Brevet FR2680394A1 — publié le 19930219

SYSTEME ET APPAREIL ANTI-POMPAGE POUR COMPRESSEUR D'AIR La présente invention concerne un appareil de compression d'air qui délivre en fonctionnement un flux d'air comprimé et elle concerne plus particulièrement un système empêchant l'apparition du pompage dans le compresseur ("surging") dû à la remontée d'une onde à front raide dans le flux délivré, dite contre-foulement. Les compresseurs d'air sont utilisés pour fournir de l'air comprimé dans des applications très variées, le flux d'air comprimé étant généralement refoulé au moyen d'une conduite On trouve un tel exemple dans un équipement de sol employant un compresseur d'air à pales à haute vitesse destiné à fournir de l'air comprimé pour démarrer des moteurs de turbine à gaz d'un avion. Dans le cas d'une restriction en aval du compresseur qui entraîne une remontée d'onde vers l'amont du flux délivré, comme cela peut se produire après le démarrage du moteur, le flux d'air sur les pales du compresseur devient instable et donne naissance au phénomène de pompage du compresseur qui peut endommager l'équipement. Un objet de la présente invention est de fournir un système empêchant l'apparition du pompage de compresseur lors du fonctionnement d'un appareil de compression d'air. Par conséquent, selon un aspect de la présente invention, on propose un système empêchant l'apparition du pompage de compresseur dans un appareil de compression d'air qui fournit en fonctionnement un flux d'air comprimé à une conduite d'alimentation en air, comprenant un venturi situé dans la conduite de l'alimentation, un dispositif de vanne de mise à l'air libre en aval du venturi pour faire communiquer la conduite d'alimentation avec l'atmosphère ambiante, un dispositif pour pousser le dispositif de vanne de mise à l'air libre dans une position ouverte quand il y a un flux d'air nul au travers du venturi, et un dispositif de vérin pneumatique agissant en réponse à un différentiel de pression statique dans le venturi pour déplacer progressivement le dispositif de vanne de mise à l'air libre vers une position fermée au fur et à mesure que le flux d'air à travers le venturi augmente. En fonctionnement du système, on capte les pressions statiques dans une section d'entrée du venturi et dans une section de gorge du venturi, et on utilise le différentiel de ces pressions pour entraîner le vérin pneumatique qui en combinaison avec le dispositif de poussée de la vanne de mise à l'air libre commande le mouvement du dispositif de vanne de mise à l'air libre entre une position fermée et une position ouverte. Le différentiel de pression statique est nul quand le flux d'air au travers du venturi est nul et est maximal lorsque ce flux d'air est maximal Par conséquent une gamme de fonctionnement de flux d'air allant du pompage du compresseur à un refoulement maximal peut être traduite en une gamme de différentiel de pression statique dans le venturi à des fins de commande. Le dispositif de vanne de mise à l'air libre peut comprendre un élément de vanne disposé à l'intérieur d'une conduite de mise à l'air libre ayant une extrémité s'ouvrant à l'intérieur de la conduite d'alimentation en air comprimé et une extrémité opposée s'ouvrant à l'atmosphère. En alternative, le dispositif de vanne de mise d'air peut comprendre une ouverture dotée de vanne située dans une paroi de la conduite d'alimentation à l'air comprimé en aval du venturi. L'élément de vanne peut être une vanne convenable quelconque, telle que par exemple une vanne papillon. Le dispositif de vérin pneumatique peut comprendre tout vérin pneumatique convenable ayant un dispositif de piston de vérin relié au dispositif de vanne de mise à l'air et agencé pour recevoir sur l'une de ces faces la pression statique régnant dans la section de gorge du venturi et sur la face opposée la pression statique régnant dans la section d'entrée du venturi. Le dispositif pour pousser le dispositif de vanne de mise à l'air libre vers une position d'ouverture complète peut comprendre des moyens élastiques tels que par exemple un ressort de compression prévu avec le dispositif de vérin pneumatique. Un système conforme à la présente invention comprend un dispositif de vanne de mise à l'air à action directe agissant rapidement en réponse à un contre-foulement du flux d'air du système pour mettre à l'air libre l'air du système afin d'empêcher l'apparition du pompage du compresseur, et il est particulièrement adapté pour être utilisé dans n'importe quel type d'appareils utilisant un compresseur d'air à pales fournissant un flux d'air à pression accrue Par conséquent, selon un autre aspect de l'invention, on propose un appareil pour fournir un flux d'air comprimé, comprenant un compresseur d'air présentant une entrée d'air atmosphérique et une sortie d'air comprimé, une conduite d'alimentation en air comprimé ayant une extrémité reliée à la sortie du compresseur, un venturi branché en série dans la conduite d'alimentation, un dispositif de vanne de mise à l'air