Brevet FR2663077A1 — publié le 19911213

L'invention est relative aux turbomachines du type de celles comportant un stator, un rotor muni d'aubes et une volute entourant le rotor. Dans les machines réceptrices, ou machines centrifuges, telles que les pompes, ventilateurs, soufflantes et compresseurs, la volute collecte les débits venant du rotor et les dirige vers un diffuseur placé en aval. Dans les machines motrices, ou machines centripètes, telles que les turbines hydrauliques, turbines à vapeur et turbines à gaz, la volute distribue le fluide aussi uniformément que possible dans les espaces interaubes du rotor. La ligne du stator délimitant l'amorce de la volute est appelée bec de stator. Jusqu'à présent. dans les machines connues, on a toujours recherché à faire jouer au bec de stator un rôle d'étanchéfté de façon à limiter les fuites entre la volute et le refoulement du fluide ou bien l'alimentation en fluide selon que la machine est centrifuge ou centripète. Ainsi a-t-on cherché à diminuer le plus possible le jeu existant entre le bec de stator et le cylindre décrit par les extrémités des aubes du rotor. Dans le même but, on a préconisé un bec épais, c'est-à-dire décrivant une partie notable du cylindre précité, ce qui conduit à obstruer une fraction relativement importante de l'intervalle interaubes. Il s'ensuit que le débit du rotor, ou son alimentation en fluide, est ainsi pulsé. Il fait vibrer la machine et ses canalisations et provoque, en outre, l'émission d'ondes sonores, même si le fluide véhiculé est un liquide.Les ondes sonores se propagent dans le stator et les canalisations, aussi bien à l'amont qu'à l'aval, accentuant encore les vibrations de ces canalisations. Le rotor lui-même est déséquilibré et s'agite dans ses paliers, créant des sources complémentaires de vibrations et de bruits. Dans la pratique, pour limiter ces inconvénients, on est conduit à renforcer les pièces ce qui augmente les masses, accroît la complexité et les coûts de fabrication des machines. L'inventeur a mis en évidence le fait que le caractère instationnaire de l'écoulement du fluide provient du défilement des aubes du rotor devant le bec de stator et que seule l'importance de la vitesse du fluide évite l'établissement d'une fuite importante entre la volute et le refoulement si la machine est centrifuge, ou l'alimentation en fluide du rotor si la machine est centripète. L'inventeur a établi que, si la volute est bien dessinée et sous réserve que le bec de stator soit conforme et disposé selon la présente invention, le rotor se trouve bien équilibré, la vitesse et la pression sont sensiblement constantes à distance fixée de l'axe de la machine et tout souci d'étanchéïté peut donc être écarté. L'invention a donc pour objet une turbomachine centrifuge ou centripète comportant un stator, un rotor muni d'aubes et une volute entourant le stator, la turbomachine comportant des dispositions qui remédient aux inconvénients de l'état de la technique cités plus haut, notamment en ce qui concerne les vibrations et les bruits engendrés par le fonctionnement sans pour autant en affecter sensiblement leur rendement. Selon une première disposition de l'invention, le bec de stator est disposé, par rapport au diamètre externe du rotor, à une distance comprise entre 1 et 2 % dudit diamètre externe et délimite ainsi un diffuseur lisse (cas des machines centrifuges) ou un distributeur lisse (cas des machines centripètes). Cette disposition atténue fortement le caractère instationnaire de l'écoulement et présente une influence avantageuse sur les vibrations et les bruits. Selon une deuxième disposition de l'invention, on fait comporter au rotor un nombre d'aubes tel que l'intervalle séparant les extrémités des aubes soit de l'ordre de grandeur du jeu entre le bec de stator et l'extrémité des aubes. Cette disposition, bien qu'elle augmente la surface totale des aubes soumise au frottement du fluide puisque le nombre d'aubes est plus élevé que dans les machines connues, est sans inconvénient en raison des faibles vitesses relatives dans le rotor et assure une meilleure canalisation de l'écoulement de fluide. Selon une troisième disposition, le bec de stator est conformé selon un coin effilé dont l'arête au sommet, tournée vers le rotor délimite un angle compris entre 2 et 35 degrés et de préférence entre 25 et 3 degrés, la bissectrice de l'angle étant orientée selon la direction de la vitesse moyenne Vm de l'écoulement pour le régime nominal de la machine. Avantageusement, l'arête au sommet du bec de stator sera émoussée pour faciliter le fonctionnement hors du régime nominal de la machine. Selon une quatrième disposition de l'invention, l'arête au sommet du bec de stator est inclinée par rapport à la direction des extrémités des aubes du rotor en regard. Le passage des aubes devant l'arête au sommet du bec de stator devient alors progressif et a pour résultat d'uniformiser