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Wo 9~27863 ; - I _lID/ ~
~FGISTRE DE DEvT~TIr~ DES E~lM~FC D ' I~STAT T ~TION DE
fF~TRAT~Fc TTFCTRIOI~ES DITFC A CyrTT~ rrMRTNF
O}~iet de 1 'inv~nti on
La présente invention VisR à apporter des
améliorations au registre de déviation des fumées qui est
destine aux centrales électriques dites a cycle combiné.
,Z~rriPre--rl ~n t~rhn~l o~ique
Les centrales électriques dites à cycle combiné
sont constituées d'une turbine à gaz entraînant un
alternateur, d'une chaudière de récupération d'énergie
générant de la vapeur et d'une turbine à vapeur entra~nant
également un alternateur.
Une chaudière est prévue pour récupérer l ' énergie
calorifique contenue dans les gaz d' échappement de la turbine
à gaz, les derniers étant en fait caractérisés par un grand
volume et une température élevée.
Le cycle combiné se caractérise par une pollution
très réduite, un rendement très éleYé, et une grande vitesse
de démarrage.
Dans ce type d' installation, un conduit de
dérivation des fumées, qualifié géneralement de "by-pass
fumée", est géneralement installé sur le circuit des gaz
d'échappement de la turbine à gaz, avant la chaudière, afin
de permettre, selon les necessités, de diriger les gaz chauds
soit directement vers l ' atmosphère, soit vers la chaudière .
Ceci assure une indépendance des cycles gaz et
vapeur et permet de bénéficier des avanta~es inhérents à la
Wo 95/27863 2 1 8 ~ ~ 8 9 t ~1 /D1~
turbine à gaz, à savoir un démarrage extremement rapide et
un delai d'installation très court, lorsque le cycle vapeur
n'est pas disponible ou n'est pas nécessaire. La turbine
travaille alors en cycle ouvert c'est-a-dire avec évacuation
5 directe des fumées à l ' atmosphère.
Bien entendu, le by-pass fumée doit être équipé
d' un organe permettant de dévier le débit de gaz chaud, a
savoir un registre de déviation des fumées.
Il est à noter que le marché actuel des turbines
10 à gaz tend à une augmentation des pl~i ccAnrP~ des machines qui
vont actuellement de 100 MW jusqu'à 230 MW, puissances qui
risquent d' aller au-delà dans un proche avenir.
Dans ces conditlons opératoires, les gaz circulent
à des vitesses de l'ordre de 100 à 150 l~n/H et présentent des
15 températures de l ' ordre de 650C.
Le registre de déviation des fumées qui est en fait
un équipeme~t= sophistiqué, doit ~ répondre à beallcpup de
critères de performances. On peut ~iter entre autre un tres
haut niveau d' étanchéité = et une manoeuvrabilité rapide et
20 fiable en toutes circonstances. Il convient de noter
également que ce fonctionnement est soumis a des conditions
très sévères: très grandes dimensions (de l ' ordre de
6mx7mx7m), ~empératures élevées des fumées; chocs thermiques
importants, haute vitesse des fumées et grandes turbulences
25 de celles-ci.
On connait déjà plusieurs technologies qui sont
appliquees lndustri Pl l nt et qui beneficient chacune de
leurs avantages et inconvénients.
On conna~t notamment les dispositifs dits "multi-
30 ventelle" qui comportent deux registres, l'un sur le by-pass
iumée, l ' autre sur le conduit des gaz en direction de la
chaudi ère .
Chacun de ces registres se compose généralement de
plusieurs volets tournant chacun sur leur axe. La rotation
35 des volets ouvre ou ferme le conduit des gaz où il est
disposé .
.
~186a89
w0 9sl27863 r ~
Cette techni~ue permet une bonne capacité de
réglage du débit des fumées mais cette caractérlsti~ue n ' est
pas recherchée en cycle cor~biné. Leurs inconvénients sont
la faible performance d'étanchéité du fait de la grande
5 longueur de leur joint d' etanchéité et un risque non
négligeable pouvant provenir de la fen~Leture simultanée des
deux registres ce qui entraInerait des dégâts importants au
matériel amont.
Ces registres, par suite de leurs faibles
10 performances, ne sont pratiquement pas utilisés en cycle
combiné mais sont réservés à des applications industrielles
où un réglage de débit des fumées vers la chaudière peut
s ' avérer nécessaire .
