FR2776018A1

FR2776018A1 - Turbine drive method for marine vessel

Info

Publication number: FR2776018A1
Application number: FR9802998A
Authority: FR
Inventors: Daniel Louis Chaplain
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1998-03-12
Filing date: 1998-03-12
Publication date: 1999-09-17
Anticipated expiration: 2018-03-12
Also published as: FR2776018B1

Abstract

The marine vessel turbine drive method uses a semi-closed circuit for a working fluid which is vaporized in a combustion chamber (2) by injection of exhaust products. The fluid is recirculated after condensation in a condenser (8). A heat exchanger (7) transfers the heat from the fluid and gaseous combustion products to the condensed fluid with recirculation by a pump (9).

Description

L'invention s'applique à la propulsion et à la génération d'énergie desThe invention applies to the propulsion and the generation of energy of

navires de surface ou des sous-marins, ou à des installations similaires, qui utilisent des turbines à combustion interne, c'est à dire suivant un cycle de Carnot, dont la source chaude est obtenue par combustion d'un carburant du type hydrocarboné dans l'oxygène de l'air ou dans l'oxygène pur et utilisant la mer comme source froide. Dans l'état actuel de l'art, les navires ou les sous-marins à propulsion dite "classique" sont dotés d'un système thermique de propulsion ou de génération d'énergie électrique utilisant l'oxygène contenu dans l'air ou stocké à bord. A bord des navires de surface, ce système assure la propulsion du navire en actionnant directement ou non un dispositif du type hélice ou pompe. Les besoins énergétiques du bord sont également satisfaits par la production d'électricité par des générateurs entraînés par des machines thermiques. Les navires militaires recherchant la plus grande discrétion dans tous les domaines, dont celui du rayonnement infrarouge, il est souhaitable de rendre les rejets thermiques moins détectables en les diluant dans la mer plutôt que dans l'atmosphère, ce qui condamne les systèmes rejetant de grandes quantités de gaz chauds. D'autre part, les procédés de propulsion ou de génération électrique en faveur par turbine à gaz demandent de gros volumes dans les superstructures pour y loger les filtres d'aspiration et les dispositifs d'évacuation et de dilution des échappements. Il est donc également souhaitable de trouver un système de propulsion qui simplifie l'architecture des superstructures par de faibles exigences d'encombrement. A bord des sous-marins, le système thermique charge la batterie d'accumulateurs et assure directement ou indirectement la propulsion pendant les périodes de marche en surface ou au schnorchel: les contraintes d'emploi du schnorchel et des systèmes d'échappement incitent à réduire la consommation spécifique d'air et le volume des rejets gazeux. Les sous-marins embarquant de l'oxygène sous une forme quelconque sont de plus capables de faire fonctionner en plongée une propulsion thermique ou un générateur électrique: dans ce cas et bien que les systèmes utilisés puissent recycler d'une manière ou d'une autre le fluide de travail, l'indispensable rejet des excédents de combustion ne peuvent se faire qu'à la mer, en surmontant la pression hydrostatique environnante. Il est donc également souhaitable de diminuer, en fonctionnement atmosphérique, les exigences en air et, dans tous les cas, le volume des surface ships or submarines, or similar installations, which use internal combustion turbines, that is to say according to a Carnot cycle, the hot source of which is obtained by combustion of a fuel of the hydrocarbon type in oxygen in the air or in pure oxygen and using the sea as a cold source. In the current state of the art, so-called "conventional" ships or submarines are fitted with a thermal propulsion or electrical energy generation system using the oxygen contained in the air or stored on board. On board surface vessels, this system provides propulsion for the vessel by directly or indirectly actuating a device of the propeller or pump type. The on-board energy needs are also met by the production of electricity by generators driven by thermal machines. As military ships seek the greatest discretion in all areas, including that of infrared radiation, it is desirable to make thermal discharges less detectable by diluting them in the sea rather than in the atmosphere, which condemns systems rejecting large quantities of hot gases. On the other hand, the propulsion or electric generation methods favored by gas turbine require large volumes in the superstructures to house the suction filters and the devices for evacuation and dilution of the exhausts. It is therefore also desirable to find a propulsion system which simplifies the architecture of the superstructures by low space requirements. On board submarines, the thermal system charges the storage battery and provides direct or indirect propulsion during periods of surface or snorkelling: the constraints of using snorkeling and exhaust systems encourage reducing specific air consumption and the volume of gaseous emissions. Submarines carrying oxygen in any form are also capable of operating a thermal propulsion or an electric generator while diving: in this case and although the systems used can recycle in one way or another the working fluid, the essential rejection of excess combustion can only be done at sea, overcoming the surrounding hydrostatic pressure. It is therefore also desirable to reduce, in atmospheric operation, the air requirements and, in all cases, the volume of

rejets gazeux.gaseous releases.

