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EP0007874A1 - Installation de production d'énergie à générateur à pistons libres - Google Patents

Installation de production d'énergie à générateur à pistons libres Download PDF

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Publication number
EP0007874A1
EP0007874A1 EP79400531A EP79400531A EP0007874A1 EP 0007874 A1 EP0007874 A1 EP 0007874A1 EP 79400531 A EP79400531 A EP 79400531A EP 79400531 A EP79400531 A EP 79400531A EP 0007874 A1 EP0007874 A1 EP 0007874A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
compressor
fraction
air
compartments
cooler
Prior art date
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EP79400531A
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German (de)
English (en)
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EP0007874B1 (fr
Inventor
Henry Benaroya
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Individual
Original Assignee
Individual
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Publication date
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Publication of EP0007874A1 publication Critical patent/EP0007874A1/fr
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02B—INTERNAL-COMBUSTION PISTON ENGINES; COMBUSTION ENGINES IN GENERAL
    • F02B71/00—Free-piston engines; Engines without rotary main shaft
    • F02B71/04—Adaptations of such engines for special use; Combinations of such engines with apparatus driven thereby
    • F02B71/06—Free-piston combustion gas generators per se
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02B—INTERNAL-COMBUSTION PISTON ENGINES; COMBUSTION ENGINES IN GENERAL
    • F02B75/00—Other engines
    • F02B75/04—Engines with variable distances between pistons at top dead-centre positions and cylinder heads

