Brevet FR2413571A1 — publié le 19790727

La présente invention se réfère aux machines dans lesquelles on fait tourner un fluide dans une enceinte à profil transversal circulaire ou en spirale en vue de lui transmettre de 11 énergie ou d'en recevoir de lui. A titre d'exemples de telles machines on peut citer plus particulièrement les pompes, compresseurs, ventilateurs et turbines centrifuges comprenant un rotor tournant à l'intérieur d'une volute à tubulure tangentielle. Dans les machines du genre en question et quel que soit le profil radial ou longitudinal des ailettes rotoriques, le fluide qui sort des espaces situés entre celles-ci est obligé de tourner dans la volute avant d'atteindre la tubulure de sortie ou, dans le cas d'une turbine, le fluide entrant par la tubulure tangentielle doit également tourner dans la volute pour atteindre les ailettes précitées. Or l'expérience montre que la rotation ainsi imposée au fluide entrain la formation au sein de celui-ci de tourbillons de très faibles dimensions, ou micro-tourbillons, mettant en jeu des accélérations centrifuges considérables et provoquant par conséquent des pertes de puissance notables en dépit de leur petitesse.En outre et surtout, dans le cas de fluides renfermant des particules abrasives en suspension, ces micro-tourbillons appliquent celles-ci contre les parois en amplifiant ainsi les phénomènes d' érosion. On peut admettre que dans le cas d'une machine centrifuge l'une des raisons de l'apparition de ces tourbillons ou micro-tourbil lons réside dans le fait que le fluide sortant des aubes tend à suivre une trajectoire tangentielle et à venir ainsi frapper la pé riphérie intérieure de la volute en empêchant le fluide déjà en rotation dans cette dernière d'y tourner suivant le régime irrotationnel dans lequel la vitesse linéaire est inversement proportionnelle au rayon.Même dans le cas d'une turbine centripète la présence du rotor qui impose un écoulement plus ou moins rotationnel, c'està-dire à vitesse angulaire constante, risque de provoquer des discontinuités de régime qui elles aussi aboutissent à des tourbillonnements plus ou moins importants en dépit du profilage éventuel des aubes rotoriques. I1 convient d'ailleurs de noter qu'en dehors de l'élimination des micro-tourbillons, le régime irrotationnel présente l'avantage d'assurer un meilleur potentiel de pression dans la machine. L'invention vise à remédier aux inconvénients qui précèdent. Elle consiste essentiellement à injecter tangentiellement contre la paroi périphérique interne de l'enceinte dans laquelle le fluide tourne, un fluide auxiliaire sous une pression telle qu'il forme contre cette paroi une couche animée d'une vitesse linéaire proche de celle que devrait avoir le fluide principal dans cette même zone si sa rotation dans l'enceinte s'effectuait suivant le régime irrotationnel. L'injection du fluide auxiliaire peut se faire par une ou plusieurs tuyères convenablement réparties sur le pourtour de l'en- ceinte. Ces tuyères doivent préférablement intéresser la totalité de la largeur de celle-ci, soit qu'elles soient elles-mêmes prévues à cette largeur, soit qu'on en dispose plusieurs convenablement décalées suivant celle-ci. Le fluide auxiliaire doit avoir une densité au moins égale à celle du fluide principal pour éviter tout phénomène de séparation dans l'enceinte. Bien entendu son mélange au fluide principal ne doit entrainer aucun inconvénient. On peut plus particulièrement utiliser comme fluide auxiliaire une fraction du fluide principal convenablement recyclée avec ou sans traitement préalable. Bien entendu une machine suivant l'invention peut avantageusement comporter en combinaison avec ce qui précède toutes les dispositions connues d'injection d'un fluide auxiliaire au droit des joints tournants, d'ailettes extérieures au rotor pour entrainer en rotation le fluide auxiliaire ainsi injecté, d'aubes rotoriques creuses à circulation d'un fluide de refroidissement, etc..., étant noté qu'il est ainsi possible d'utiliser un fluide auxiliaire unique, ce qui simplifie considérablement l'appareillage. Plus particulièrement un même courant de fluide auxiliaire peut être injecté sur un côté du rotor de manière qu'une fraction de ce fluide s'échappe par les deux joints tournants