Brevet FR2411300A1 — publié le 19790706

L'invention concerne un groupe turbo-compresseur comprenant un arbre, au moins un palier pour supporter l'arbre, une roue d'un compresseur à écoulement radial, une roue d'une turbine, les deux roues étant montées côte à côte sur l'arbre de façon à constituer un rotor unique placé en porte-à-faux par rapport au palier, et un distributeur fixe à écoulement radial disposé dans une structure fixe entourant le rotor. Les turbo-compresseurs connus sont réalisés le plus souvent comme montré schématiquement sur la figure 1 des dessins an vexés, dans laquelle on a représenté en 1 l'arbre commun aux roues 2 et 3 d'un compresseur d'écoulement axial et dtune turbine à écou- lement axial i1entra;;nement du compresseur, l'ensemble 1, 2 et 3 distant supporté par au moins deux paliers 4 et 3. La disposition représentée sur la figure 1, souvent indispensable, a l'inconvé- nient - que les flux de gaz rentrant dans la turbine - et sortant du compresseur doivent traverser ies structures supportant les paliers 4 et 52 ce qui pose des problèmes technologiques difficiles à résoudre, donc codteux. La figure 2 montre un autre groupe turbo-compresseur connu dont les roues 2 et 3 respectivement du compresseur et de la turbine d'entraitnement sont fixées rigidement côte à côte sur l'arbre 1 de manière à constituer un rotor unique placé en porteà-faux par rapport aux paliers 4 et 5 supportant l'arbre i. Cette disposition-a l'avantage de simplifier la réalisation de la structure puisque les paliers 4 et 5 peuvent outre contenus dans un carter rigide et sont facilement accessibles. Toutefois, afin de-limiter-la masse du rotor en porte-à-faux et la longueur axiale de ce rotor, la turbine et le compresseur doivent tous deux être du type à écoulement radial.Or les turbines à écoulement radial sont mal adaptées aux débits-volume importants, car les ailettes 6 de la roue de la turbine comme celles 7 du distributeur fixe associé à la turbine s'étendent parallèlement à l'axe de l'arbre 1 et les forces centrifuges s'exerçant -sur les ailettes 6 les sollicitent en flexion et non plus en traction comme dans le cas d'une turbine à écoulement axial0 Ceci nécessite de limiter la longueur des ailettes des turbines à écoulement radial et à diminuer leur rendement pour des débits importants, par rapport aux turbines à écoulement axial. L'invention a pour but de fournir un groupe turbo-com presseur ayant de bonnes caractéristiques mécaniques et aérodyna miquest tout en conservant la simplicité des groupes turbo-compresseurs à écoulement radial et en leur conservant un fonctionnement fiable. Le groupe turbo-compresseur selon l'invention est caractérisé en ce qu'il est prévu un espace annulaire formant un canal redresseur radial-axial entree le distributeur fixe et les ailettes mobiles de la roue de la turbine, et en ce que lesdites ailettes de la roue de la turbine s'étendent radialement de fa çon connue en soi. De façon connue, le distributeur fixe associé à la turbine a des ailettes directrices qui s'étendent parallèlement à l'axe de l'arbre, sont supportées à leurs deux extrémités par ladite structure fixe et sont orientées pour donner au flux gazeux une accélération tangentielle pour créer un vortex. Dans ce cas, le canal redresseur est conformé de manière à transformer le vortex en un écoulement hélicoidal. Le fluc gazeux arrive alors sur les ailettes radiales de la roue de la turbine qui fonctionne à la façon d'une turbine classique à écoulement axial. Les aillettes radiales mobiles de la turbine ne sont donc soumises par la force centrifuge qu' des efforts de traction.Il est donc possible de donner susdites ailettes une longueur plus grande que dans le cas d'une turbine à écoulement radial et, par conséquent, d'obtenir un rendement plus élevé pour des débits importants. L'invention sera mieux mise en évidence à l'aide de la figure 3 des dessins annexés, qui représente shhématiquement, en coupe axiale, un groupe turbo-compresseur selon l'invention. Dans la figure 3, en porte-à-faux par rapport aux paliers 4 et 3 supportant l'arbre commun 1 sont disposés la roue 2 du compresseur, d'un type hélico-centrifuge classique analogue à la roue de compresseur 2 de la figure 2, et la roue 3 de la turbine, qui est solidaire mécaniquement de la roue 2. Bien que dans la figure 3, les roues 2 et 3 sont représentées