Definitions

  • the present invention relates to energy production installations comprising a free piston generator with several compressor compartments and at least one engine cylinder, and a gas turbine which receives the exhaust gases from the engine cylinder or engine cylinders.
  • the so-called internal motor pistons which are neighboring and which are mechanically connected to each other, constitute, with the compressor pistons which they drive, an internal mobile assembly.
  • the two external engine pistons which are also mechanically connected to each other and to associated compressor pistons, constitute a mobile assembly which can be described as external.
  • the installation may include, in addition to the generator and the gas turbine, a compressor, generally rotary, which supplies the compressor compartments with air at a pressure higher than atmospheric pressure, by means of a conventional cooler. .
  • the air supplied by the compressor cylinders passes through a cooler, then arrives at the engine cylinders where it is used as combustion and purge air.
  • the invention aims to provide an energy production installation that better meets those previously known to the requirements of practice, in particular in that the excess air supplied by the compressors is used under conditions which lead to increased efficiency. .
  • the invention provides an installation of the type defined above, characterized in particular in that the compressor compartments are divided into a first fraction and a second fraction, in that the compressor compartments of the first fraction are supplied with air by a compressor through a first air cooler and supply hot compressed air which is, at least partially, sent to a turbine, and in that the compressor compartments belonging to the second fraction are supplied by a compressor. through a second cooler and feed the engine cylinder or the engine cylinders through a third cooler.
  • the same rotary compressor can supply the compressor compartments belonging to the first fraction and to the second fraction (the number of compartments in each group can also be reduced to 1).
  • the rotary compressor can be driven by the turbine hot air.
  • the air cooled by partial expansion in the air turbine can be mixed with the air flow leaving the rotary compressor.
  • these compartments will advantageously be provided to supply air at a pressure lower than that supplied by the other compartments, so that the air and gases arriving at the turbine are at the same pressure.
  • one of the fractions may be constituted by the compressor compartments situated on one side of the median plane, the other fraction being constituted by the compressor compartments situated from the on the other hand, so that the external and internal crews are subjected to the same efforts.
  • FIG. 1 The installation shown diagrammatically in FIG. 1 comprises a generator with free pistons which it will be assumed, for example, that it comprises two compressor cylinders 3a and 3b in which compressor pistons 2a and 2n limit compression compartments.
  • the piston 2n is mechanically coupled to two engine pistons 7 placed one in an engine cylinder 5, the other in a engine cylinder 6.
  • the piston 2a is mechanically coupled to pistons 8 also placed in cylinders 5 and 6 and delimiting combustion chambers with pistons 7.
  • the compressor compartments 3a and 3n are supplied by a rotary supercharging compressor 20 which sucks in air at atmospheric pressure and discharges it into a line 21.
  • Part of the air coming from the line 21 is supplied, via from an air cooler 22 which may be of the conventional type, to an inlet valve (not shown) of the compressor compartment 3a.
  • the other part of the air coming from line 21 is directed to an inlet valve of the compressor compartment 3n, by means of an air cooler 23, which forces the air passing through it to drop higher temperature than cooler 22.
  • the air discharged from the compartment 3n passes through a third cooler 24 before being admitted into the engine cylinders 5 and 6, by intake and scanning lights.
  • the exhaust gases from the engine cylinders are sent to one or more gas turbines 25 driving one or more electricity generators 26.
  • Control valves are provided so that the quantity of air admitted to the engine cylinders ensures satisfactory combustion and sweeping without overheating.
  • the air coming from the compressor compartment 3a feeds a hot air turbine 27 which drives the rotary compressor 20.
  • the exhaust of the air turbine 27 can be carried out in the open air, but it will often be more advantageous to return this air, cooled by its expansion, towards line 21 (as indicated in dashes in FIGS. 1 and 2). In this case, there will obviously be only partial expansion in the turbine 26.
  • the overall efficiency will be increased since the adiabatic efficiency of the compressor will only affect the additional air. In return, precautions must be taken so that the oil contained in the air leaving the turbine does not clog the compressor compartments.
  • a fraction of the air from the compressor 3A, adjustable using a valve 27, is however returned upstream of the gas turbine 25, to give more flexibility to the 'installation.
  • This return can take place via a pressure balancing diaphragm upstream of the gas turbine, but it is more advantageous to give the compressor compartments 3a a lower compression ratio than the compressors 3n.
  • the supercharging compressor 20 supplies air at a pressure of 1.4 bar (in absolute value). Under normal conditions, this air is brought back from a temperature of 54 ° C to respective temperatures of 45 ° C and 25 ° C by the coolers 22 and 23.
  • the compressor compartments 3a and 3n respectively raise the pressure of the air at 5.9 bars and 6.4 bars absolute approximately.
  • the gas temperature goes from 210 ° C to 149 ° C in the exchanger 24, then to 619 ° C at the outlet of the engine cylinders 5 and 6.
  • Figure 1 shows the installation only schematically and many elements are not shown, in particular the necessary adjustment valves.
  • each of the elements represented is likely to be replaced by several.
  • the rotary compressor (which can also be replaced by a volumetric machine) must be equipped with means intended to prevent it from being pumped, for example by direct return of air from its discharge to the inlet of the gas turbine 27 , when an operation close to the pumping line is detected.
  • Each line of compressor cylinders includes two external cylinders and two internal cylinders, each double acting and fitted with inlet and outlet valves.
  • the pistons 2a and 2n move which delimit in the cylinders compressor compartments 3a and 3n, as well as symmetrical compartments.
  • the internal cylinders slide pistons 2b and 2c which delimit on their side compressor compartments 3b and 3c.
  • the external mobile assembly of the generator comprises the engine pistons 7 interconnected and with the compressor pistons by cross members 35 and a central tie rod.
  • the internal mobile assembly comprises, on its side, internal engine pistons 8, circulating in the same engine cylinders 5 and 6 as the pistons 7 of the external crew.
  • the pistons 8 are connected to the compressor pistons 2b and 2c by a cross-member 31.
  • Each of the compressor cylinders is provided with inlet and outlet valves such as 37 and 38.
  • the devices other than the generator have been represented in the form of a simple block diagram in FIG. 2. It can be seen that only the compressor compartments delimited by the compressor pistons 2a and 2b are used to supply the hot air turbine 27. The compartments of the compressor cylinders delimited by the pistons 2c and 2n supply the engine cylinders 6 and 7 through the air cooler 24.

