Brevet FR2294345A1 — publié le 19760709

La présente invention concerne un compresseur comportant au moins deux étages. Un compresseur centrifuge est une machine simple et se quand il comporte un, seul étage, et il est largement utilisé dans les groupes générateurs de courant à turbines à gaz, les groupes turbo-chargeurs et les équipements anologues quand un taux de compression compris entre 4/1 et 6/1 est satisfaisant. Pour obtenir un taux de compression supérieur,deux étages centrifuges ou plus doivent titre disposés en série, mais eela représente une complication ainsi qu une augmentation indésirable du poids et de llencom- brument Cette dernière conséquence résulte principalement des coudes de retour entre les étages individuels. I1 a aussi été proposé d'utiliser un ou plusieurs étages axiaux en amont de étage centrifuge, ce qui peut être intéressant, par exemple, pour la réduction du prix et du poids. Pour obtenir une augmentation appréciable de la pression avec Jeu d'étages axiaux, il sera cependant nécessaire de les établir avec un diamètre moyen considérablement supérieur au diamètre extérieur de l'entrée, du compresseur. Cela conduit à une vitesse centrifuge élevée dans les étages axiaux et une variation radiale de la distribution de l'air et du nombre de Mach à T entrée de T étage centrifuge. En mise temps, la longueur de la machine doit être augmentée en raison de la longueur du passage entre les parties axiales et radiales du compresseur. Un groupe compact plus simple avant un rendement élevé est désirable pour de nombreuses installations dans lesquelles le rapport de compression doit Qtre compris entre 6/1 et 12/I. Le taux élevé de compression et la plage large de fonctionnement d'un comme presseur centrifuge à-deux étages seraient avantageux en combinai- son avec les dimensions réduites et le rendement élevé d'un compresseur axial à un seul étage précédant un compresseur centrifuge. Pour une plage large de fonctionnement cela n'a pu être possible jusqu'ici qu qu'avec des compresseurs centrifuges compliqués à deux é- tages. La présente invention a pour obJet un compresseur simple ayant au moins deux étages dont le premier est un étage centripète et le dernier est un étage centriPuge, les deux montés sur le même l'étage arbre, la sortie de l'étage,centripète communiquant avec l'entrée de/ centrifuge soit directement soit par un étage axial intermédiaire de façon que l'écoulement ait lieu radialement vers l'intérieur dans le premier étage et radialement vers 1'extérieur dans le dernier étage, le rotor de l'étage centripète ayant un diamètre ne dépassant pas le diamètre à la sortie de l'étage centrifuge. Les caractéristiques de l'invention ressortiront plus particulièrement de la description suivante, donnée à titre d'exemple en se référant aux dessins annexés, sur lesquels Fig. 1 est une coupe d'un compresseur à deux étau selon un mode de mise en oeuvre de l'invention. Fig.- 2 représente schématiquement une partie du système d'aubes du compresseur centripète de la figure 1, ét Fig. 3 représente un compresseur selon un autre mode de mise en oeuvre de l'invention. Fig. 4 représente un autre compresseur comportant un étage intermédiaire axial. Dans le compresseur à deux étages représenté sur la figure 1, le dernier étage est un compresseur centrifuge 10 du type classique à disque, c'est-à-dire avec un rotor avant des aubes orien -tées sensiblement radialement et ouvertes sur un c8té du rotor, une entrée centrale et une sortie le long du pourtour du rotor. Sur le même arbre 11 sur lequel est monté le compresseur centrifuge, est monté un compresseur centripète, ce compresseur comportant un disque de rotor 12 dont le pourtour est muni d'une série circulaire d'aubes orientées axialement 13. Les aubes centripètes ainsi que leurs anneaux supports l3b et 13- sont disposés en porte à faux par rapport au disque auquel ces anneaux sont connectés par des éléments élastiques l3a. Les aubes ont un rapport très faible des rayons entre l'entrée et la sortie de façon que lteffet centrifuge soit à peu près sans importance et que l'action aérodynamique soit prédominante. L'extrémité de sortie 14 du compresseur centripète est formée dans le corps 15 commun aux deux étages et comporte des aubes directrices de sortie 20. L'arbre il tourne dans des paliers de cette partie du corps. Ainsi qu'il apparut de façon évidente sur la figure 1, 1 'air s 'écoule radialement vers l'intérieur dans le premier étage et radialement vers l'extérieur dans le second étage, avec un coude doux entre les deux, de sorte que le passage pour l'air a l'aspect d'un U vu en coupe. Le compresseur centripète comporte des aubes directrices d'entrée réglables 16 et le compresseur centrifuge comporte des aubes directrices de sortie réglables 17. Ces dernières ne sont nécessaires que dans le cas de taux de compression très élevés