correspondant à ce côté, mais que le reste traverse les espaces intérieurs des aubes rotoriques pour venir s'échapper par le ou les joints tournants du côté opposé du rotor. Les aubes rotoriques sont préférablement profilées de manière à comporter un bord intérieur arrondi et un bord extérieur effilé. Le dessin annexé, donné à titre d'exemple, permettra de mieux comprendre l'invention, les caractéristiques qu'elle présente et les avantages qu'elle est susceptible de procurer Fig. 1 est une coupe transversale d'un compresseur centrifuge comportant application de l'invention. Fig. 2 en est une coupe suivant la ligne II-II de fig. 1. Le compresseur centrifuge représenté comprend un corps fixe ou volute 1 solidaire d'une tubulure axiale 2 formant entrée ou aspiration et d'une tubulure tangentielle 3 de sortie ou refoulement. A l'intérieur de la volute 1 tourne un rotor calé en bout d'un arbre 4 disposé co-axialement à la volute à l'opposé de la tubulure d'entrée 2. Ce rotor comprend un premier disque 5 dont la partie centrale 6 forme moyeu vissé sur l'arbre 4, des aubes 7 portées par le disque 5 sur sa face opposée à l'arbre 4, et un second disque 8 solidaire des bords des aubes 7 opposés au premier disque 5, ce second disque comportant une ouverture centrale à grand diamètre pour le passage du fluide entre l'entrée 2 et les aubes 7.Dans l'exemple représenté la tubulure 2 renferme des aubes directrices fixes 9 profilées de manière à impartir à ce fluide une rotation préalable en vue de faciliter son entrée dans les aubes 7. Conformément à l'invention il est prévu dans la paroi périphérique de la volute 1 deux tuyères10 et 11 d'injection tangentielle orientées dans le sens de rotation du rotor et diamétralement opposées l'une à l'autre, ces tuyères à profil en forme de fente s'étendant sur toute la largeur de la paroi. La tuyère 10 est alimentée par une canalisation 12 à travers un passage 13 ménagé dans l'épaisseur de la paroi de la volute. A la tuyère 11 correspondant également une canalisation 14 et un passage 15, mais ce dernier est pratiqué dans un bossage profilé 16 prévu à l'entrée de la tubulure tangentielle 3, sur le bord de celle-ci situé en aval par rapport au sens de rotation du rotor.On rappellera que de tels bossages, s ils sont convenablement profilés et dimensionnés, permettent d'éviter la formation de tourbillons dans la zone où un fluide passe d'un écoulement tournant à un écoulement rectiligne, le tout à la façon indiquée dans le brevet français 1 231 173 et son addition 77 262. La construction représentée présente llavan- tage important de combiner le bossage profilé avec la surépaisseur nécessaire à l'établissement du passage 15. En outre la tuyère 11 se trouve disposée de façon à commencer à injecter le fluide auxiliaire dans la volute immédiatement en aval du point de sortie du fluide principal, sans zone morte intermédiaire. On comprend que si le fluide auxiliaire est injecté par les tuyères 10 et 11 sous une pression suffisante, il établit contre la paroi périphérique intérieure de la volute 1 une couche de faible épaisseur qui tourne au contact de cette paroi en isolant donc le fluide principal de celle-ci. Or du fait de sa rotation ce flui de principal peut prendre dans la volute le régime irrotationnel si la vitesse linéaire de la couche précitée se trouve plus ou moins approximativement égale à celle que le fluide principal doit avoir contre la paroi pour un tel régime, et l'établissement parfait de ce dernier se trouve considérablement facilité, ce qui contribue à éviter la formation de micro-tourbillons susceptibles de provoquer des pertes de puissance et des risques d'érosion par des particules solides en suspensions.Grâce à ce régime irrotationnel le potentiel de pression du compresseur se trouve notablement aug menté. Comme montré les aubes rotoriques 7 sont profilées de façon à comporter un bord intérieur arrondi et un bord extérieur effilé, ce qui assure de meilleures conditions d'écoulement et évite là encore la formation de tourbillons. Elles sont en outre creuses et communiquent par des perforations telles que 17 avec des chambres latérales 18, 19 ménagées à la façon connue de chaque côté du rotor entre le disque 5 ou 8 correspondant et la paroi latérale adjacente de