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Abstract

L'installation de production d'énergie comprend un générateur de gaz à pistons libres alimentant une turbine à gaz (25). Certains des compartiments compresseurs (3a) du générateur sont alimentés en air par un compresseur rotatif (20) à travers un refroidisseur (22) qui alimente une turbine à air (27). Les autres compartiments compresseurs (3n) sont alimentés en air à travers un second refroidisseur (23) qui alimente les cylindres moteurs du générateur à travers un second refroidisseur (24).

Description

  • La présente invention concerne les installations de production d'énergie comprenant un générateur à pistons libres à plusieurs compartiments compresseurs et au moins un cylindre moteur, et une turbine à gaz qui reçoit les gaz d'échappement du cylindre moteur ou des cylindres moteurs.
  • Elle trouve une application particulièrement importante bien que non exclusive, dans les installations dites "tandem", comportant deux cylindres moteurs alignés, dans chacun desquels travaillent deux pistons moteurs libres opposés, solidaires de pistons compresseurs, et surtout multi-tandem, dans lesquelles on trouve plusieurs ensembles de deux cylindres disposés côte-à-côte.
  • Dans un générateur tandem, les pistons moteurs dits internes qui sont voisins et qui sont reliés mécaniquement l'un à l'autre, constituent, avec les pistons compresseurs qu'ils entrainent, un équipage mobile interne. Les deux pistons moteurs externes, qui sont également mécaniquement reliés l'un à l'autre et à des pistons compresseurs associés, constituent un équipage mobile qu'on peut qualifier d'externe. Dans un générateur de gaz multi-tandem, on retrouve des équipages interne et externe, mais comportant chacun plusieurs couples de pistons moteurs.
  • L'installation peut comprendre, en plus du générateur et de la turbine à gaz, un compresseur, généralement rotatif, qui fournit aux compartiments compresseurs de l'air à une pression supérieure à la pression atmosphérique, par l'intermédiaire d'un refroidisseur classique. L'air fourni par les cylindres compresseurs traverse un refroidisseur, puis arrive aux cylindres moteurs où il est utilisé comme air de combustion et de balayage.
  • En refroidissant l'air entre les compartiments compresseurs et les cylindres moteurs, on arrive à "gaver" ces derniers. Mais la quantité d'air qui est admise aux cylindres moteurs est très supérieure à celle qui y est effectivement retenue et comprimée avant combustion (plus de deux fois et demie dans un cas représentatif). Elle est également très supérieure au volume nécessaire si l'on tient compte de la nécessité d'un balayage. La baisse de rendement de l'ensemble de l'installation due au refroidissement de la totalité de l'air provenant des compartiments compresseurs apparaît donc sans contrepartie.
  • On pourrait penser que cet inconvénient peut être supprimé en prélevant une partie de l'air à la sortie des compartiments compresseurs et en le mélangeant aux gaz de combustion admis à la turbine à gaz. Malheureusement, l'air à la sortie des compartiments compresseurs est à une pression nettement supérieure à celle des gaz d'échappement à l'entrée de la turbine, de sorte que cette solution oblige à prévoir un diaphragme de perte de charge sur le trajet de l'air prélevé et cette sujétion se traduit par une baisse de rendement.
  • L'invention vise à fournir une installation de production d'énergie répondant mieux que celles antérieurement connues aux exigences de la pratique, notamment en ce que l'excès d'air fourni par les compresseurs est utilisé dans des conditions qui conduisent à un rendement accru.
  • Dans ce but, l'invention propose une installation du genre ci-dessus défini, caractérisée notamment en ce que les compartiments compresseurs sont repartis en une première fraction et une seconde fraction, en ce que les compartiments compresseurs de la première fraction sont alimentés en air par un compresseur à travers un premier refroidisseur d'air et fournissent de l'air comprimé chaud qui est, au moins partiellement, envoyé à une turbine, et en ce que les compartiments compresseurs appartenant à la seconde fraction sont alimentés par un compresseur à.travers un second refroidisseur et alimentent le cylindre moteur ou les cylindres moteurs à travers un troisième refroidisseur.
