Brevet FR2552501A1 — publié le 19850329

Le domaine de la technique concerné par la présente invention est celui des turbomachines et celui de la construction des éléments de telles machines. Les compresseurs centrifuges à plusieurs étages sont utilisés pour une grande diversité d'applications qui nécessitent un débit volumique important,à haute pression,d'un gaz particulier. Dans une grande mesure, de tels compresseurs sont dimensionnés et fabriqués à la demande pour répondre aux spécifications du client, les tolérances et configurations des divers éléments étant étroitement respectées afin d'assurer les performances nominales prévues de l'équipement. Malgré la précision de fabrication, un problème a été reconnu corime étant lié aux largeurs de diffuseur relativement étroites de tels compresseurs, par exemple dans le dernier étage d'un compresseur à passage direct du type à corps cylindrique ou d'un compresseur du type à deux éléments montés dos à dos.Spécifiquement, on a trouvé que, dans de tels compresseurs,au moins une paroi du diffuseur du dernier étage a tendance à entre l'objet d'une déformation, résultant des contraintes imposées aux pressions de fonctionnement relativement élevées, qui provoque un agrandissement de la largeur au-delàdes dimensions nominales.L'accroissement résultant de la largeur d'écoulement du diffuseur peut typiquement être de l'ordre de 0,03 pouce environ (0,076 cm) à des pressions différentielles manométriques de 30 livres par pouce carré (207 kPa) dans un compresseur dont le corps a un diamètre de 60 pouces (150 cm) ou de l'ordre de 0,04 pouce environ (0,102 cm) à des pressions différentielles manométriques de 300 livres par pouce carré (2.007 kpa.) dans un corps de 24 pouces (60 cm) de diamètre. De tels changements de largeur du diffuseur sont, naturellement, indésirables en ce sens qu'ils ont tendance à porter atteinte aux performances nominales du compresseur dans l'étage en cause. Bien que le problème ait été reconnu on ne connaissait jusqu'à présent aucune solution permettant de le résoudre. La présente invention se rapporte à des perfectionnements apportés à des compresseurs centrifuges et elle a trait plus particulièrement à une construction de compresseur centrifuge capable de maintenir une largeur de diffuseur approximativement constante dans des conditions de fonctionnement pour lesquelles des accroissement incontrôlés de la largeur sont constatés dans les compresseurs connus. Ce but est atteint, conformément à l'invention,en construisant une paroi du diffuseur intéressé au moyen d'une plaque de diffuseur annulaire qui y est fixée en place dans une disposition écartée de la surface du diaphragme, à la largeur prévue. Pour éviter les effets de déformation nuisibles des pressions différentielles élevées imposées par le courant de gaz, la face arrière de la plaque de diffuseur comporte un évidement s'étendant radialement qui coopère avec la paroi support à cet emplacement pour délimiter une cavité annulaire. Un équilibre de pression entre les faces avant et arrière de la plaque de diffuseur est obtenu au moyen d'une série d'alésages axiaux circonférentiellement espacés s'étendant entre les faces.Etant donné que l'équilibre de pression égalise pratiquement les valeurs de pression auxquelles les deux faces de la plaque de diffuseur sont exposées, le problème de déformation précédemment provoqué par les forces de pression différentielles imposées est en grande partie sinon complètement éliminé. Par conséquent, l'un des buts de la présente invention est d'apporter un perfectionnement à la construction d'un compresseur centrifuge qui permette de maintenir une largeur de diffuseur approximativement constante dans des conditions de fonctionnement pour lesquelles des accroissement indésirables des largeurs des diffuseurs se produisaient antérieurement. Un autre but de l'invention est de réaliser le but précédent au moyen d'une construction relativement simple qui apporte une solution économique à un problème qui existait de longue date. D'autres caractéristiques de l'invention apparaitront à la lecture de la description qui va suivre et à l'examen des dessins annexés dans lesquels: la Fig. 1 est une vue en coupe longitudinale d'un compresseur centrifuge du type à passage direct mettant en oeuvre la présente invention; la Fig. 2 est une vue en coupe longitudinale d'un compresseur du type à deux éléments montés dos à dos mettant en oeuvre la présente invention; la Fig. 3 est une vue en coupe à plus grande échelle des parties encerclées 3 des Fig. 1 et 2; et la Fig. 4 est une vue partielle prise approximativement suivant les lignes 4-4 de la Fig. 3. Sur la Fig. 1 des dessins à laquelle on se référera main tenant,on a représenté un compresseur centrifuge à plusieurs étages du type comportant un carter 10 qui délimite un trajet d'écoulement s'étendant depuis un orifice d'entrée 12 en communication avec une série d'étages 14 qui