FR2552163A1 - Improvements made to gas turbine installations in which the air coming from the compressor is reheated - Google Patents
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Abstract
Description
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.Improvements to gas turbine installations in which air from the compressor is warmed
The invention relates to gas turbine installations comprising at least one compressor, at least one combustion chamber, at least one high pressure turbine driving the compressor, and at least one low pressure turbine independent of the high pressure turbine and resulting in a receiving organ.
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. In such an installation, it has already been proposed to heat the air coming from the compressor, and before its admission into the combustion chamber, by the combustion gases from the low-pressure turbine, and this thanks to a heat exchanger located downstream of this low pressure turbine.
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. However, such exchangers located downstream of the low pressure turbine are bulky, have a significant weight and are subject to leakage or fouling.
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. To overcome such drawbacks, the installation according to the invention comprises, for heating all or part of the air from the compressor before admission into the combustion chamber, heat exchange means arranged between the high pressure turbine and the low pressure turbine and traversed by at least a portion of the combustion gases from the high pressure turbine.
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. With this arrangement, the following advantages are obtained: the optimized pressure ratio is higher than in the case of the exchanger situated downstream of the low pressure turbine, the sections offered by the cold part of these exchange means. Thermal losses are reduced, in significant proportions up to half, compared to the cold part of an exchanger located downstream of the low pressure turbine; this results in a significant decrease in size and weight; the hot part of these heat exchange means is traversed by a substantially higher pressure fluid, of the order of four times, than in the case of the hot part of an exchanger located downstream of the low pressure turbine; ; as a result, in spite of the fact that the temperature is higher, a considerable reduction, of the order of three, of the bulk and the weight; the possible leaks occurring in the heat exchange means situated between the high pressure turbine and the low pressure turbine are not totally lost since they recover, at least partially, in the low pressure turbine; the fouling of the heat exchange means situated between the high-pressure turbine and the low-pressure turbine leads to a much lower yield reduction than that produced in the case of the fouling of an exchanger located downstream of the turbine; low pressure, because it then occurs, in case of fouling of the aforementioned heat exchange means, an increase in the power delivered by the low pressure turbine.
Les moyens d'échanges thermiques sont de préférence agencés pour présenter une efficacité variable. The heat exchange means are preferably arranged to have a variable efficiency.
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. According to a first embodiment of the invention, there is provided a heat exchanger disposed between the high pressure turbine and the low pressure turbine and traversed by at least a portion of the combustion gases from the high pressure turbine; - A heat exchanger disposed between the compressor and the combustion chamber and through at least a portion of the air from the compressor, - and a coolant circuit, optionally provided with adjustment means, connecting the two aforesaid exchangers.
Dans ce mode de réalisation, les échangeurs sont de type statique. In this embodiment, the exchangers are of static type.
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. According to another embodiment of the invention, there is provided a heat exchanger disposed between the high pressure turbine and the low pressure turbine and traversed by at least a portion of the combustion gases from the high pressure turbine. and a circuit by which at least a part of the air coming from the compressor, possibly adjustable part, is directed towards the aforesaid exchanger before being admitted into the combustion chamber.
Dans ce mode de réalisation, l'échangeur peut être de type statique ou rotatif. In this embodiment, the exchanger may be of static or rotary type.
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. According to an advantageous arrangement of the invention, there is provided a section variation device of the low-pressure turbine, thanks to this arrangement, it is possible to remedy the yield falls of this low pressure turbine at intermediate speeds, because the effect due this section variation is very substantially increased thanks to the presence of the heat exchange means located between the high pressure turbine and the low pressure turbine, the calories recovered upstream of the low pressure turbine being reintroduced upstream of the chamber. 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. The invention consists, apart from the arrangement of which we have just spoken, in certain other dispositions which are preferably used at the same time and of which it will be more explicitly spoken below.
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. The invention may, in any case, be well understood with the aid of the additional description which follows, as well as the attached drawings, which supplement and drawings relate to preferred embodiments of the invention and do not include , of course, no limiting character.
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. Fig. 1, of these drawings, is a schematic view of a gas turbine plant established in accordance with a first embodiment.
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. Fig. 2 is a schematic view of a gas turbine plant established in accordance with another embodiment of the invention.