quasi totalement les effets instationnaires sur le bec et sur les aubes. On donnera à l'angle d'inclinaison une valeur comprise entre 2 et 4 degrés et de préférence entre 25 et 35 degrés. L'invention sera mieux comprise à la lecture du complément de description qui suit d'un mode de réalisation donné à titre d'exemple en relation avec les dessins dans lesquels - la figure 1 représente schématiquement une vue en coupe d'une turbomachine de l'état de la technique, - la figure 2 est un schéma à plus grande échelle d'une coupe partielle d'une turbomachine conforme à l'invention, - la figure 3 est un schéma montrant une disposition particulière de l'invention dans laquelle le bec de stator est incliné par rapport aux extrémités des aubes du rotor. Selon la figure 1, une turbomachine connue comporte un rotor 1 entrainé par un arbre 2 tournant dans un stator 3, dans le sens de la flèche. Le rotor 1 est muni d'aubes 4. Le fluide est aspiré par le rotor à aubes par une entrée axiale 5, il est refoulé dans une volute 6, en hélice, entourant le rotor et traverse un diffuseur aval 7 relié à des canalisations non représentées. L'amorce de la volute 8 est délimitée par un bec de stator 9 placé le plus près possible des extrémités des aubes 4 du rotor, le jeu J étant minimal pour limiter les fuites, mais suffisant pour tenir compte des dilatations thermiques et des vibrations lorsque la machine fonctionne. D'une manière connue, l'extrémité du bec de stator 9 est conformée selon un profil épais et s'étend donc sur une large fraction de l'intervalle interaubes, obstruant le passage du fluide, ce qui a pour effet d'accentuer encore les efforts subis par le bec et les réactions sur le rotor, au passage de chacune des aubes. Sur la figure 2, qui représente une coupe partielle agrandie d'une turbomachine centrifuge conforme à l'invention, le bec de stator 9 est éloigné du rotor 1 et délimite un diffuseur lisse au niveau de l'amorce de la volute 8, dont la largeur est comprise entre 1 et 2 % du diamètre externe du rotor. En variante la valeur du jeu J au niveau du bec de stator est de l'ordre de grandeur de la distance D séparant les extrémités des aubes 4. Le bec de stator 9 est conformé selon un coin effilé dont les faces 9a9b forment un angle a de 2 à 35 degrés et de préférence de 25 à 3 degrés dont la bissectrice b est orientée selon la direction de la vitesse moyenne du fluide Vm. L'extrémité du bec est arrondie de manière à conserver une bonne efficacité pour des régimes voisins du régime nominal de la machine. La distance J, à l'amorce de la volute 8 délimite un diffuseur lisse favorable aux évolutions de pression. De préférence, le nombre d'aubes du rotor sera augmenté de 2 à 3 % par rapport aux nombres d'aubes habituels de manière à assurer une meilleure canalisation du fluide. La figure 3 représente l'inclinaison préconisée pour le bec 9 par rapport aux extrémités des aubes 4 du rotor 1. L'angle d'inclinaison (3 est compris entre 2 et 4 degrés et de préférence entre 25 et 35 degrés. L'invention vient d'être décrite dans le cas d'une machine de type centrifuge mono-étage. Elle s'applique également aux machines dites multiétages ou multicellulaires comportant plusieurs machines élémentaires montées en série, ainsi qu'aux machines de type centripète également mono ou multiétages. REVENDICATIONS l - Turbomachine centrifuge ou centripète comportant un stator (3), un rotor (1) muni d'aubes (4) et une volute (6), la volute définissant avec le stator un bec de stator (9) caractérisée en ce que le jeu (J) entre le bec de stator (9) et l'extrémité des aubes du rotor (4) a une valeur comprise entre 1 et 2 % du diamètre externe du rotor (1) et délimite, à'l'amorce (8) de la volute (6), un diffuseur lisse (cas des machines centrifuges) ou un distributeur lisse (cas des machines centripètes). 2 - Turbomachine selon la revendication 1, caractérisée en ce que le nombre d'aubes (4) du rotor (1) est tel que la distance (D) séparant les extrémités des aubes est de l'ordre de grandeur du jeu (J) entre le bec du stator (9) et l'extrémité des aubes. 3 - Turbomachine conforme à la revendication 1 ou à la revendication 2, caractérisée en ce que le bec du stator (9) est conformé selon un coin dont l'arête au sommet, tournée vers le rotor (1) est arrondie. 4 - Turbomachine selon la revendication 3, caractérisée en ce que les faces (9a-9b) du bec du stator (9) forment un angle compris entre 2 et 35 degrés et de préférence entre 25 et 3 degrés, la bissectrice (b) de cet angle étant orientée selon la direction de la vitesse moyenne Vm du fluide. 5 -Turbomachine selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisée en ce que le bec de stator (9) est incliné par rapport à la direction de l'extrémité des aubes (4) du rotor (1). 6 - Turbomachine selon la revendication 5, caractérisée en ce que l'angle d'inclinaison est compris entre 2 et 4 degrés et de préférence entre 25 et 35 degrés.