  • Le même compresseur rotatif peut alimenter les compartiments compresseurs appartenant à la première fraction et à la seconde fraction (le nombre des compartiments de chaque groupe pouvant d'ailleurs être réduit à 1). Le compresseur rotatif peut être entraîné par la turbine à air chaud. L'air refroidi par détente partielle dans la turbine à air peut être mélangé au débit d'air sortant du compresseur rotatif. v i
  • Si une partie de l'air fourni par les compartiments de la première fraction est envoyé à la turbine à gaz, ces compartiments seront avantageusement prévus pour fournir de l'air à une pression inférieure à celle fournie par les autres compartiments, de façon que l'air et les gaz arrivant à la turbine soient à la même pression.
  • Lorsque le générateur à pistons libres est du type tandem ou multi-tandem, l'une des fractions peut être constituée par les compartiments compresseurs situés d'un côté du plan médian, l'autre fraction étant constituée par les compartiments compresseurs situés de l'autre côté, de façon que les équipages externe et interne soient soumis aux mêmes efforts.
  • L'invention sera mieux comprise à la lecture de la description qui suit de modes particuliers de réalisation donnés à titre d'exemples non limitatifs. La descriper tion se réfère aux dessins qui l'accompagnent, dans lesquels :
    • - la figure 1 est un schéma synoptique d'une installation conforme à l'invention, les connexions mécaniques étant représentées par de simples lignes en trait mixte,
    • - la figure 2 montre l'application de l'invention à une installation dont le générateur est du type multi-tandem, la partie inférieure étant une coupe par un plan vertical passant par l'axe d'une ligne de cylindres compresseurs et la partie supérieure étant une coupe suivant un plan oblique passant par l'axe d'un jeu de cylindres moteurs.
  • L'installation schématisée en figure 1 comporte un générateur à pistons libres dont on supposera, à titre d'exemple, qu'il comporte deux cylindres compresseurs 3a et 3b dans lesquels des pistons compresseurs 2a et 2n limitent des compartiments de compression. Le piston 2n est mécaniquement couplé à deux pistons moteurs 7 placés l'un dans un cylindre moteur 5, l'autre, dans un cylindre moteur 6. Le piston 2a est couplé mécaniquement à des pistons 8 placés également dans les cylindres 5 et 6 et délimitant des chambres de combustion avec les pistons 7.
  • Les compartiments compresseurs 3a et 3n sont alimentés par un compresseur rotatif 20 de suralimentation qui aspire de l'air à pression atmosphérique et le refoule dans une conduite 21. Une partie de l'air provenant de la conduite 21 est amenée, par l'intermédiaire d'un refroidisseur d'air 22 qui peut être de type classique, à une soupape d'admission (non représentée) du compartiment compresseur 3a. L'autre partie de l'air provenant de la conduite 21 est dirigée vers une soupape d'admission du compartiment compresseur 3n, par l'intermédiaire d'un refroidisseur d'air 23, qui impose à l'air qui le traverse une baisse de température plus importante que le refroidisseur 22.
  • L'air refoulé du compartiment 3n traverse un troisième refroidisseur 24 avant d'être admis dans les cylindres moteurs 5 et 6, par des lumières d'admission et de balayage. Les gaz d'échappement des cylindres moteurs sont envoyés à une ou plusieurs turbines à gaz 25 entrainant un ou plusieurs générateurs d'électricité 26. Des vannes de réglage, non représentées, sont prévues pour que la quantité d'air admise aux cylindres moteurs assure une combustion et un balayage satisfaisants, sans surchauffe.
  • L'air provenant du compartiment compresseur 3a alimente une turbine à air chaud 27 qui entraine le compresseur rotatif 20. L'échappement de la turbine à air 27 peut s'effectuer à l'air libre, mais il sera souvent plus avantageux de renvoyer cet air, refroidi par sa détente, vers la conduite 21 (comme indiqué en tirets sur les figures 1 et 2). Dans ce cas, il n'y aura évidemment que détente partielle dans la turbine 26. Le rendement global sera.accru étant donné que le rendement adiabatique du compresseur n'interviendra que sur l'air supplémentaire. En contrepartie, des précautions devront être prises pour que l'huile contenue dans l'air sortant de la turbine n'engorge pas les compartiments compresseurs.