Fig. 3 is the thermodynamic diagram of a gas turbine plant established in accordance with the 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. Fig. 4 is a diagram showing the efficiency advantage of a gas turbine plant established in accordance with the invention.
La fig. 5 est un diagramme montrant l'évolution du rendement d'une installation à turbines à gaz établie conformément à l'invention. Fig. 5 is a diagram showing the evolution of the efficiency of a gas turbine plant established in accordance with the 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. As shown in FIGS. 1 and 2, the gas turbine plant comprises a compressor 1, a combustion chamber 2, a high-pressure turbine 3 comprising a wheel 31 driving the compressor via a shaft 4, an independent low-pressure turbine 5 of the high-pressure turbine 3 comprising an adjustable distributor 16 and a wheel 51 and driving a receiver member 6 which may be a double-flow fan or the low-pressure body of a monoflux, via a shaft 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. To heat all or part of the air from the compressor 1 before admission into the combustion chamber 2, there is provided heat exchange means 8 arranged between the high pressure turbine 3 and the low pressure turbine 5. These means of Heat exchange 8 is traversed Dar all or part of the combustion gases from the high pressure turbine.
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. According to the embodiment illustrated in FIG. 1, these heat exchange means 8 comprise, - a heat exchanger 9 disposed between the high pressure turbine 3 and the low pressure turbine 5 and traversed by at least a portion of the combustion gases from the high pressure turbine 3 - a heat exchanger 10 disposed between the compressor 1 and the combustion chamber 2 and traversed by at least a portion of the air from the compressor 1; and a heat transfer fluid circuit 11, optionally provided with adjustment means 12, connecting the two aforesaid exchangers 10 and 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. According to the embodiment illustrated in FIG. 2, these heat exchange means 8 comprise - a heat exchanger 13 disposed between the high pressure turbine 3 and the low pressure turbine 5 and traversed by at least a portion of the combustion gases from the high pressure turbine 3 - and a circuit 14 by which at least a portion of the air coming from the compressor 1, optionally adjustable by adjustment means 15, is directed towards the aforesaid exchanger 13 before being admitted into the combustion chamber 2.
Sur le diagramme thermodynamique de la fig. 3, on a porté, en abscisses, l'entropie S, et, en ordonnées, la température T. On the thermodynamic diagram of fig. 3, the entropy S has been plotted on the abscissa and the temperature 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. The cycle of a gas turbine plant with exchanger located downstream of the low pressure turbine is represented by the line 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.The cycle of a gas turbine plant according to the invention, that is to say with heat exchange means 8 located between the high pressure turbine and the low pressure turbine, is represented by the line
ABCDEKLM.
Les calories récupérées suivant EK sont réinjectées en CC' à l'entrée de la chambre de combustion 2. The calories recovered according to EK are re-injected at CC 'at the inlet of the combustion chamber 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. In particular, it can be seen that if the efficiency of the heat exchange means 8 decreases (fouling of the exchanger), K comes into K1 and the power is represented by K1L1 which is greater than KL.
Sur le diagramme de la fig. 4, on a porté en abscisses le rapport
<tb> W <SEP> Puissance <SEP> de <SEP> la <SEP> turbine <SEP> basse <SEP> pression <SEP> 5
<tb> WM <SEP> Puissance <SEP> maximum <SEP> de <SEP> la <SEP> turbine <SEP> basse <SEP> pression <SEP> 5
<tb> et, en ordonnées, le rendement n.<tb> W <SEP> Power <SEP> of <SEP><SEP> turbine <SEP> low <SEP> pressure <SEP> 5
<tb> WM <SEP> Power <SEP> maximum <SEP> of <SEP> the <SEP> turbine <SEP> low <SEP> pressure <SEP> 5
<tb> and, on the ordinate, the yield n.
La courbe I représente l'évolution du rendement d'une installation à turbines à gaz conforme à l'art antérieur. Curve I represents the evolution of the efficiency of a gas turbine installation according to the prior art.
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. If the low-pressure turbine 5 is provided with a section variation device 16 or an adjustable distributor (FIGS. 1 and 2), the evolution of the efficiency of the installation is represented by the curve II.