aboutissent à un orifice de refoulement 16. Les étages 14 sont constitués par une série de roues ou impulseurs 18 axialement espacésfixés à un arbre rotatif 20. Les étages sont disposés suivant une communication d'écoulement en série l'un avec l'autre et chaque impulseur refoule un gaz à grandevites-seà sa périphérie. L'énergie transmise au gaz crée une montée de pression lorsque la vitesse d'écoulement diminue dans la section de diffuseur 22 immédiatement en aval de l'impulseur.A la sortie du diffuseur,un aubage de guidage fixe 24 dirige l'écoulement de façon qu'il pénètre correctement dans l'étage sui vant contenant l'impulseur suivant 18. Entre chaque paire d'étages d'impulseur est disposé un diaphragme fixe, ces diaphragmes étant désignés respectivement par les réfdrences 26, 28, 30 et 32 et assurant le support des éléments fixes utilisés entre les impulseurs,tels que les faces de diffuseur, les aubages de guidage,les coudes de retour, les joints à labyrinthe etc... A chaque diaphragme est associé, dans le trajet d'écoulement entrant dans l'aubage suivant 24, un intervalle d'écoulement d'une largeur prédéterminée formé entre la surface du diaphragme et la partie 34 en forme de bulle située à cet emplacement.Comme on peut le remarquer, les largeurs des diffuseurs immédiatement en aval des impulseurs, à une distance périphérique commune, diminuent progressivement depuis le premier étage à pression relativement basse, à l'emplacement du diaphragme 26,jusqu'd l'étage final à pression relativement élevées l'emplacement du diaphragme 32. Aux fins de l'explication, on admettra que la largeur nominale prévue à l'emplacement du diaphragme 32 a une dimension X et que, pour maintenir la dimension X approximativement constante, on utilise une construction 35 conformément à l'invention, que l'on décrira ci-après. La Fig. 2 est une vue en coupe comparable à celle de la Fig. 1 qui représente un compresseur du type à deux élé- ments montés dos à dos qui comporte un carter 36 qui comprend un orifice 38 d'admission de premier élément, un orifice 40 de refoulement de premier élément, un orifice 42 d'admission de second élément et un orifice de refoulement 44 de second élément, les éléments étant séparés par une cloison de séparation 46. Comme dans la construction de la Fig. 1, chaque élément comprend plusieurs étages successifs 14 qui comprennent des impulseurs espacés 18 fixés à un arbre reta- tif 20. Une communication d'écoulement en série est assurée entre les étages et l'impulseur de chaque étage refoule un gaz à grande vitesse à sa périphérie.Entre chaque paire d'étages à impulseur dans chacun des éléments est disposé un diaphragme fixe, les diaphragmes ayant été désignés par les référence 26', 28', 30', 32' et 48' pour le premier élément et par les références 26", 28", 30", 32" et 50" pourle second élément et servant à maintenir la largeur de leurs diffuseurs 22 respectifs. Le diffuseur situé entre la cloison de séparation 46 et le diaphragme 50" est formé par une construction selon l'invention, désignée par la référence 35 et que l'on décrira ciaprès. Comme représenté sur les Fig. 3 et 4 auxquelles on se référera maintenant, on maintient une largeur constante X du diffuseur 22 du dernier étage des modes de réalisation des Fig. 1 et 2 conformément à la présente invention au moyen d'une plaque de diffuseur annulaire 54 reçue dans un évde- ment annulaire 56 étroitement dimensionné formé dans le dia phragme 32 ou dans la cloison de séparation 46. Face àcette plaque, pour former le diffuseur, est disposée une paroi à aubage coopérante 38,ou respectivement,un diaphragme coopérant 50.La plaque 54 de diffuseur est fixée et positionnée,de manière stre et avec précision, au moyen d'une série de boulons 58 disposés en cercle,à la paroi opposée à cet emplacement,avec interposition de manchons 60 dont la longueur ou épaisseur correspond à la dimension X du diffuseur que l'on charche à maintenir constante. Un joint d'étanchéité torique o2 maintient l'étanchéité à la pression. Pour que la plaque 54 de diffuseur soit efficace aux fins de la présente invention, sa face arrière comporte un évidement annulaire 64 s'étendant radialement qui, en coopération avec la paroi en retrait 56,délimite une cavité annulaire 65. Au moyen d'une série de passages de communication 66 s'étendant axialement et disposés radialement pour produire un équilibre de pression moyen, la pression P1 régnant dans le diffuseur 22 est continuellement transmise à la cavité 65 de sorte que la valeur de la pression P2 qui règne dans cette cavité est égale à la valeur de la pression P qui règne dans le diffuseur ou très proche de cette valeur.Par conséquent, grSce à cet agencement, un équilibre de pression entre les faces avant et arrière de la plaque de diffuseur est approximativement maintenue empêchant, de ce fait, sa déformation indésirable comme elle se produisait de manière à accroitre la largeur du diffuseur dans