Il existe aussi des dispositifs à simple porte
15 articulée sur un arbre moteur. La porte ferme soit le
conduit des gaz vers la chaudière, soit le conduit des gaz
vers le by-pass.
Ce type de matériel offre de très bonnes
performances d' étanchéité, garantissant le rendement maximum
20 au cycle combiné et est bien adapté aux ~-hinPs de puissance
jusqu'à 120 MW.
Néanmoins, du fait de la pression des gaz qui
s ' oppose au début à l ' ouverture de la porte puis ensuite vers
le milieu de la course d'ouverture, les gaz d'échappement
25 tour à tour s'opposent ou facilitent l'ouverture ce qui
provoque de fortes vibrations puis enfin cette pression tend
à augrenter la vitesse d'ouverture, toutes ces variations
tres importantes de contraintes dans l ' arbre support de porte
ainsi que dans tout le système de, ~nr1P nécessitent un
30 ensemble de très forte dimension. Un autre inconvénient
résulte de la limite technologique de hauteur de porte,
interdisant son utilisation pour les turbines à gaz modernes
de grande puissance.
Ce type de registre est cependant de loin le plus
35 couramment utilisé de par le monde, pour des turbines à gaz
limitees en puissance.
~186~89' i`
W09s/27863 r~l~D~
On a en conséquence proposé des registres à simple
porte mais dont la ~ qn~le est assurée par un arbre
auxiliaire, qualifié genéralement de "Toggle". ,
Dans cette forme d' exécution, une simple porte est
montée sur un arbre support mais la ~ ~n~.o s'effectue par .
un arbre tubulaire séparé relié à la porte par des bielles.
Tout en offrant les mêmes avantages que les
registres à 1~ qnr~o directe précités, elles peuvent etre
mieux adaptées aux turbines à gaz de grande puissance.
Cependant, leurs inconvénients sont que le problème
d'instabilité existe toujours quoi~ que réduit par rapport à
la solution precedente.
De plus, la commande hydraulique est plus difficile
A implanter, I'arbre ayant une rotation supérieure a 120C.
L'arbre de, ~n~.~ tubulaire doit etre de gros diamètre et
d'PpAisse1lr importante car, étant situé dans le by-pass
fumée il subit des contraintes thermiques et mécaniques
importantes lors de la manoeuvre de la porte.
On a également proposé des registres à trois portes
qui sont constitués de trois portes indépendantes les unes
des autres et qui ferment chacune une partie du passage des
fumées. Tout en étant adaptables aux turbines à gaz modernes
de grande puissance, ils se caracterisent par de moins bonnes
performances d'étanchéité (résultant de la surlongueur des
joints d'étanchéité) par une complexité de - n~l~S
importantes puisqu'il faut agir sur trois arbres et par une
sécurité intrinsèque douteuse du fait qu'une ouverture
accidentelle est possible par simple défaut de la tension
électrique.
1e document W0~8/09~5~ decrit un mécanisme de
commande de porte exposé aux fumées à haute température, de
telle sorte que l ' arbre et les bielles subissent des
contraintes thermiques importantes lors de la manoeuvre de
la porte, pouvant conduire à des déformations qui peuvent
porter préjudice a l'étanchéité de la porte. En effet, les
joints flexibles ne possèdent qu'une capacité dladaptation
2186~89
wo gs/27863 A .~
limitée et insuffisante pour compenser les déformations
subies par une porte "voilée".
Le document US-A-3 605 811 décrit un mécanisme qui
peut être assimilé à une vanne ou un distributeur pneumatique
, 5 de type à tiroir coulissan~l qui présente comme principal
inconvénient une étanchéité insuffisante à hautes
températures .
De par sa conception, les dimensions de la vanne
sont forcément réduites. Le fait d'utiliser le principe de
10 couIissement du tiroir avec une certaine précision d'usinage,
en particulier des glissières, ne permet pas de s ' ~cl ~der
de températures élevées ni de grands débits gazeux.
En outre, on observe que le vérin qui - ~,n~ le
tiroir est en attaque directe, de telle sorte que la tige de
15 celui-ci souffrira des contraintes thermiques imposees au
système .
Le document EP-A-0 533 282 décrit le principe de
commande d'une porte par un arbre charnière. Ainsi que déja
mentionné, il convient de noter que ce type de, ~ndf~ est
- 20 réservé aux portes de petite dimension et aux turbines de
puissance limitée. En effet, pour des tailles supérieures,
on observe que le couple moteur de l ' arbre atteint des
valeurs élevées cnn~ ; s~nt a surdimensionner le mécanisme.