L'invention permet de satisfaire aux exigences énoncées ci-dessus en réduisant la demande d'air à ce qui est strictement nécessaire au bon fonctionnement de la combustion et en réduisant le volume des rejets gazeux. Elle permet le fonctionnement dit "aérobie" de la turbine utilisée sur l'oxygène de l'air, ou celui dit "anaérobie" sur l'oxygène pur stocké à bord. Si des turbines à vapeur et à gaz ont été déjà réalisées par le passé, en cycle fermé ou ouvert, telle la turbine Walter (1944), une turbine dotée de fonctionnement mixte et réglée de façon à donner un rendement satisfaisant dans les deux modes aérobie et anaérobie The invention makes it possible to satisfy the requirements set out above by reducing the demand for air to what is strictly necessary for the proper functioning of combustion and by reducing the volume of gaseous discharges. It allows the so-called "aerobic" operation of the turbine used on the oxygen of the air, or that known as "anaerobic" on the pure oxygen stored on board. If steam and gas turbines have already been produced in the past, in a closed or open cycle, such as the Walter turbine (1944), a turbine with mixed operation and adjusted so as to give satisfactory performance in both aerobic modes and anaerobic

n'existe pas encore.does not yet exist.

L'invention utilise le procédé connu de vaporisation et surchauffe d'un fluide de travail par mélange direct dans une chambre de combustion sous pression avec un carburant brûlé dans de l'air ou de l'oxygène pur. Le mélange gazeux à haute température, fluide de travail, produits de combustion et éventuellement gaz neutres si de l'air est utilisé, actionne par détente une turbine en produisant de l'énergie mécanique. Le mélange gazeux est ensuite refroidi et condensé; les constituants liquides et gazeux sont séparés. Le fluide de travail sous forme liquide retourne vers la chambre de combustion pour fermer le cycle tandis que les excédents de combustion, du liquide et des gaz, sont évacués. Ce système simple peut être amélioré, selon l'état de l'art, par une resurchauffe après première détente et extraction supplémentaire d'énergie dans une deuxième turbine: dans ce cas, la resurchauffe sera créée par une deuxième chambre de combustion similaire à la première, fonctionnant à The invention uses the known method of vaporization and overheating of a working fluid by direct mixing in a pressurized combustion chamber with a fuel burned in air or pure oxygen. The high temperature gas mixture, working fluid, combustion products and possibly neutral gases if air is used, activates a turbine by expansion producing mechanical energy. The gas mixture is then cooled and condensed; the liquid and gaseous constituents are separated. The working fluid in liquid form returns to the combustion chamber to close the cycle while the excess combustion, liquid and gases, are evacuated. This simple system can be improved, according to the state of the art, by a reheating after first expansion and additional energy extraction in a second turbine: in this case, the reheating will be created by a second combustion chamber similar to the first, operating at

température identique mais à pression plus basse. identical temperature but at lower pressure.

Selon l'invention, les pertes intrinsèques des systèmes thermiques à fluide condensable (chaleur de condensation perdue dans la source froide) sont palliés par l'adoption, à l'entrée de la turbine, d'une température élevée et d'une pression modérée augmentant fortement l'entropie du fluide, ce qui autorise, après détente à la sortie de la turbine, la récupération de la partie de l'énergie thermique excédant l'énergie de condensation et non convertie en travail. Il est donc ajouté donc aux éléments décrits ci-dessus, un élément spécifique à According to the invention, the intrinsic losses of condensable fluid thermal systems (heat of condensation lost in the cold source) are compensated by the adoption, at the inlet of the turbine, of a high temperature and a moderate pressure. greatly increasing the entropy of the fluid, which allows, after expansion at the outlet of the turbine, the recovery of the part of the thermal energy exceeding the condensation energy and not converted into work. It is therefore added to the elements described above, an element specific to

l'invention qui est un échangeur de chaleur entre sortie de turbine et sortie de condenseur. the invention which is a heat exchanger between turbine outlet and condenser outlet.