et/ou quand une plage très large de fonctionnement est nécessaire. Les mécanismes 18 et 19 pour commander ces aubes directrices sont couplés et peuvent Autre réglés par un élément régulateur commun. En donnant aux aubes d 'entrée 16, aux aubes 13 du rotor du compresseur centripète et aux aubes 20 à la sortie du rotor le S8me profil sur toute la longueur de l'aube considérée, il sera possible de maintenir des conditions idéales d'écoulement pendant des conditions variables de fonctionnement, ainsi que d'obtenir le mamie nom- bre de Mach le long de l'aube, ce qui Jusqu'ici a été impossible avec les compresseurs centrifuges combinés connus. La figure 1 montre aussi un arrangement pour 1envoi pendant le fonctionnement d'un fluide pour le nettoyage du compresseur et/ ou pour rendre possible une pointe de puissance temporaire avec des gaz d'automobiles ou de turbine à gaz industrielles. L'arbre d'au moins une aube directrice d'entrée comporte un alésage axial l6a. Un élément formant un canal annulaire 16b est fixé au corps du compresseur et est relié à un conduit d'alimentation 16c. Les aubes comportent des fentes 16d de sorte que quand cela est désiré un fluide peut entre pulvérisé dans le courant d 'air. La figure 2 est une coupe d'une partie du système d'aubes du compresseur centripète montrant deux positions différentes pour les aubes directrices d'entrée réglables 16. Selon la position de ces aubes, le compresseur centripète refoule de l'air sous des pressions différentes et il peut même être possible de faire fonctionner le compresseur en turbine ce qui signifie une réduction du volume d'air total refoulé ainsi que du taux de compression et de la puissance nécessaire pour entraîner le groupe. Le diamètre extérieur du compresseur centripète est choisi nettement inférieur au diamètre extérieur du compresseur centrifuge, de préférence moins de la valeur moyenne entre le diamètre à la sortie et le diamètre extérieur à ltentréé. Suivant le mode de réalisation représenté sur la figure 3 le groupe comporte aussi un compresseur centrifuge 10 comme dernier étage. Le compresseur centripète 21 est dans ce cas conçu de façon que ses aubes 22 et la paroi radialement à l'intérieur 23 de la partie de sortie soient forméès dans son rotor. De-cette façon, il est plus facile de réduire le diamètre de l'entrée du compresseur centripète, de sorte que,dans certains cas, il peut tre environ le même que le diamètre extérieur de l'entrez du compresseur centrifuge. Le compresseur centripète comporte également des aubes d'entrée de guidage 16 et, de plus, le corps du compresseur 15 comporte des aubes d'entrée de guidage 25-en amont du compresseur- centrifuge. Il est prévu, comme dans le mode de réalisation ci-dessus, un diffuseur de sortie qui peut être fixe ou éventuellement comportant des organes réglables. La figure 4 représente un mode de réalisation comprenant un étage axial intermédiaire ainsi que des moyens pour extraire par aspiration la couche limite des anneaux de stator axiaux. Le dernier étage est, comme ci-dessus, référence en 10. Ces trois compresseurs ont un rotor commun avec l'étage centripète 21 à ltextrémitd avant. I1 est prévu, comme sur la figure 3, des aubes 22 et des aubes d'entrée de guidage 16. Entre les deux étages, il existe un étage axial 30 entouré par des anneaux fixes de stator 31 et 32. Des passages 33 et 34 communiquent avec ces anneaux pour extraire par aspiration la couche limite. Le diamètre de étage axial ne dépasse pas le diamètre extérieur de l'entrée de 1'étage centrifuge. L'extrémité avant de l'arbre ll porte l'étage de compresseur centrifuge 22 qui est précédé par des aubes directrices d'entrée 16. Quand les aubes d'entrée 16 sont fermées à un taux élevé, l'air tourne sensiblement dans le mëme sens que les aubes du rotor et aucune compression n'est obtenue dans l'étage centripète. Cela signifie une réduction du poids d'air sans les pertes habituelles par vannage. Si la rotation dans le même sens est augmentée, cet étage cessera de fonctionner en compresseur et commencera à travailler en turbine centripète. Cette caractéristique est particulièrement intéressante pour les turbines à gaz quand des changements rapides de la puissance fournie sont désirés, avec des changements faibles ou sans changement de la vitesse de rotation. L'extrémité de l'arbre est portée par un palier support avant ou un palier amortisseur 36 qui est de préférence à lubrification par l'air et qui est relié à étage haute pression ou à l1 étage intermédiaire du compresseur. Suivant tous les modes de réalisation représentés, le diamètre du rotor du compresseur centripète ne dépasse pas le diamètre à la sortie du compresseur centrifuge, ce qui est avantageux du point de vue du nombre de Mach et pour la résistance, et permet des propriétés d'écoulement fin, un rendement supérieur et une plage large de