier refroidissement par échange thermique avec le fluide thermodynamique ayant subi la compression polytropique, ce qui produit un préchauffage de celui-ci, puis un second refroidissement par un agent réfrigérant extérieur. L'installation motrice à turbine à gaz selon l'invention et destinée à entrainer un organe récepteur de puissance comporte alors, au moins deux compresseurs, à savoir un compresseur amont assurant la compression polytropique du fluide thermodynamique et un compresseur aval assurant la recompression polytropique du fluide thermodynamique, au moins une turbine dans laquelle le fluide thermodynamique subit une détente polytropique jusqu'à une pression inférieure à la pression ambiante, et elle est caractérisée par le fait qu'elle comporte en outre un premier échangeur thermique entre le fluide thermodynamique issu du compresseur amont et le fluide thermodynamique issu de la turbine, et un second échangeur thermique, situé en aval du premier échangeur thermique, entre le fluide thermodynamique issu de ce premier échangeur thermique et un agent réfrigérant extérieur. Selon un premier mode de réalisation de l'invention l'installation comporte une seule turbine qui entraîne le compresseur amont, le compresseur aval et l'organe récepteur de puissance. Selon un deuxième mode de réalisation l'installation comporte deux turbines à savoir, une turbine haute pression qui entraine le compresseur amont et le compresseur aval et une turbine basse pression qui entraine l'organe récepteur de puissance. Selon encore un troisième mode de réalisation, l'installation comporte deux turbines à savoir une turbine haute pression qui entraine le compresseur amont et une turbine basse pression qui entraine le compresseur aval et l'organe récepteur de puissance. Selon un quatrième mode de réalisation, l'installation comporte deux turbines savoir, une turbine haute pression qui entraine le compresseur amont et l'organe récepteur de puissance et une turbine basse pression qui entraine le compresseur aval. Selon un cinquième mode de réalisation de l'invention, l'installation comporte trois turbines à savoir, une turbine haute pression qui entraîne le compresseur amont, une turbine moyenne pression qui entraîne l'organe récepteur de puissance et une turbine basse pression qui entraine le compresseur aval. Selon un sixième mode de réalisation de l'invention, l'installation comporte trois turbines à savoir, une turbine haute pression qui entraîne le compresseur amont, une turbine moyenne pression qui entraîne le compresseur aval et une turbine basse pression qui entraine l'organe récepteur de puissance. Lorsque l'installation comporte deux turbines à savoir, une turbine haute pression et une turbine basse pression, il est avantageux que cette turbine basse pression soit équipée d'un aubage distributeur réglable. Le distributeur réglable de la turbine basse pression peut être remplacé par un by-pass réglable. Lorsque l'installation comporte trois turbines à savoir, une turbine haute pression, une turbine moyenne pression et une turbine basse pression, il est avantageux que les turbines moyenne pression et basse pression soient équipées chacune d'un aubage distributeur réglable. Le distributeur réglable des turbines moyenne pression et basse pression peut être remplacé par un by-pass réglable. De toute façon et quel que soit le mode de réalisation adopté, il est avantageux de faire comporter au compresseur aval un aubage distributeur réglable. Grâce à la présence des aubages distributeurs ou du by-pass réglables, il est possible de faire varier la valeur de la pression minimale du cycle, donc de faire varier la puissance de l'installation. L'invention consiste, mises à part les dispositions dont il vient d'être questions, en certaines autres dispositions qui s'utilisent de préférence en même temps et dont il sera plus explicitement question 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 et ne comportent bien entendu aucun caractère limitatif. La figure 1 de ces dessins est un diagramme illustrant le cycle de l'installation motrice à turbine conforme à l'invention. La figure 2 est une vue schématique d'une installation à turbine établie selon un premier mode de réalisation de l'invention. La figure 3 est une vue schématique d'une installation à turbine établie selon un deuxième mode de réalisation de l'invention. La figure 4 est une vue schématique d'une installation à turbine établie selon un troisième mode de réalisation de l'invention. La figure 5 est une vue schématique d'une installation à turbine établie selon un quatrième mode de réalisation de l'invention. La figure 6 est une vue schématique d'une