Autre ajout spécifique à l'invention, le compresseur d'air qui, dans le fonctionnement aérobie, est nécessaire à l'alimentation de la chambre de combustion; il peut être réalisé avec ou sans réfrigération intermédiaire, ou à taux de compression variable s'il lui faut s'adapter à des conditions variables de pression d'air. Enfin, l'évacuation des produits liquides en excès exige, après séparation, une pompe de refoulement et celui des gaz une soufflante ou un deuxième compresseur, la première utilisable en échappement aérien et le dernier étant indispensable pour l'échappement sous-marin. Font partie intégrante de l'invention, les dispositifs spécifiques de l'installation pour sous- marin permettant de passer du fonctionnement aérobie à celui anaérobie et vice versa; sectionnement du compresseur d'entrée ou isolement de sa turbine d'entraînement, accouplement-désaccouplement du dit compresseur; aiguillage de l'expulsion des résidus gazeux vers une soufflante ou un compresseur ou dispositif de shuntage des derniers étages d'un compresseur commun; réglage des débits relatifs de carburant, d'oxydant et de fluide de travail. Ne font pas partie de l'invention mais doivent être présents: pompes d'extraction, de circulation et d'injection des divers fluides, dispositifs auxiliaires tels que dégazeur et régulateur de pression du fluide nécessaires suivant les règles de l'art en matière de machine à fluide de travail condensable. Les dispositions suivantes peuvent être satisfaites suivant divers procédés: les compresseurs, soufflantes et pompes sont entraînées indifféremment par la turbine principale, des étages de détente dédiés de la sus-dite turbine, des turbines auxiliaires dépendantes ou non de la même chambre de combustion ou des moteurs électriques; le carburant et l'oxygène peuvent être réchauffés avant injection et l'oxygène liquide, s'il est Another specific addition to the invention is the air compressor which, in aerobic operation, is necessary to supply the combustion chamber; it can be carried out with or without intermediate refrigeration, or with variable compression ratio if it has to adapt to variable air pressure conditions. Finally, the evacuation of excess liquid products requires, after separation, a delivery pump and that of the gases a blower or a second compressor, the first usable in air exhaust and the last being essential for underwater exhaust. Are an integral part of the invention, the specific devices of the submarine installation making it possible to switch from aerobic to anaerobic operation and vice versa; sectioning of the inlet compressor or isolation of its drive turbine, coupling-uncoupling of said compressor; switching of the expulsion of gaseous residues towards a blower or a compressor or bypass device of the last stages of a common compressor; adjustment of the relative flow rates of fuel, oxidant and working fluid. The invention does not form part of the invention, but must be present: extraction, circulation and injection pumps for the various fluids, auxiliary devices such as degasser and fluid pressure regulator necessary according to the state of the art in terms of condensable working fluid machine. The following provisions can be satisfied according to various methods: the compressors, blowers and pumps are driven indifferently by the main turbine, dedicated expansion stages of the above-mentioned turbine, auxiliary turbines whether or not dependent on the same combustion chamber or electric motors; fuel and oxygen can be warmed up before injection and liquid oxygen, if it is

utilisé, peut servir d'abord à refroidir la sortie de la turbine ou le condenseur. used, can be used first to cool the turbine outlet or the condenser.