fonctionnement. Quand le taux de compression demandé n'est pas trop élevé et quand la plage de fonctionnement demandée n'est pas spécialement large, 1 'étage centrifuge peut comporter des aubes directrices d'entrée fixes, et éventuellement peut ne pas comporter ces aubes. Pour la construction du compresseur centripète et pour le choix de la matière pour le compresseur les questions concernant le prlx, le moment dtinertie, la vitesse maximale de rotation et la résistance seront des facteurs décisifs. Pour obtenir la plus grande résistance, l'anneau d'aubes peut comporter un anneau support d'extrémité porté par la membrane flexible 13a. Cette membrane peut, par exemple, être fendùe suivant différentes configurations pour obtenir la flexibilité désirée, et elle peut titre fixée au disque du rotor par exemple par soudage au faisceau d'électrons, Dans le cas d'une grande vitesse de rotation les anneaux supports peuvent être fabriqués en un matériau composite avec des fibres ou d'autres éléments de renforcement noyés dans la résine. Quand un moment d'inertie 'faible est nécessaire, l'anneau à aubes et éventuellement aussi le disque du rotor peuvent Autre en métal léger, en titane, en fibres de carbone, en fibres de verre, en matière céramique ou en une matière équivalente, et sa surface peut être traitée pour réduire 1'usure par les contaminants de l'air. Bien entendu, la description qui précède n'est pas limi stative, et l'invention peut titre mise en oeuvre suivant d'autres variantes, sans que l'on sorte de son cadre. REYENDICATIONS 1. Compresseur caractérisé en ce qu'il comporte au moins deux étages dont le premier est un étage centripète et le dernier un étage centrifuge du type à disque, les deux étages étant montés sur le mzeme arbre, et la sortie de l'étage centripète communiquant avec l'entrée de l'étage centrifuge soit directement, soit à travers un étage axial intermédiaire, de façon que l'écoulement ait lieu radialement vers l'intérieur dans le premier étage et radialement vers l'extérieur dans le dernier étage, le rotor de l'étage centripète ayant un diamètre ne dépassant pas le diamètre à la sortie de l'étage centrifuge. 2. Compresseur selon la revendication 1, caractérisé par des aubes directrices fixes disposées entre les deux étages du compresseur. 3. Compresseur selon l'une des revendications I et 2 caractérisé en ce que le compresseur centripète comporte des aubes directrices d'entrée réglables. 4. Compresseur selon l'une des revendications 2 et 3 dans lequel des aubes directrices de sortie fixes sont montées immédiatement en aval des aubes du compresseur centripète, caractérisé en ce que les aubes directrices d'entrée, les aubes du compresseur et les aubes directrices de sortie du compresseur centripète ont le mezme profil sur toute la longueur de l'aube considérée. 5. Compresseur selon la revendication 1, caractérisé en ce que le rotor de l'étage centripète forme l'une des parois définis- sant le passage pour le fluide vers l'entrée du compresseur centri fugue - 6. Compresseur selon la revendication 5, caractérisé par des aubes directrices d'entrée fixes montées dans le passage pour le fluide immédiatement en amont de l'entrée pour l'air du compresseur centrifuge. 7. Compresseur selon l'une des revendications 1 à 6, caraetérisé par un étage compresseur axial situé entre l'étage centripète et l'étage centrifuge. 8. Compresseur selon la revendication 7, caractérisé en ce que l'étage axial est entouré par des anneaux d'aubes d'entrée et de sortie fixes. 9. Compresseur selon la revendication 8, caractérisé en ce qu'au moins l'un des anneaux d'aubes directrices comporte un dispositif d'extraction de la couche limite. 10. Compresseur selon l'une des revendications 7 à 9 caractérisé en ce que le passage pour l'air à travers étage axial est défini par une paroi extérieure ayant un diamètre sensiblement constant, et le diamètre de la paroi intérieure définissant ce passage augmente en direction de 1 'entrée de l'étage centrifuge. 11. Compresseur selon la revendication I, caractérisé en ce que le diamètre du rotor du compresseur-centripète est inférieur à la valeur moyenne entre le diamètre de la sortie et le diamètre extérieur à 1'entrée de l'étage centrifuge. 12. Compresseur selon 1tune des revendications 1 à 11 caractérisé en ce qu'au moins certaines des aubes directrices régla- bles comportent des alésages axiaux et des fentes communiquant avec oes alésages, les alésages communiquant avec un passage périphérique soit pour recevoir un liquide pour le nettoyage du compresseur soit pour une augmentation temporaire de la puissance. 13 Compresseur selon l'une des revendications 1 à 12 caractérisé en ce qu'il comporte un palier avaxtformant soit un support soit un amortisseur, de préférence du type à lubrification par 1 'air, cet air étant l'air comprimé fourni par le compresseur.