installation à turbine établie selon un cinquième mode de réalisation de l'invention. La figure 7 enfin, est une vue schématique d'une installation à turbine à gaz établie selon un sixième mode de réalisation de l'invention. Sur la figure 1 on a montré un diagramme thermodynamique sur lequel l'entropie S est portée en abscisse et l'enthalpie H est portée en ordonnée. ne installation à turbine à gaz classique fonctionne avec un fluide thermodynamique dont le cycle comprend les phases théoriques suivantes - phase de compression polytropique, repérée par le segment BC sur le diagramme de la figure 1, - phase de chauffage quasi isobare, repérée par le segment CD sur le diagramme de la figure 1, - phase de détente polytropique, repérée par le segment DM sur le diagramme de la figure 1. Sur ce diagramme, l'isobare PO correspond à la pression ambiante. Le segment AB correspond à la perte de charge subie par le fluide thermodynamique avant la compression polytropique (perte de charge généralement engendrée par le conduit d'admission du compresseur). Le segment MN correspond à la perte de charge subie par le fluide thermodynamique après la détente polytropique (perte de charge généralement engendrée par le conduit d'échappement de la turbine). Conformément à l'invention, le cycle classique est complété par la combinaison d'un prolongement de la phase de détente polytropique et d'un double refroidissement avant la phase de recompression polytropique. Ce cycle conforme à l'invention comporte donc les phases suivantes - prolongement de la phase de détente polytropique, repérée par le segment MG sur le diagramme de la figure 1, le point G se trouvant situé sur l'isobare correspondant à une pression du cycle inférieure à la pression ambiante PO, - première phase de refroidissement quasi isobare par échange thermique avec le fluide thermodynamique ayant subi la compression polytropique, repérée par le segment GL sur le diagramme de la figure 1, - seconde phase de refroidissement par un agent réfrigérant extérieur, repérée par le segment LI sur le diagramme de la figure 1, - phase de recompression polytropique pour ramener le fluide thermodynamique de la pression minimale du cycle Pm à une pression légèrement supérieure à la pression atmosphérique PO, repérée par le segment IJ sur le diagramme de la figure 1. Le segment JK, le point K étant situé sur l'isobare correspondant à la pression ambiante PO, correspond à la perte de charge subie par le fluide thermodynamique après la recompression polytropique (perte de charge généralement engendrée par le conduit d'échappement du compresseur de recompression polytropique). On va maintenant en se référant aux figure 2 à 7 décrire un certain nombre de modes de réalisation d'installations à turbine à gaz établies conformément à l'invention, et destinées à entraîner un organe récepteur de puissance 10. Comme montré sur ces figures, et d'une façon générale, l'installation comporte au moins deux compresseurs, à savoir un compresseur amont 1 assurant la compression polytropique du fluide thermodynamique,-et un compresseur aval 2 assurant la recompression polytropique du fluide thermodynamique depuis la pression minimale du cycle Pm jusqu'à une pression légèrement supérieure à la pression ambiante PO. L'installation comporte également au moins une turbine 3 dans laquelle le fluide thermodynamique subi une détente polytropique jusqu'à la pression minimale du cycle Pm t pression minimale inférieure à la pression ambiante PO. Deux échangeurs thermiques sont alors prévus, à savoir - un premier échangeur thermique 4 entre le fluide thermodynamique issu du compresseur amont 1 et le fluide thermodynamique issu de la turbine 3, dont le r6- le est de transférer, dans le fluide issu du compresseur 1, des calories prélevées dans le fluide issu de la turbine 3, et - un second échangeur thermique 5 ou refroidisseur, situé en aval du premier échangeur thermique 4, entre le fluide thermodynamique issu de ce premier échangeur thermique 4 et un agent réfrigérant extérieur, et dont le rôle est d'abaiss-er la température du fluide issu de l'échangeur 4. Le compresseur amont I comporte un conduit d'admission 6 et le compresseur aval 2 comporte un conduit d'échappement 7. Si l'on se réfère maintenant au diagramme de la figure 1, - les repères AB portés sur les figures 2 à 7 correspondent au segment AB porté sur le diagramme de la figure 1, - les repères BC portés sur les figures 2 à 7 correspondent au segment BC porté sur le diagramme de la figure 1, - les repères CC'D portés sur les figures 2 à 7 correspondent au segment CC'D porté sur le diagramme de la figure 1, - les repères DG portés sur les figures 2 à 