Dans la réalisation pour sous-marin représentée schématiquement à titre d'exemple en figure 1, qui utilise de l'eau comme fluide de travail, un compresseur I permet, dans le fonctionnement aérobie, l'admission de l'air sous pression sous forme gazeuse dans la chambre de combustion 2 tandis que dans le fonctionnement anaérobie, l'oxygène qui substitue l'air est injecté sous pression en 4 dans la chambre de combustion 2 sous forme liquide ou gazeuse suivant qu'il est disponible sous forme liquide cryogénique ou sous forme gazeuse haute pression. Le carburant est injecté sous forme liquide en 3 dans la chambre de combustion 2 o il brûle dans l'oxygène en vaporisant l'eau injectée sous forme liquide en 5 et porte à haute température l'ensemble des produits de combustion, la vapeur et éventuellement l'azote et les quelques gaz rares présents. Cet ensemble gazeux actionne par détente une turbine 6, simple ou multiple, qui fournit l'énergie mécanique recherchée et entraîne, dans cet exemple, le compresseur 1. La sortie de la turbine débouche dans un condenseur 8 dans lequel est maintenu, par refroidissement à l'eau de mer, une basse température et une basse pression, mais avant d'atteindre ce condenseur, les gaz encore chauds cèdent une grande partie de leur énergie thermique dans un échangeur de chaleur 7 qui échauffe le fluide de travail entre la sortie du condenseur et l'injection dans la chambre de combustion. L'eau est maintenu sous pression par des pompes d'extraction et de circulation 9 pour éviter sa vaporisation dans l'échangeur de température 7, il se dégaze au cours de cet échauffement et une cloche 10 sert à recueillir ces gaz et à réguler la pression du circuit liquide. L'eau en excès après condensation et séparation est rejeté par une pompe 11. Les gaz non condensés, c'est à dire du gaz carbonique et l'azote de l'air dans le fonctionnement aérobie, sont extraits du condenseur et envoyés vers une soufflante 12 si l'échappement est aérien ou un second compresseur 13, si l'échappement est sous-marin. Pour permettre le passage du fonctionnement aérobie à celui anaérobie et vice versa, le compresseur d'entrée peut être isolé par une vanne 15 et un embrayage 14 In the embodiment for a submarine shown diagrammatically by way of example in FIG. 1, which uses water as the working fluid, a compressor I allows, in aerobic operation, the admission of pressurized air in the form gas in the combustion chamber 2 while in anaerobic operation, the oxygen which replaces the air is injected under pressure at 4 into the combustion chamber 2 in liquid or gaseous form depending on whether it is available in cryogenic liquid form or in high pressure gas form. The fuel is injected in liquid form at 3 into the combustion chamber 2 o it burns in oxygen by vaporizing the water injected in liquid form at 5 and carries all the combustion products, the vapor and possibly at high temperature nitrogen and the few rare gases present. This gaseous assembly activates by relaxation a turbine 6, single or multiple, which provides the desired mechanical energy and drives, in this example, the compressor 1. The outlet of the turbine opens into a condenser 8 in which is maintained, by cooling to sea water, low temperature and low pressure, but before reaching this condenser, the still hot gases give up a large part of their thermal energy in a heat exchanger 7 which heats the working fluid between the outlet of the condenser and injection into the combustion chamber. The water is kept under pressure by extraction and circulation pumps 9 to avoid its vaporization in the heat exchanger 7, it degassed during this heating and a bell 10 is used to collect these gases and to regulate the liquid circuit pressure. The excess water after condensation and separation is discharged by a pump 11. The non-condensed gases, ie carbon dioxide and nitrogen from the air in aerobic operation, are extracted from the condenser and sent to a fan 12 if the exhaust is aerial or a second compressor 13 if the exhaust is submarine. To allow the passage from aerobic to anaerobic operation and vice versa, the input compressor can be isolated by a valve 15 and a clutch 14

tandis qu'un boisseau 16 réalise l'aiguillage de l'échappement gazeux. while a bushel 16 directs the gas exhaust.

L'originalité du procédé décrit réside dans la symbiose entre les techniques, utilisées jusqu'à présent séparément, des turbines à gaz et celles des turbines à vapeur. Le réglage original adopté pour les températures et les pressions et le dosage entre air ou oxygène, carburant et fluide de travail, rend le système techniquement viable. C'est pour faciliter la réalisation du premier compresseur, en fonctionnement aérobie, ou celle de l'injection d'oxygène, en fonctionnement anaérobie, que la combustion est réalisée sous pression modérée; elle est du même ordre de grandeur que celle adoptée dans la réalisation des turbines à gaz, soit de l'ordre de 15 à 20 bars. Pour permettre de rejoindre un rendement acceptable malgré une pression nettement plus faible que dans une turbine à vapeur classique, la température à l'entrée de la turbine est montée à une valeur anormalement élevée pour une turbine à vapeur, mais normale pour une turbine à gaz, valeur limitée par The originality of the described process lies in the symbiosis between the techniques, used until now separately, of gas turbines and those of steam turbines. The original setting adopted for temperatures and pressures and the dosage between air or oxygen, fuel and working fluid, makes the system technically viable. It is to facilitate the production of the first compressor, in aerobic operation, or that of the injection of oxygen, in anaerobic operation, that the combustion is carried out under moderate pressure; it is of the same order of magnitude as that adopted in the production of gas turbines, that is to say of the order of 15 to 20 bars. To make it possible to reach an acceptable yield despite a significantly lower pressure than in a conventional steam turbine, the temperature at the inlet of the turbine has risen to an abnormally high value for a steam turbine, but normal for a gas turbine. , value limited by

la tenue des aubages de tête de la turbine à environ 1200 oC à la date de cette invention. the holding of the turbine head vanes at around 1200 oC at the date of this invention.