  • Il faut remarquer au passage que l'utilisation de l'air chaud pour entraîner directement une turbine est préférable au mélange avec les gaz d'échappement, car on évite les chutes de rendement en cascade qui interviennent dans le dernier cas.
  • Dans le mode de réalisation illustré, une fraction de l'air provenant du compresseur 3A, réglable à l'aide d'une vanne 27, est toutefois renvoyée à l'amont de la turbine à gaz 25, pour donner plus de souplesse à l'installation. Ce retour peut s'effectuer par l'intermédiaire d'un diaphragme d'équilibrage des pressions en amont de la turbine à gaz, mais il est plus avantageux de donner aux compartiments compresseurs 3a un rapport de compression plus faible qu'aux compresseurs 3n.
  • On peut considérer que les valeurs ci-après sont représentatives de celles qui existent dans une installation industrielle. Le compresseur 20 de suralimentation fournit de l'air à une pression de 1,4 bar (en valeur absolue). En régime normal, cet air est ramené d'une température de 54°C à des températures respectives de 45°C et 25°C par les refroidisseurs 22 et 23. Les compartiments compresseurs 3a et 3n relèvent respectivement la pression de l'air à 5,9 bars et 6,4 bars absolus environ. La température du gaz passe de 210°C à 149°C dans l'échangeur 24, puis à 619°C à la sortie des cylindres moteurs 5 et 6.
  • La figure 1 ne montre l'installation que de façon schématique et de nombreux éléments n'y sont pas représentés, en particulier les vannes de réglage nécessaires. Par ailleurs, chacun des éléments représentés est susceptible d'être remplacé par plusieurs. Enfin, le compresseur rotatif (qui peut d'ailleurs être remplacé par une machine volumétrique) doit être équipé de moyens destinés à éviter son pompage, par exemple par retour direct d'air de son refoulement vers l'admission de la turbine à gaz 27, lorsqu'on détecte un fonctionnement proche de la ligne de pompage.
  • On décrira maintenant, en faisant référence à la figure 2, la constit:tion générale d'une installation utilisant un générateur de gaz multi-tandem à deux lignes de cylindres compresseurs à double effet et quatre couples de deux cylindres moteurs.
  • Pour plus de clarté, les éléments de la figure 2 qui correspondent à ceux déjà montrés en figure 1 portent le même numéro de référence.
  • Le générateur lui-même est du type déjà décrit dans le brevet U.S. 3 669 571 du présent demandeur, auquel on pourra se reporter, de sorte que seule une description succincte en sera donnée ici.
  • Chaque ligne de cylindres compresseurs comprend deux cylindres externes et deux cylindres internes, chacun à double effet et muni de soupapes d'admission et de refoulement. Dans les cylindres compresseurs externes se déplacent les pistons 2a et 2n qui délimitent dans les cylindres des compartiments compresseurs 3a et 3n, ainsi que des compartiments symétriques. Dans les cylindres internes coulissent des pistons 2b et 2c qui délimitent de leur côté des compartiments compresseurs 3b et 3c.
  • L'équipage mobile externe du générateur comprend les pistons moteurs 7 reliés entre eux et avec les pistons compresseurs par des traverses 35 et un tirant central 30. L'équipage mobile interne comporte, de son côté, des pistons moteurs internes 8, circulant dans les mêmes cylindres moteurs 5 et 6 que les pistons 7 de l'équipage externe. Les pistons 8 sont reliés aux pistons compresseurs 2b et 2c par une traverse 31. Chacun des cylindres compresseurs est muni de clapets d'admission et de refoulement tels que 37 et 38.
  • Les appareils autres que le générateur ont été représentés sous forme de simple synoptique sur la figure 2. On voit que seuls les compartiments compresseurs délimités par les pistons compresseurs 2a et 2b sont utilisés pour alimenter la turbine à air chaud 27. Les compartiments des cylindres compresseurs délimités par les pistons 2c et 2n alimentent les cylindres moteurs 6 et 7 à travers le refroi- disseur d'air 24.