En ~ outre, la r~ ~n~l.o par l ' arbre dans le cas de
25 l'utilisation de portes de grande dimension, n'offre aucune
garantie contre les vibrations lors de manoeuvres d'ouverture
et de fermeture.
Le document US-A-4 354 528 décrit un registre
utilisé dans une application totalement différente
30 (coIlecteur de poussière) dans laquelle l'étanchéité n'est
en aucun cas requise. En outre, on observe que la tige de
cr~-~ntl~ du volet est quidée dans un tube de sortie et ne
peut en aucun cas être exposée aux hautes températures qui
seraient susceptibles de la détériorer ou qui risqueraient
35 de la coincer dans le tube de guidage.
wo 95~7863 ~ 1 8 ~ ~ 8 9 . , ~I/D~SI~
Le document FR-A-2 305 666 décrit un registre pour
carneaux de fumée mais qui ne concerne probablement pas les
turbines à gaz. On observe que dans ce document, la direction
des fumées se présente dans le sens articulation - extrémité
en glissant vers la porte, de telle sorte que la manoeuvre
par un systeme à cables d ' une porte placée dans un tel
courant gazeux va provoquer le problème suivant: pour une
position précise de la porte, les turbulences qui se creent
dans une zone située au nez de celle-ci vont engendrer des
efforts aérodynamiques variables en = intensité et en
direction. Ceux-ci vont provoquer des v;hr~t;nnc qui risquent
de s ' amplifier si la porte se met en resonnance avec son
système de commande qui est elasti~ue, éventuellement jusqu'à
la ruine de celui-ci. Il convient enfin de noter que le
- système à câbles, de par son élasticité, n'assure pas un
poslt;onr t précis de la porte, car celui-ci dépend
essentiellement de la position d'équilibre entre la pression
des gaz agissant sur une face et l'élasticité du système de
manoeuvre .
BUtC visé~ r la ~ro~nte invf~ntinn
~a présente invention vi~se à offrir un dispositif
amélioré adaptable aux registres des machines actuelles ainsi
qu' à celles futures de puis5ance élevée en particulier, tout
cela en évitant les inconvénients precités de5 solutions de
1 ' état de la technique .
En particulier, la présente invention vise à offrir
un dispositif qui permet de combiner les avantages suivants:
une bonne étanchéité, une ~ In,l,~ non exposée aux hautes
températures, des pièces simples de manoeuvre de porte ainsi
qu'une conception pouvant s'adapter aux grandes dimensions
de gaines dans le cas de turbines puissantes.
Divers avantages, caractéristiques techniques et
perfectlonnements propres à l'invention appara~tront dans la
description qui suit des eléments caractéristiques de
l'invention et de formes d'exécution preférées de l'invention
WO 9s/27863 2 1 ~ 6 ~ ~ 9
ts c :~ractr ristt ~ q de l ~ inv~nti cn
Pour atteindre les buts précités, il importe de
protéger autant que possible les eléments de r nrt,~ de la
porte, de l'effet de chocs thermiques auxquels ils sont
5 exposés dans les formes d'exécution préc~t~ ^nt décrites.
La solution proposée par l ' invention consiste en
un registre constitué d'une seule porte articulee sur un
arbre destiné uniquement à supporter la porte afin de
bénéficier des avantages qui y sont associés dans la forme
10 d' exécution "Toggle" .
Selon la forme d'exécution de l'invention, la
manoeuvre de la porte s'effectue par des tirants articulés
dans le bas de la porte par l ' intermédiaire de rotules
sphériques et qui traversent le corps du registre dans une
15 paroi oblique latérale du conduit de fumée.
Les tirants sont connectés a une poutre
transversale guidée, elle-même manoeuvrée par des moyens
appropriés situés de part et d'autre du corps du registre.
De préférence, cette manoeuvre est assurée par deux
20 vérins dont le mouvement rectiligne ouvre ou ferme la porte
en imprimant à la poutre transversale guidée un uv~ ~nt
essentiellement vertical le long des guides de la poutre.
~ fin de réduire nettement les pertes de charge des
fumées en cycle ouvert ainsi que la génération de bruits,
25 consécutive au changement brutal de direction des fumées,
diverses mesures spécifiques sont prévues selon l ' invention .
D'une part, la porte dans sa position fermée vers
la chaudière, c'est-à-dire celle du fonctionnement en cycle
ouvert est disposée selon un angle incliné par rapport à
30 l 'horizontale.