7 correspondent au segment DG porté sur le diagramme de la figure 1, - les repères GLI portés sur les figures 2 à 7 correspondent au segment GLI porté sur le diagramme de la figure 1, - les repères IJ portés sur les figure 2 à 7 correspondent au segment IJ porté sur le diagramme de la figure 1, - les repères JK portés sur les figures 2 à 7 correspondent au segment JK porté sur le diagramme de la figure 1. L'installation comporte en plus une chambre de combustion 8 située sur le circuit thermodynamique entre le premier échangeur thermique 4 et la turbine 3. Cette chambre de combustion est alimentée par des moyens non représentés par un circuit de combustible schématisé en 9. Elle est remplacée par un échangeur dans le cas d'un moteur à combustion externe. Selon le mode de réalisation de l'invention illustré sur la figure 2, il est prévu une seule turbine 3 qui entraîne le compresseur amont 1, le compresseur aval 2 et l'organe récepteur de puisssance 10. Selon le mode de réalisation de l'invention illustré sur la figure 3, l'installation comporte deux turbines à savoir, une turbine haute pression 3a qui entraîne le compresseur amont 1 et le compresseur aval 2 et une turbine basse pression 3c qui entraîne l'organe récepteur de puissance 10. Selon le mode de réalisation de l'invention illustré sur la figure 4, il est prévu deux turbines à savoir, une turbine haute pression 3a qui entraîne le compresseur amont 1 et une turbine basse pression 3c qui entraine le compresseur aval 2 et l'organe récepteur de puissance 10. Selon le mode de réalisation de l'invention illustré sur la figure 5, il est prévu deux turbines à savoir, une turbine haute pression 3a qui entraîne le compresseur amont 1 et l'organe récepteur de puissance 10 et une turbine basse pression 3c qui entraîne le compresseur aval 2. Selon le mode de réalisation de l'invention illustré sur la figure 6, il est prévu trois turbines à savoir, une turbine haute pression 3a qui entraîne le compresseur amont 1, une turbine moyenne pression 3b qui entraîne organe récepteur de puissance 10 et une turbine basse pression 3c qui entraîne le compresseur aval 2. Selon le mode de réalisation de l'invention illustré sur la figure 7, il est prévu trois turbines à savoir, une turbine haute pression 3a qui entraîne le compresseur amont 1, une turbine moyenne pression 3b qui entraîne le compresseur aval 2 et une turbine basse pression 3c qui entraine l'organe récepteur de puissance 10. Lorsque l'installation comporte deux turbines, à savoir une turbine haute pression 3a et une turbine basse pression 3c, il est avantageux que cette turbine basse pression 3b soit équipée d'un aubage distributeur réglable 11c (figures 3, 4 et 5). Dans la figure 5, on peut prévoir de remplacer le distributeur par un by-pass réglable 13 cour-circuitant une partie du débit traversant la turbine basse pression pour disposer d'un moyen de faire varier la pression minimale du cycle. Lorque l'installation comporte trois turbines, à savoir une turbine haute pression 3a, une turbine moyenne pression 3b et une turbine basse pression 3c, il est avantageux que les turbines moyenne pression 3b et basse pression 3c soient équipées chacune d'un aubage distributeur réglable respectivement îîb et 11c (figures 6 et 7). De toute façon et quel que soit le mode de réalisation adopté il est avantageux de faire comporter au compresseur aval 2 un aubage distributeur réglable 12. En agissant sur l'aubage distributeur réglable 12 du compresseur aval 2, et éventuellement sur les aubages distributeurs réglables lib et 11c des turbines moyenne pression 3b et basse pression 3c, on peut donc faire varier la valeur de la pression minimum P du m cycle. Dans le cas des modes de réalisation de l'invention illustrés sur les figures 6 et 7, relatifs à une installation comportant trois turbines, la turbine moyenne pression 3b entraînant le compresseur aval 2, on peut prévoir un by pass réglable 13 court-circuitant une partie du débit traversant la turbine moyenne pression 3b. On peut ainsi disposer d'un moyen supplémentaire et simple pour faire varier la valeur de la pression minimale Pm du cycle. Dans la description qui vient d'être faite de l'invention, les modes de réalisations illustrés par les figures 2 à 7 sont, dans l'ordre croissant de celles-ci, de plus en plus complexes mais aussi de plus en plus performants, les figures 6 et 7 présentant deux modes équivalents qui seront choisis en fonction de détails d'organisation des éléments. Une installation à turbine à gaz établie selon la présente invention, trouve une application dans tous les domaines où il s'agit de réaliser une installation motrice devant fournir une