Brevet FR2539824A1 — publié le 19840727

Roue pour compresseur centrifuge et procédé pour sa fabrication L'invention concerne une roue en particulier pour compresseur centrifuge à vitesse périphérique élevée réaliste à partir d'augets prémoulés, en forme de secteur, juxtaposés et collés les uns aux autres dans le sens circonférentiel pour former un ensem- ble unitaire à haute résistance mécanique à la rupture. Il existe plusieurs types de compresseurs. volumétriques tels les compresseurs à pistons, axiaux, tels les machines à hélicecentrifuges. Un compresseur centrifuge est essentiellement constitué d'un rotor et d'un stator - Le rotor comporte des aubes tournant autour d'un axe, chargées d'entraîner le gaz à leur vitesse de rotation, afin de lui communiquer de l'énergie. Le stator, outre qu'il constitue le carter de la machine, comporte une partie appelée diffuseur, chargée de transformer en pression la vitesse acquise par le gaz. Il existe deux types de roues, ouvertes ou fermées. Dans les roues fermées, les aubes sont délimitées par deux surfaces de révolution dont l'uneinterneest reliée directement à l'axe de la machine, le parcours du gaz étant tout à fait défini dans le rotor. Dans ce type de réalisation, le carter entourant le rotor est d'une conception relativement siplpe. Ces rotors à roues fermées présentent l'incon- vénient d'être limités en vitesse de rotation ( 300 m/s par exemple), la surface de révolution externe étant soumise à des contraintes centrifuges plus importantes que les aubes, ce qui conduit à des fissures entre lesdites aubes et ladite surface externe,qui croissent avec la vitesse de rotation. Les roues ouvertes ne comportent quant à elles que la surface de révolution interne,-ce qui autorise des vitesses de rotation plus élevées mais nécessite par contre un carter extérieur ajusté, donc de fabrication plus élaborée et, par conséquent, plus onéreux, Ces roues, réalisées en métal (acier, aluminium, titane) sont coulées ou mécano-soudées, le premier mode de réalisation (coulé) étant plus fréquent dans les roues fermées et de petites dimen- sions pourdes raisons d'accessibilité de soudure. 2. Vis-à-vis de ces réalisations antérieures, l'invention se rapporte à une nouvelle roue de compresseur présentant l'originalité de posséder à la fois une haute résistance à la rupture, une faible masse spécifique (autorisant des vitesses périphériques très élevées et des diamètres de roues plus importants) et ce, sans faire appel à un procédé de fabrication ou un usinage coûteux. Ce but est atteint en réalisant la roue à partir d'augets prémoulés, en forme de secteur, constitués de fibres de haute résistance mécanique, accouplés entre eux, dans un sens circonférentiel, par des faisceaux de fils rayonnants enrobés d'un agent de liaison et reprenant les efforts centrifuges, quelle que soit la vitesse spécifique de la roue. Les fibres utilisées pour la fabrication des augets. et des faisceaux de fils sont de préférence des fibres de carbone, de bore, de polyamides aromatiques ou de verre, et l'agent de liaison ou de scellement peut être avantageusement choisi dans les résines époxy, polyîmides ou phé- noliques Le procédé pour l'obtention d'une telle roue est illustré à titre d'exemple non limitatif sur les dessins annexés dans lesquels: la Fig 1 est une vue schématique d'une roue connue de compresseur; la Fig 2 est une vue en perspective d'un des augets entrant dans la constitution de la roue de compresseur selon l'invention i la Fig 3 est une vue de dessus de la roue en cours de réalisation; la Fig 4 est une section diamétrale selon la ligne II-II de la Fig 3, la Fig 5 est une vue en perspective, selon un mode de réalisation préférentiel, de l'arbre d'entraînement de la roue; la Fig 6 est une section selon la ligne III- III de la Fig 3 montrant l'accouplement de la roue avec un arbre du type illustré en Fig 5; -la Fig 7 est une vue en coupe illustrant l'accouplement de la roue avec un arbre de type métallique. Comme indiqué dans le préambule de la demande, l'invention concerne, (s'écartant en cela des inconvénients des roues en métal, coulé ou mécanosoudé),un nouveau type de roues présentant, pour une masse spécifiquement faible, une haute résistance mécanique 253 D 824 à la rupture et donc à l'éclatement et autorisant, de ce fait, des diamètres plus importants et des vitesses périphériques plus élevees que ceux résultant des roues de compresseurs jusqu'alors connues. Comme illustré schématiquement sur la Fi' 1, les roues de compresseurscentrifuges sont généralement formées d'un rotor 1 défini par des aubes 2 dont une des extrémités 21 debouche sur la face avant dite "d'admission", l'autre