la technique antérieure. On a décrit ci-dessus un nouveau perfectionnement apporté à un compresseur centrifuge qui permet de maintenir une largeur de diffuseur approximativement constante dans des conditions semblables à celles dans lesquelles les diffuseurs classiques de la technique antérieure ont été l'objet d'accroissements indesirables de leur dimension en largeur. En maintenant constante la largeur du diffuseur de la manière décrite cidessus, on obtient cet avantage que l'étage intéressé est capable de répondre aux spécifications nominales sans perte attribuables à des accroissements de largeur incontrôlés, comme -ceci était antérieurement le cas. En même temps, la construction de l'invention est relativement simple et économique à mettre en oeuvre pour obtenir le résultat recherché qui est d'améliorer le rendement du compresseur. Etant donné que l'on peut apporter de nombreux changements à la construction décrite ci-dessus et que l'on pourrait réali- ser de nombreux modes de réalisation de cette invention en apparence largement différents sans sortir de son cadre, il est bien entendu que tout ce qui est contenu dans la description et les dessins doit être considéra comme donné à titre d'illustration et ne doit pas être interprété dans un sens limitatif. REVENDICATIONS 1 - Un compresseur centrifuge à plusieurs étages pour comprimer un courant de fluide, comprenant un corps (10; 36) qui délimite un trajet d'écoulement depuis un orifice d'entrée (12; 38, 42) jusqu'à un orifice de sortie (16; 40, 44),un impulseur (18) à plusieurs étages (14) monté dans le trajet d'écoulement et des parois coopérantes (54. 33, 50) délimitant un diffuseur fixe (22) qui s'étend en aval par rapport à l'impulseur (18ira chaque étage (14), caractérisé encequ'au moins l'une des parois coopérantes d'au moins l'un des étages comprend une plaque annulaire (54) ayant une surface avant orientée vers le trajet d'écoulement du fluide à travers le diffuseur et une surface arrière opposée orientée en éloignement du trajet d'écoulement du fluide a travers le diffuseur et des moyens (66) servant à appliquer à la surface arrière une pression (P2) qui est approximativement égale à la pression de fluide (P1) appliquée à la surface avant. 2 - Compresseur centrifuge à plusieurs étages selon la revendication 1, caractérisé en ce que ladite plaque (54) formant paroi forme l'une des parois coopérantes et s'étend approximativement radialement sur la même étendue que la paroi opposée (33; 50) avec laquelle elle coopère pour délimiter le diffuseur (22) à cet emplacement et en ce qu'il comporte des moyens de communication fluidique (66) qui transmettent continuellement la pression de fluide entre les surfaces opposées de la plaque (54) pour assurer cette égalisation approximative des pressions. 3 - Compresseur centrifuge à plusieurs étages selon la revendication 2, caractérisé en ce que la surface arrière de la plaque (54) comporte des moyens (64) qui délimitent une cavité annulaire (65) s'étendant radialement en communication avec les moyens de communication fluidique (66). 4 - Compresseur centrifuge à plusieurs étages selon la revendication 3, caractérisé en ce que les moyens de communication fluidique (66) comprennent plusieurs passages espacés (66) qui s'étendent entre les surfaces opposées de la plaque (54) formant paroi. 5 - Compresseur centrifuge à plusieurs étages selon la revendication 4, caractérisé en ce que la plaque (54) formant paroi est positionnée dans un évidement annulaire (56) formé axialement vers l'intérieur dans une paroi annulaire (32; 46) adjacente au diffuseur (22). 6 - Compresseur centrifuge à plusieurs étages selon la revendication 5, caractérisé en ce que l'étage dont l'une au moins des parois de diffuseur coopérantes comporte une plaque annulaire (54) est le dernier étage du compresseur. 7 - Compresseur centrifuge à plusieurs étages selon la revendication 6, caractérisé en ce que le compresseur est du type à passage direct et la paroi annulaire qui comprend un évidement dans lequel est positionnée ladite plaque (54) est le diaphragme (22) de cet étage. 8 - Compresseur centrifuge à plusieurs étages selon la revendication 6, caractérisé en ce que le compresseur est du type à deux éléments montés dos à dos ayant des premier et second éléments, l'étage dont l'une au moins des parois de diffuseur coopérantes comporte une plaque annulaire (54) est le dernier étage du second élément et la paroi annulaire qui comprend un évidement dans lequel est positionnée ladite plaque est la cloison de séparation (46) entre les éléments. 9 - Compresseur centrifuge à plusieurs étages selon l'une des revendications 2, 3 et 4, caractérisé en ce qu'il comporte une série d'organes de fixation (58, 60) s'étendant transversalement entre ladite plaque (54) formant paroi et l'autre paroi coopérante pour fixer lesdites plaques et paroi espacées l'une de l'autre de la largeur nominale du diffuseur (22).