Ceci contribue à guider les fumées en cycle ouvert
vers la cheminée.
D'autre part, le coin supérieur vers le by-pass est
fortement coupé par une paroi latérale, de préférence
35 pratiquement parallèle a la porte dans ladite position
f ermée .
, ~18~?~
W095/27863 ''' Ç` '''~` r~l,D~
Finalement, le fond du registre comporte un
logement pouvant recevoir le bas de la porte et ~ormant butée
pour celle-ci.
Toutes ces mesures contribuent à éviter les
turbulences pouvant entralner des pertes de charge et des
bruits et de plus, le coin coupé permet aisément de recevoir
le point de passage des tirants dans la paroi ~atérale du
registre .
La porte est constituée d'un chassis tubulaire de
résistance étudié pour pouvDir résister éventuellement à des
efforts de torsion, assurant ainsi une grande stabilité de
l'ensemble, et sur leouel sont montées des faces d'étanchéité
munies chacune de joints d' étanchéité simples ou doubles et
d' isolation thermioue. Les faces sont reliées au châssis par
un système souple, permettant de maniere connue en soi, les
libres dilatations différentielles entre les eléments.
1es ~oints d'étanchéité sont du type classique à
lamelles metallurgiques souples, montes en simple ou double
rangées, éventuellement avec injection d'air d'etanchéité
assurant une totale etanchéite aux fumées.
1'~r~1=nrh~; té des tirants au passare du corps, est
réalisée par un système de labyrinthe muni ou non de segments
d' étanchéité, montés sur un système mobile permettant des
- uv~ ts transversaux relatifs des tirants par rapport au
corps. Par une disposition appropEiée des tirants, les
r uvl ts transversaux précités sont cependant généralement
de faible ampleur.
Dans cette forme d'exécution, l'arbre de la porte
a uniquement pour fonction de soutenir celle-ci, cet arbre
n'est donc pas moteur et ses extremités ne traversent pas le
corps du registre et aucun arbre moteur complémentaire (qui
dans le cas de la forme d' exécution Toggle est prévu)
n'existe dans la forme proposée, ce qui évite les problèmes
d'étanchéité spécifiques à ce niveau.
1es paliers de l'arbre support selon la forme
d' exécution sont également constitués de rotules sphériques,
! 2186~8'9''
WO gS/27863 ~ , 5
De manière classique et connue en soi, le corps du
registre est isolé thermiquement, soit intérieurement, soit
extéri eurement .
Les systèmes de . sn~le incluant des vérins
5 peuvent etre mécaniques ou hydrauliques. Dans le cas d'une
commande hydraulique, un système de contrôle est prévu pour
assurer en permanence la manoeuvre parfaitement synchronisée
des deux vérins.
De plus, le registre peut etre équipé d'une tole
10 de fermeture intégrée, installée à la sortie du registre en
direction de la chaudière et qui assure une étanchéité totale
aux fumées et à la température et permet le montage et/ou
1 ' entretien de la chaudière tout en maintenant la turbine à
gaz en service, en cycle ouvert.
- - Par rapport aux systèmes existants, le dispositif
de l'invention offre des avantages importants:
- Dimensions réduites de 1 ' arbre puisque uniquement
support de porte et non moteur.
- Les tirants travaillent en traction-compression
pure, et sont donc facilement chargés: les lourdes
pièces résistant mal aux contraintes thermiques
sont évitées.
- Les pertes de charge fumée sont réduites en
fonct; ~nn~ t de la turbine à gaz vers le by-pass
fumée: le rendement s'en trouve nettement amélioré
en cycle ouvert.
- - Les dimensions sont adaptables à toute turbine à
gaz, quelque soit sa puissance et sa température
d' échappement.
- La porte est fermement tenue en ~ points avec jeux
réduits et de par sa conception le point
d'instabilité n'existe pratiquement plu5.
- Pas de fuite aux étanchéités d'arbre puisque
l ' arbre ne traverse pas le corps: gains en
- rendement, plus de risques inhérents aux fuites de
gaz chauds .
~ 8~.9~
Wo 95l27~63 P~ /D~'7_.
- De par la forme genérale, la génération de bruit
est fortement réduite et permet d'éviter un
silencieux additionnel eventuel.
L'invention sera décrite~ plus en détail sous forme
5 d'un mode d'exécution préféré de l'invention en référence aux
dessins annexés, le tout étant destlné à illustrer
l ' invention, sans aucun caractère limitatif .