extrémité 22 communiquant avec un diffuseur fixe 3 lui-même en relation avec une volute périphé- rique 4, Le fluide pénétrant dans la canal délimité par les aubes y ac- quiert de la pression et de la vitesse, cette vitesse étant transforma- ble en pression dans le diffuseur Le rotor est évidemment entrainé en rotation par un arbre de commande 5 auquel il est accouplé, plusieurs roues pouvant être étagees sur un même arbre. Selon l'invention, et comme cela résultera du mode de réalisation préférentiel ci-après décrit, Ta roue est réalisée à partir d'augets 6 (Fig 2) présentant la particularité d'être constitués de fibres ayant une grande résistance mécanique a la rupture, chaque auget étant en forme de secteur pour définir en sol un canal La roue est de type modulaire, puisqu'elle est constituée d'une série d'augets 6 juxta- posés dans un sens circonferentiel et rendus solidaires les uns des autres, pour former un ensemble unitaire stable,par des faisceaux de fils rayon- nants 9 enrobes d'un aqent de liaison *'-tes-fibres-utilisees pour la fabrication des augets sont de préférence des fibres de carbone, bien que l'on puisse également utiliser des fibres de bore, de polyamides aromatiques ou même des fibres de verre Ces fibres permettent en effet d'envisager, en raison de leur hau- te résistance mécanique, des vitesses spécifiques élevées, mais il faut tou- tefois, étant donné le caractère unidirectionnel de la fibre, utiliser des morphologies spécifiques pour que les efforts centrifuges soient transmis dans la direction de la fibre et non perpendiculairement à celles-ci. Les Fig 3 et 4 montrent le procéde de fabrication d'une roue selon l'invention Il suffit de placer en étoile,sur unmarbre les augets en forme de secteur, en prenant soin de laisser subsister entre leurs flancs latéraux 61 des interstices radiaux 8,1 a mise en place d Oe augets étant facilitée par des pions stabilisateurs 62 dont-ils sont pourvus et 3. 253 824 4. qui viennent reposer à la manière de talon sur le marbre plan 7 On réalise ensuite l'accouplement et le scellement des augets entre eux par un empilage de faisceaux de fils rayonnants 9 préalablement en duits d'un agent de liaison dont la nature chimique est compatible avec le matériau constituant les augets et celui constituant les fils, par exemple, une résine de type époxy, si les augets et les faisceaux de fils sont à base de fibres de carbone Le fil 9 est continu et est fortement tendu entre deux paires opposées d'augets, sa direction étant parallèle aux bords latéraux des augets mais-s'écartant légèrement du centre 10 de la roue pour permettre un empilage acceptable des fils qui vont ainsi se croiser légèrement en-dehors de ce centre et s'empiler sous la forme de faisceaux sur la hauteur des augets? Comme visible en Fig 4, chaque interstice radial 8 débouche sur des tiges 11,solidaires du marbre et sur-lesquelles s'enroulent les fils de liaison. Lorsque l'empilage des faisceaux de fils est ainsi réalisé, on fait une polymérisation en étuve, de manière à obtenir un disque unitaire stable et homogène. Il suffit ensuite de procéder au sectionnementde fils et à l'êbavurage rapide de ce disque pour obtenir une roue de compresseur prête a l'emploi, sans autre opération d'usinage ou d'arasage autre qu'un équilibrage effectue avant ou après accouplement sur l'arbre de transmission. Le sectionnement des fils se fait sur la périphérie de la roue et sur sa face d'admisslo i en suivant le p zfil concave 63 es augets (fig 4) pour obtenir la roue telle qu'illustrée en fig 6. -25 On peut accoupler cette roue en fibres de carbone soit à un axe métallique, soit à un axe également en fibres de carbone. Dans le premier cas, comme illustré en Fig 7, il est possible de ménager, au cours'de la fabrication de la roue, c'est-a-dire pendant l'empilage des faisceaux de fils de liaison, des canaux axiaux obtenus par des broches 12 traversant la roue de part en part et qui, au démoulage, for- ment des passages dans lesquels seront introduits les doigts 13 formant l'extrémité de l'arbre d'entrainement 14 Ces doigts seront rendus soli- daires de la roue par une plaque d'appui 15 et des boulons 16 fixes sur l'extrémité de chacun desdits doigts 13. Si l'arbre d'entrainement est en fibres de carbone, il comprendra, à l'instar de l'arbre métallique, des doigts 13, 253 ? 