Claims (9)

1. Installation de production d'énergie, comprenant un générateur de gaz à pistons libres à plusieurs compartiments compresseurs et au moins un cylindre moteur, et une turbine à gaz qui reçoit les gaz d'échappement du cylindre moteur ou des cylindres moteurs, caractérisée en ce que les compartiments compresseurs (3a-3n) sont répartis en une première fraction et une seconde fraction, en ce que les compartiments compresseurs (3a) de la première fraction sont alimentés en air par un compresseur (20) à travers un premier refroidisseur d'air (22) et fournissent de l'air comprimé chaud qui est, au moins partiellement, envoyé à une turbine (27), et en ce que les compartiments compresseurs (3n) appartenant à la seconde fraction sont alimentés par un compresseur à travers un second refroidisseur (23) et alimentent le cylindre moteur ou les cylindres moteurs (5,6) à travers un troisième refroidisseur (24).
2. Installation suivant la revendication 1, caractérisée en ce que les compartiments compresseurs de la première fraction et de la seconde fraction sont alimentés par le même compresseur (20).
3. Installation suivant la revendication 1 ou 2, caractérisée en ce que le compresseur (20) est un compresseur rotatif.
4. Installation suivant l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce que le premier refroidisseur d'air (22) est prévu pour imposer à l'air qui le traverse une diminution de température inférieure à celle imposée à l'air qui traverse le second refroidisseur (23).
5. Installation suivant l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce qu'une partie seulement de l'air fourni par les compresseurs de la première fraction est envoyée à la turbine à air chaud (27), le reste étant envoyé à la turbine à gaz (25).
6. Installation suivant l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce que la turbine à air (27) entraine le compresseur (20).
7. Installation suivant l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce que le générateur à pistons libres est du type tandem ou multi-tandem, la première fraction comprenant les compartiments compresseurs (3a, 3b) situés d'un côté du plan médian, tandis que la seconde fraction est constituée par les compartiments compresseurs (3c, 3n) situés de l'autre côté du plan médian.
8. Installation suivant l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce que les compartiments compresseurs de la première fraction sont prévus pour fournir une pression inférieure à celle fournie par les compartiments compresseurs de la seconde fraction.
9. Installation suivant l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce que l'échappement de la turbine à air chaud (27) est relié à l'aval du compresseur (20).
EP79400531A 1978-07-26 1979-07-25 Installation de production d'énergie à générateur à pistons libres Expired EP0007874B1 (fr)

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FR7822168A FR2432089A1 (fr) 1978-07-26 1978-07-26 Installation de production d'energie a generateur a pistons libres
FR7822168 1978-07-26

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Publication Number Publication Date
EP0007874A1 true EP0007874A1 (fr) 1980-02-06
EP0007874B1 EP0007874B1 (fr) 1981-10-14

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EP79400531A Expired EP0007874B1 (fr) 1978-07-26 1979-07-25 Installation de production d'énergie à générateur à pistons libres

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AT (1) ATE301T1 (fr)
DE (1) DE2960986D1 (fr)
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