comme étant formées d'un seul bloc, elles peuvent être constituées par deux éléments distincts clavetés sur l'arbre 1. La roue 2 débite le gaz comprimé vers un diffuseur 9 ménagé dans le bdti 13 commun à la turbine et au compresseur. La roue 3 de la turbine porte des ailettes mobiles 6 qui sont radiales, donc bien adaptées à résister aux efforts dus à la force centrifuge, ce qui permet de les rendre relativement longues. En montre, elles permettent un écoulement axial qui s'adapte beaucoup plus facilement qu'un écoulement radial au débit du compresseur. Le distributeur fixe associé à la turbine a ses ailettes directrices 7 qui sont disposées axialement et supportés à leurs deux extrémités respectivement par le bâti 132 commun au compresseur et à la turbine, et par le cylindre 8 de la turbine, ce dernier limitant le jeu radial autour des ailettes 6. Les ailettes 7 seulement peuvent être relativement longues, car elles sont contraintes seulement par des forces provenant de l'écoulement du fluide. Les ailettes 7 reçoivent un écoulement radial et lui communiquent une accélération tangentielle afin de créer un écoulement du type Vortex. Cet écoulement est redressé axialement et transformé en un écoulement hélicot- dal par un canal courbe 14 prévu entre les ailettes 7 du distri- buteur et les ailettes 6 de la turbine, de façon à attaquer correctement celles-ci. Ce redressement se fait dans de bonnes conditions car la courbure du courant dans le plan mOridien tend à être équilibrée par la courbure du môme courant autour de l'axe du rotor. La disposition selon l'invention a les avantages supplémentaires suivants - La surface de friction fluidelparoi entre le distributeur et la roue 3 de turbine engendre des pertes minimales par suite de l'accélération tangentielle entre ces deux éléments, qui rend cette friction motrice. - Les choix convenables du degré de réaction de la turbine, et de la proportion de compression dans le diffuseur 9 du compresseur, ainsi que des valeurs respectives du diamètre D1 de la roue du compresseur, du diamètre moyen D2 du jeu radial 10 entre l'arbre commun au compresseur et à la turbine et-leur baticommun 13 et du diamètre moyen D3 de la roue ailetée 3 de la turbine, peuvent présenter des-avantages spécifiques en les adaptant aux cas d'exploitation de la machine. Par exemple, le rendement interne sera rendu maximal si on annule la fuite de fluide dans le Jeu 10 défini ci-dessus, en équilibrant les pressions qui règnent, d'une part, entre la roue 2 du compresseur et son diffuseur 9 et, d'autre part, dans le canal 14 entre le distributeur 7 et la roue 6 de la turbine. Si un problème technologique se pose par suite d'une tdmpérature élevée devant la turbine, on peut créer une surpression déterminée dans l'espace situé entre la roue 2 du compresseur et son diffuseur 9 par rapport au canal 14 entre le distributeur 7 et la roue 6 de la turbine, de manière à maîtriser le débit d'un courant de gaz relativement froid venant du compresseur et établissant un refroidissement par couche limite de la roue 3 de la turbine, cette couche limité étant conservée dans les meilleures conditions grâce à la stabilité naturelle de l'écoulement type Vortex entre le distributeur 7 et les ailettes 6. REVENDICATIONS 10 Groupe turbo-compresseur comprenant un arbre, au moins un palier pour supporter l'arbre, une roue d'un compresseur à écoulement radial, une roue d'une turbine, les deux roues étant montées côte à côte sur l'arbre de façon à constituer un rot or unique placé en porte-à-faux par rapport au palier, et un distributeur fixe à écoulement radial disposé dans une struc tnre fixe entourant le rotor, -caractérisé en ce qu'il est prévu un espace annulaire formant un canal redresseur radial-axial entre le distributeur fixe et les ailettes mobiles de la roue de la turbine, et en ce que lesdites ailettes de la roue de la turbine s'étendent radialement de façon connue en soi. 20 Groupe turbo-compresseur selon la revendication 1, dans lequel le distributeur fixe a des ailettes directrices qui s'étendent parallèlement à 11 arbre, sont supportées à leurs deux extrémités par ladite structure fixe et sont orientées pour créer un vortex, caractérisé en ce que le canal rédresseur est conformé de manière à transformer le vortex en un écoulement hé lico;dal à l'entrée des ailettes de la roue de la turbine.