puissance variable, ce qui est le cas pour les installations motrices devant assurer la propulsion de véhicules, tout en conservant une consommation spécifique voisine de la consommation spécifique correspondant à la puissance nominale. REVENDICATIONS 1. Installation motrice à turbine à gaz fonctionnant avec un fluide thermodynamique dont le cycle comprend les phases suivantes : phase de compression polytropique ; phase de chauffage quasi isobare ; phase de détente polytropique ; caractérisée par le fait que le cycle comprend en outre les phases suivantes : phase de prolongation de la détente polytropique jusqu'à amener le fluide thermodynamique à une pression inférieure à la pression ambiante ; première phase de refroidissement du fluide thermodynamique par échange thermique avec le fluide thermodynamique ayant subi la compression polytropique ; seconde phase de refroidissement du fluide thermodynamique par un agent réfrigérant extérieur phase de recompression polytropique ramenant le fluide thermodynamique de sa pression minimale à une pression légèrement supérieure à la pression ambiante. 2. Installation motrice à turbine à gaz entraînant un organe récepteur de puissance (10) et comportant au moins deux compresseurs (1,2), à savoir un compresseur amont (1) assurant la compression polytropique du fluide thermodynamique, et un compresseur aval (2) assurant la recompression polytropique du fluide thermodynamique, au moins une turbine (3, 3a, 3b, 3c) dans laquelle le fluide thermodynamique subit une détente polytropique jusqu'à une pression Pm inférieure à la pression ambiante PO, caractérisée par le fait qu'elle comporte en outre un premier échangeur thermique (4) entre le fluide thermodynamique issu du compresseur amont (1) et le fluide thermodynamique issu de la turbine (3, 3a, 3b, 3c) et un second échangeur thermique (5), situé -en aval du premier échangeur thermique (4), entre le fluide thermodynamique issu de ce premier échangeur thermique (4) et un agent réfrigérant extérieur. 3. Installation à turbine à gaz selon la revendication 2, caractérisée par le fait qu'elle comporte une seule turbine (3) qui entraîne le compresseur amont (1), le compresseur aval (2) et l'organe récepteur de puissance (10). 4. Installation à turbine à gaz selon la revendication 2, caractérisée par le fait qu'elle comporte deux turbines (3a, 3c) à savoir une turbine haute pression (3a) qui entraîne le compresseur amont (1) et le compresseur aval (2) et une turbine basse pression (3c) qui entraine l'organe récepteur de puissance (10). 5. Installation à turbine à gaz selon la revendication 2, caractérisée par le fait qu'elle comporte deux turbines (3a, 3c) à savoir, une turbine haute pression (3a) qui entraîne le compresseur amont (1) et une turbine basse pression (3c) qui entraîne le compresseur aval (2) et l'organe récepteur de puissance (10). 6. Installation à turbine à gaz selon la revendication 2, caractérisée par le fait qu'elle comporte deux turbines (3a, 3c) à savoir, une turbine haute pression (3a) qui entraîne le compresseur amont (1) et l'organe récepteur de puissance (10) et une turbine basse pression (3c) qui entraîne le compresseur aval (2). 7. Installation à turbine à gaz selon la revendication 2, caractérisée par le fait qu'elle comporte trois turbines (3a, 3b, 3c) à savoir, une turbine haute pression (3a) qui entraine le compresseur amont (1), une turbine moyenne pression (3b) qui entraîne l'organe récepteur de puissance (10) et une turbine basse pression (3c) qui entraine le compresseur aval (2). 8. Installation à turbine à gaz selon la revendication 2, caractérisée par le fait qu'elle comporte trois turbines (3a, 3b, 3c) à savoir, une turbine haute pression (3a) qui entraîne le compresseur amont (1), une turbine moyenne pression (3b) qui entraîne le compresseur aval (2) et une turbine basse pression (3c) qui entraine l'organe récepteur de puissance (10). 9. Installation à turbine à gaz selon l'une quelconque des revendications 4 à 8, caractérisée par le fait que la turbine basse pression (3c) est équipée d'un aubage distributeur réglable (tic). 10. Installation à turbine à gaz selon la revendication 7, 8 ou 9, caractérisée par le fait que la turbine moyenne pression (3b) est équipée d'un aubage distributeur réglable (il). 11. Installation à turbine à gaz selon l'une quelconque des revendications 6 à 9, caractérisée par le fait que la turbine (3c,3b) entrainant le compresseur aval (2) est équipée d'un by-pass réglable (13). 12. Installation à turbine à gaz selon l'une quelconque des revendications 2 à 11, caractérisée par le fait que le compresseur aval (2) est équipé d'un aubage distributeur réglable (12).