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. If the installation comprises, according to the invention, heat exchange means 8 located between the high pressure turbine 3 and the low pressure turbine 5, the evolution of the yield is represented by the curve 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. If, in addition, and in accordance with an advantageous arrangement of the invention, is provided to the installation of the section variation device 16 of the low-pressure turbine 5, the evolution of the yield is represented by the curve 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. Thus, in this diagram of FIG. 4, all the interest that there is to combine the heat exchange means 8 located between the high pressure turbine 3 and the low pressure turbine 5, with the section variation device 16 of the low pressure turbine 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. We will now examine the interest that there is, thanks to the adjustment means 15, to pass in the heat exchange means 8, - all the combustion gases from the high-pressure turbine 3, - a part more and more low air from the compressor 1, the rest of this air being directed directly to the combustion chamber 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). Thus, heat exchange means 8 whose efficiency varies from a maximum value (all the air flow from the compressor 1 passes through them) to a zero value (no air flow from the compressor 1 do not crosses).
De tels moyens d'échanges thermiques 8 à efficacité variable peuvent également être réalisés grâce aux moyens de réglage 12. Such heat exchange means 8 with variable efficiency can also be achieved by means of adjustment means 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. The variation of efficiency TI is then represented in FIG. 5 on which the power WN of the low-pressure turbine 5 has been plotted on the abscissa and the yield f1 on the ordinate.
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). Curves I and II respectively show the evolution of the yield, up to the maximum power WM of the low pressure turbine 5,
in the case where only the heat exchange means 8 are provided (curve I),
and in the case where the heat exchange means 8 are combined with the section variation device 16 (curve II).
A la puissance maximum WM, ces deux courbes se rejoignent en M'. At the maximum power WM, these two curves meet in 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.Curve III shows the evolution of the yield p up to the point M corresponding to the maximum power
WM of the low pressure turbine 5 in the case of a conventional installation.
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. When passing, in an installation according to the invention comprising the heat exchange means 8 to variable efficiency, a maximum efficiency at a zero efficiency, describes the curve M'M "to achieve a maximum power of (1 + k) WM for a yield barely lower than the efficiency corresponding to the point M (due to the pressure drop experienced by the combustion gases during their passage through the heat exchange means 8) .This curve M ' M "is generally obtained by also acting on the section variation device 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. Therefore, when the efficiency of the heat exchange means 8 is used, a maximum power of the low pressure turbine 5 of (1 + k) WN is obtained: therefore, at 50% of this maximum power, the efficiency is given by the ordinate of the point B ", whereas at 50% of the power WM of the low-pressure turbine of a conventional installation, the yield is given by the ordinate, which is appreciably lower, of the 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. The presence of thermal exchange means between the high pressure turbine and the low pressure turbine, the possibility of varying the efficiency of these heat exchange means, and the fact of providing a section adjustment device on the low turbine In the reduced operating regimes, pressure can produce very significant efficiency gains.
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. The heat exchange means 8, and in particular the heat exchanger 9 or 13 disposed between the high pressure turbine 3 and the low pressure turbine 5 are made wholly or partially of good heat-conducting materials and resistant to high temperatures; in particular, it is possible to use ceramics such as carbide or silicon nitride.
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| FR8315018A Expired FR2552163B1 (en) | 1983-09-21 | 1983-09-21 | IMPROVEMENTS TO GAS TURBINE INSTALLATIONS IN WHICH THE COMPRESSOR AIR IS HEATED |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| FR (1) | FR2552163B1 (en) |
Cited By (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO1993007371A1 (en) * | 1991-10-09 | 1993-04-15 | Rakhmailov Anatoly M | Method for conversion of thermal energy into mechanical energy in a gas-turbine engine, and gas-turbine engine |
| WO1993007370A1 (en) * | 1991-10-08 | 1993-04-15 | Smeshannoe Tovarischestvo 'germes' | Method for conversion of thermal energy into mechanical energy in a gas-turbine engine, and gas-turbine engine |
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-
1983
- 1983-09-21 FR FR8315018A patent/FR2552163B1/en not_active Expired
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| US10934939B2 (en) | 2015-04-30 | 2021-03-02 | General Electric Company | Turbine engine thermal management |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| FR2552163B1 (en) | 1988-03-04 |
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