C'est la combustion interne qui permet cette haute température en autorisant le montage direct de la sortie de la chambre de combustion sur l'étage d'entrée de la turbine. La pression modérée de fonctionnement permet une conception allégée de la turbine et évite la séparation en turbines haute et basse pression. Cette pression modérée de fonctionnement et la haute température engendre une température de sortie de turbine élevée: c'est ce qui rend possible la récupération d'énergie, avant d'atteindre le début de la condensation, par échange de chaleur entre le fluide de travail à l'état gazeux, entre turbine et condenseur, et le fluide de travail à l'état liquide, entre condenseur et chambre de combustion, chose normalement impossible dans une turbine à vapeur. L'échangeur de chaleur gaz-liquide est original car il empruntera aux appareils évaporateurs des machines à vapeur la technique de chauffe d'un liquide par des gaz qui sont ici issus de la turbine, et à celle des chaufferies nucléaires la surpressurisation qui évite la vaporisation du liquide, Les valeurs utilisées seront de l'ordre de 250 à 300 C avec une pression de l'ordre de 40 à bars. L'énergie thermique rétrocédée à la source froide n'est plus évacuée dans l'atmosphère par le fluide de travail comme dans une turbine à gaz, mais dans la mer par l'eau de refroidissement du condenseur comme dans une turbine à vapeur. Enfin, la combustion interne comme dans les turbines à gaz et non externe comme dans les turbine à vapeur, outre qu'elle améliore le rendement, supprime les appareils évaporateurs et leurs rejets de chaleur dans l'atmosphère. Les excédents gazeux non condensables sont peu volumineux et à basse température, ils sont facilement rejetés dans l'atmosphère par de simples soufflantes ou sous la mer par un compresseur et leur signature thermique peut It is internal combustion which allows this high temperature by authorizing the direct mounting of the outlet of the combustion chamber on the inlet stage of the turbine. The moderate operating pressure allows a lean design of the turbine and avoids separation into high and low pressure turbines. This moderate operating pressure and the high temperature generates a high turbine outlet temperature: this is what makes it possible to recover energy, before reaching the start of condensation, by heat exchange between the working fluid. in the gaseous state, between turbine and condenser, and the working fluid in the liquid state, between condenser and combustion chamber, something normally impossible in a steam turbine. The gas-liquid heat exchanger is original because it will borrow from the evaporator devices of steam engines the technique of heating a liquid by gases which here come from the turbine, and from that of nuclear boilers overpressurization which avoids the vaporization of the liquid, the values used will be of the order of 250 to 300 ° C. with a pressure of the order of 40 to bars. The thermal energy back to the cold source is no longer discharged into the atmosphere by the working fluid as in a gas turbine, but in the sea by the cooling water of the condenser as in a steam turbine. Finally, internal combustion as in gas turbines and not external as in steam turbines, in addition to improving efficiency, removes evaporative devices and their heat releases to the atmosphere. Non-condensable gas surpluses are small and at low temperature, they are easily released into the atmosphere by simple blowers or under the sea by a compressor and their thermal signature can

être considérée comme nulle.be considered void.

Claims

1. Method for producing mechanical energy by a semi-closed cycle thermal machine with heat recovery, having as a principle the expansion in a turbine 6 of a condensable working fluid vaporized in a combustion chamber 2 (hot source) by injection 4 into the medium of the gases produced by the combustion of a fuel, the said recirculating working fluid after condensation in a condenser 8 (cold source) and after rejection of the combustion products, including the excess liquid by the pump 1 l; characterized by an exchanger 7 transferring, thanks to the very high temperature and the moderate inlet pressure at the turbine inlet, heat from the working fluid and the combustion products in the gaseous phase, at the outlet of the turbine and before condensation , to the condensed working fluid, recirculating by means of pump 9 and regulator 10 under phase

liquid with overcuring, after extraction of the condenser 8.

2. Method according to claim 1, characterized by a compressor 1 bringing to the selected operating pressure the quantity of air necessary for the proper functioning of the combustion of a fuel 3 injected into the combustion chamber 2 and by an extraction with the outlet of the condenser 8 for the non-condensed combustion gases and their low discharge

pressure by a blower 12.

3. Method according to claim 1, characterized by the injection 4 into the combustion chamber 2 of oxygen in liquid or gaseous form in an amount necessary for the proper functioning of the combustion of a fuel 3 and by an extraction at the outlet of the condenser 8 of the non-condensed combustion gases and their medium pressure expulsion

by a compressor 13.

4. Method according to claims 2 and 3, characterized by the isolation valves of the

compressor 15 and the stop of its mechanical drive 14, making it possible to choose for the combustion chamber 2 the admission by a compressor 1 of the quantity of air required or the injection 4 of oxygen in liquid or gaseous form in quantity necessary; by the switch 16 of the gas exhaust between blower 12 or compressor or by bypassing the compression stages of said compressor 13, making it possible to choose between low pressure rejection or medium pressure expulsion of non-combustion gases

condensed.