la volute pour recevoir du fluide auxiliaire, lequel s'écoule par les joints tels que 20, 21, 22 et éventuellement 23. On aperçoit en 24 des ailettes fixées aux faces extérieures des disques pour entrainer le fluide en rotation à l'intérieur des chambres.On notera toutefois que le fluide auxiliaire arrive par la canalisation 25 sous un débit suffisant de façon non seulementà alimenter la chambre 18, mais encore pour qu'une fraction importante de ce fluide traverse les aubes rotoriques 7 en passant par les perforations 17 et vienne alimenter en outre la seconde chambre 19. Ainsi le même courant de fluide alimente les joints à la façon connue et assure de plus le refroidissement des aubes. La canalisation 26 ne joue qu'un rôle de sortie auxiliaire réglable permettant d'augmenter le débit du fluide auxiliaire à travers les aubes 7 quant le refroidissement de celles-ci l'exige. On comprend que le compresseur centrifuge ainsi réalisé se trouve protégé au mieux de tout endommagement par le fluide principal que celui-ci soit agressif, chargé de poussières abrasives ou à une température trop élevée. Le fluide auxiliaire est préférablement constitué par du fluide principal convenablement purifié. Il doit d'ailleurs être entendu que la description qui précède n'a été donnée qu'à titre d'exemple et qu'elle ne limite nullement lle domaine de l'invention dont on ne sortirait pas en remplaçant les détails d'exécution décrits par tous autres équivalents. R E V E N D I C A T I O N S 1. Machine telle que pompe, ventilateur, compresseur ou turbine, dans laquelle un fluide tourne dans une enceinte à profil transversal circulaire ou en spirale en vue de recevoir de l'énergie ou d'en fournir, caractérisée en ce qu'elle comporte des moyens pour injecter tangentiellement contre la paroi périphérique interne de l'enceinte, un fluide auxiliaire sous une pression telle qu'il forme contre cette paroi une couche animée d'une vitesse linéaire proche de celle que doit avoir le fluide principal dans cette même zone quand sa rotation s'effectue suivant le régime irrotationnel. 2. Machine suivant la revendication 1, caractérisée en ce que le fluide auxiliaire est constitué par une fraction du fluide principal recyclé avec ou sans traitement préalable. 3. Machine suivant la revendication 1, caractérisée en ce que l'injection du fluide auxiliaire s'effectue sur toute la largeur de la paroi périphérique de l'enceinte. 4. Machine suivant la revendication 3, caractérisée en ce que l'injection du fluide auxiliaire s'effectue par au moins une tuyère en forme de fente s'étendant sur toute la largeur de la paroi périphérique de l'enceinte. 5. Machine suivant l'une quelconque des revendications qui précèdent, caractérisée en ce qu'elle comporte en outre la disposition en soi connue d'amenée d'un fluide auxiliaire dans des chambres latérales de manière que ce fluide s'écoule à travers les joints tournants. 6. Machine suivant la revendication 1, caractérisée en ce que ses aubes rotoriques sont profilées avec un bord intérieur arrondi et un bord extérieur effilé. 7. Machine suivant la revendication 5, avec aubes rotoriques creuses traversées par un courant de fluide auxiliaire de refroidissement, caractérisée en ce que lesdites aubes sont perforées de façon à communiquer avec les deux chambres latérales et en ce que le fluide auxiliaire est amené à une seule de celles-ci sous un débit tel qu'une fraction traverse les aubes pour venir à l'autre chambre. 8. Machine suivant la revendication 4, avec bossage profilé prévu au raccordement entre l'enceinte et une tubulure tangentielle de manière 1 assurer le passage de l'écoulement irrotationnel a l'intérieur de l'enceinte à un écoulement à vitesse régulière dans la tubulure, ou inversement, caractérisée en ce que ledit bossage constitue espace d'amenée de fluide auxiliaire P une tuyère en forte de fente prévue sur le bord aval de ladite tubulure & l'intérieur de l'enceinte. 9. Machine suivant l'une quelconque des revendications qui précèdent, du genre centrifuge à tubulure d'entrée axiale, caractérisée en ce que cette tubulure renferme un aubage directeur propre à impartir au courant de fluide qui la traverse un mouvement de rotation sur lui-même en vue de faciliter son entrée dans les aubes rotoriques.