824 comme illustré en Fig 5, mais ceux-ci seront positionnés, insérés et scel- lés à la roue, au fur et à mesure de l'empilage des faisceaux de fils. Il suffira, dans ce cas, que le marbre 7 comporte une ouverture centrale pour le passage de l'arbre et que les doigts 13 soient disposés entre l'axe 10 de la roue et les extrémités des augets (comme illustré par la référence 12 en Fig 3) pour que l'arbre soit accouplé à la roue par l'enduction des fils a l'image des augets Après refroidissement et retrait du marbre 7, la roue et l'arbre d'entrainement formeront un ensemble unitaire et homogène. Pour obtenir une résistance thermique appropriée de l'ensemble, on procède ensuite à une opération de cuisson dans une étuve, dont la température est définie par le type de résine employée En outre, si l'on désire obtenir une roue fermée, on-pourra-recouvrir les augets d'un voile continu en forme de tulipe réalisé également à partir de fibres de carbone ecollee S en laissant; bien entendu, libresz les ouver- tures d'admission des augets débouchant sur la face avant de la roue, l'extrémité opposée desdits augets communiquant de façon connue avec un diffuseur rotorique ayant la forme générale d'une couronne annulaire. En outre, on peut également éviter des turbulences et améliorer l'aéro- dynamisme en collant sur la face arrière de la roue un disque en fibres de carbone ceinturant l'arbre d'entrainement qui, s'il est également en fibres, sera avantageusement chemisé à l'aide d'un fourreau métallique. pour servir simultanément d'axe Ainsi, grâce à la légèreté et à la haute résistance des fibres de carbone constituant les augets, on obtient, par une reprise et un report des forces centrifuges sur les faisceaux de fils de liaison, une roue d'une masse spécifique faible autorisant des vitesses périphériques élevées et des diamètres plus importants qu'avec les roues de compresseurs connus en métal, le procédé pour l'obtention de ces roues perfectionnées étant simple et réduisant au minimum l'usinage qui grèvait jusqu'alors le coût de production des roues de compresseurs. - 6. REVENDICATIONS 1 Roue de compresseur centrifuge à vitesse périphérique élevée, du type constitué d'augets évidés courbes en forme de secteur, juxtaposés dans le sens circonférentiel, pour former un disque associé à un arbre d'entrainement, caractérisée en ce que les augets ( 6) sont constitués de fibres à haute résistance mécanique et sont reliés jointivement,dans ce sens circonférentiel,par des empilages de faisceaux de fils rayonnants ( 9) tendus dans des inter- stices radiaux ménagés entre les augets, ces fils étant réalisés en-un matériau du même type que celui constituant les augets et étant enduits d'un agent de liaison compatible avec le matériau constitutif des augets et des fils pour solidariser, de façon irréversible, les augets entre eux sous la forme d'un ensemble unitaire et stable. 2 Roue selon la revcndication 1, caractérisée en ce que les augets ( 6) sont en fibres de carbone, en fibres de bore, de polyamides aromatiques ou de verre. 3 Roue selon la revendication 1, caractérisée en ce que les faisceaux de fils ( 9) sont constitués de fibres de carbone, de bore, de polyamides aromatiques ou autres, l'agent de liaison enrobant ces fils étant choisi dans la famille des résines, par exemple époxy, pôlyimi- des-ou phénoliques. 4 Roue selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractéisee en ce qu'elle est fixée sur un arbre métallique ( 14) ou un arbre en fibres de carbone. Procédé pour l'obtention d'une roue de compresseur conforme à l'une quelconque des revendications l à 4, caractérisé en ce que l'on dispose en étoile les augets ( 6) sur un marbre ( 7) en ménageant entre eux des interstices rayonnants que l'on remplit progressivement de couches superposées de faisceaux de fils enrobés ( 9), ceux-ci étant rendus dans les- dits interstices selon une direction sensiblement parallèle aux bords laté- raux ( 61) des augets, puis, après séchage et durcissement, on sectionne et on arase les faisceaux de fils d'une part, sur la périphérie du disque con- tinu ainsi formé, et d'autre part, sur la face avant des augets, afin d'ob- tenir une roue finie, sans usinage ultérieur, -la face arrière de cette roue pouvant être obturée par un disque de fibres de carbone rapporté. 253 ? 824 ?. 6 Procédé selon la revendication 5, caractérisé en ce que l'on fixe la roue sur un arbre de carbone dont l'extrémité est pourvue de doigts ( 13) que l'on insère et que l'on noit dans la roue au cours de sa fabrication, l'arbre ainsi solidaire de la rouecétant, si nécessaire, chemisé à l'aide d'un fourreau métal- lique. 7 Procédé selon la revendication 6, caractérisé en ce queasi l'arbre est métallique, on ménage dans la roue, au cours de sa fabrication, des canaux axiaux ( 12) la traversant de part en part, ceuxci étant destinés à recevoir les doigts ( 13) formant l'extrémité de l'arbre, après quoi on solidarise l'ensemble par des organes de blocage ( 15-16) fixes sur la face avant de la roue.