Brève descril~tion rlAC deS.Ct nc
L2 figure 1 es~c une représentation sche~matique
lO d'une centrale électrique a cycle combiné.
La figure 2 représente~ une vue de côté,
schématique, en coupe partielle, d'un registre à tirants
traversants selon 1 ' invention dans la position d' ouverture
vers le conduit de derivation des: fumées (by-pass fumée) .
La figure 3 est une vue schematique similaire à la
figure 2 illustrant les deux positions de la porte et le
mouvement des tirants.
La figure ~ est une vue de face, de la gauche vers
la droite, c'est-à-dire du coté turbine à gaz vers chaudière
correspondant à la figure 2.
La figure 5 est une vue genérale en perspective du
registre depuis l'arri~re, c'est-à-dire que les gaz provenant
de la turbine à gaz arrivent depuis la droite de la figure.
La figure Fest une vue de détail de l'articulation
de la porte sur son axe (détail ~A sur la figure 3) .
La figure 7 est une vue de ~étail des joints
d'étanchéité pour des tirants dans le corps du by-pass
(detail B sur la figure 3)
I~Aqnrintinn d~llnA f, d'A~ tinn l~réfPrée de l'invAntion.
Une centrale electrique à cycle combiné, comme
l'indique la figure 1, es~ essen~iellement constituée d'une
turbine à gaz 1 entraSnant un alternateur, d'une chaudière
de récuperation d' énergie 3 générant de la vapeur servant à
alimenter une turbine a vapeur entralnant également un
alternateur
Un registre 2 doit permettre selon le cas
~ ~186~`9`
WO 95127863 P~
11
d'utilisation ou non de la chaudière, de diriger les gaz soit
directement vers l'atmosphère par la cheminée 4, soit vers
la chaudiere 3 et ensuite vers l ' atmosphère par la f~hf~mi née
5.
La caractéristi.q~e essentielle est le fait que le
registre selon l ' invention est tout d ' abord mono-ventelle
donc est constitué d'une seule porte 10 articulée à un arbre
11 destiné unIquement à supporter la porte.
Selon l ' invention, la manoeuvre de la porte
s ' effectue par des tirants 13 articulés dans le bas de la
porte par l'intf~ ciiAire de rotules sphériques 15. Les
tirants articulés traversent le corps du registre 2 dans une
paroi oblique latérale 22 du conduit de dérivation de fumée
21 .
Comme il appara~t le mieux aux figures 4 et 5, les
tirants sont connectes à leur partie supbrieure à une poutre
transversale 31, elle-même manoeuvrée par des moyens
appropriés, situés de part et d'autre du corps du registre
en l ' occurrence, des verins hydrauliques 35 .
Avantageusement, la poutre 31 est maintenue dans
un dispositif de guidage 33.
La porte peut ainsi effectuer un mouvement depuis
une position sensiblement horizontale qui ferme le conduit
de dérivation de fumée ~indiqué co~me lO ' dans la figure 3)
vers une position (indiqué comme lO' ' dans la figure 3) qui
est :inclinée par rapport à l'horizontale, le coin 40 vers
le by-pass est fortement coupé pour les raisons citées dans
les élements caractéristiques.
Avantageusement, le fond du registre comporte un
logement formant butée 41 pouvant recevoir la porte et éviter
des :turbulences qui autrement seraient provoquées par la
partie saillante de la porte debordant du fond.
La porte est constituée d'un châssis tubulaire de
résistance sur lequel sont montées des faces d' étanchéité.
Les joints d'étanchéité sont de type classique.
21865
WO 95~27863 1 ~, IID~: S. ~
12
Pour ce qui concerne l ' étanchéité des tirants 13
au passage du corps du registre, plus particulièrement sur
la partie inclinée 22, l'invention prévoit que le tirant est
pourvu d'un systeme d'étanchéité à soufflets 43 qui permet
5 des mouvements transversaux relatifs des tirants par rapport
au corps 22.
Un système de labyrinthe de préférence muni de
segments d'étanchéité permet également le mouvement
longitudinal du tirant par rapport au corps.
Ainsi qu'on le notera, une disposition appropriée
des tirants permet le mouvement complet ~depuis la position
10' vers la position 10'') de la porte avec des mouvements
transversaux limités des tirants par rapport au corps du
registre. ~ ~ ~
On notera égale~ent que contrairement aux
dispositifs de l'etat de la technique, aucun arbre de
commande n'est disposé dans le courant de gaz chauds ~fuméesl
dérivé par le by-pass.