libre branché dans la conduite d'alimentation en aval du venturi et comprenant un élément de vanne pouvant se déplacer entre une position fermée et une position ouverte, un dispositif pour pousser l'élément de vanne dans la position ouverte, un dispositif de vérin pneumatique comprenant un dispositif de piston de vérin, un dispositif pour relier le dispositif de piston de vérin à l'élément de vanne, un dispositif reliant une section d'entrée du venturi à une face du dispositif du piston de vérin et un dispositif reliant une section de gorge du venturi à une face opposée du dispositif de piston de vérin, moyennant quoi, en fonctionnement, lorsque l'air circule à travers le venturi, un différentiel de pression statique entre la pression d'entrée du venturi et la section de gorge du venturi permet de déplacer le dispositif de piston de vérin et avec lui l'élément de vanne vers la position fermée à l'encontre du dispositif de poussée de l'élément de vanne. Le dispositif de piston de vérin peut comprendre un piston classique pouvant coulisser à l'intérieur d'un cylindre ou bien peut comprendre n'importe quel autre type de piston convenable tel que, par exemple, un élément de plaque porté par un élément de diaphragme qui est fixé à la paroi interne d'un cylindre et supporté par elle. L'appareil peut être par exemple un chariot de démarrage de moteur de turbine à gaz ou bien un appareil de commande d'environnement basé au sol pour fournir de l'air conditionné à l'intérieur d'un bâtiment. D'autres caractéristiques et avantages ressortiront de la description suivante d'un exemple de réalisation non limitatif, qui se référera au dessin annexé lequel représente de façon schématique un système conforme à un mode de réalisation de l'invention. Une conduite d'alimentation en air comprimé 10 présente une extrémité reliée à la sortie d'un compresseur d'air à pales à haute vitesse (non représenté), et son autre extrémité est reliée de façon à alimenter en air un appareil utilisateur nécessitant la fourniture d'air comprimé, tel que par exemple un moteur de turbine à gaz d'avion (non représenté) Un venturi Il est branché en série dans la conduite 10, et il présente une section d'entrée 12, une section de gorge 13 et une section de sortie 14. Un dispositif de vanne de mise à l'air libre qui dans ce mode de réalisation comprend une conduite de mise à l'air libre 15 est branché sur la conduite d'alimentation 10 en aval de la section de sortie 14 du venturi La conduite de mise à l'air libre présente une extrémité 16 s'ouvrant sur l'intérieur de la conduite d'alimentation 10 tandis que son extrémité opposée 17 s'ouvre à l'air libre Le dispositif de vanne de mise à l'air libre comprend en outre un élément de vanne qui dans ce mode de réalisation comporte une vanne papillon 18 montée de manière pivotante sur une broche 19 à l'intérieur de la conduite de mise à l'air libre 15. Un dispositif de vérin pneumatique destiné à déplacer la vanne papillon 18 d'une position complètement ouverte à une position fermée comprend un cylindre 20 logeant un dispositif de piston de vérin qui dans ce mode de réalisation est constitué par un élément de plaque 21 porté par un élément de diaphragme 22 fixé à la paroi circonférentielle interne du cylindre et porté par elle L'élément de plaque 21 et l'élément de diaphragme 22 servent à diviser le cylindre 20 en deux chambres 24 et 25 A partir de la fixation, une tige de vérin 26 s'étend du côté de l'élément de plaque 21 qui fait face à la chambre 25 et elle fait saillie à l'extérieur du cylindre 23 de façon à être reliée à une extrémité d'un élément de bielle 27 dont l'extrémité opposée est reliée à l'élément de vanne papillon 18. L'élément de vanne papillon 18 est poussé dans une position d'ouverture totale par des moyens élastiques qui dans le présent mode de réalisation comprennent un ressort de compression 28 logé dans la chambre 25 et agissant entre une paroi frontale du cylindre 20 et l'élément de plaque 21. Une ligne de conduite 29 relie la section de gorge 13 du venturi à la chambre 25 et une ligne de conduite 30 relie la section d'entrée 12 du venturi à la chambre 24, de sorte qu'en fonctionnement les pressions statiques dans les sections d'entrée du venturi et de gorge du venturi sont transmises sur chacun des côtés de l'élément de plaque supporté par le diaphragme, et l'air peut circuler pour remplir ou vider les chambres du vérin afin de provoquer le déplacement du vérin. Lors du fonctionnement du système comprenant le compresseur d'air (non représenté), si celui-ci n'est pas en route, il y a un flux d'air nul à travers le venturi 11 et l'élément de vanne papillon 18 est poussé par le ressort 28 dans la position totalement ouverte de sorte que la conduite d'alimentation 10 communique avec l'atmosphère ambiante au moyen de la conduite de mise à l'air libre 17 Dans cet état, les pressions statiques dans la section d'entrée du venturi 12 et sa section de gorge 13 sont les mêmes et le différentiel de pression dans les chambres 24 et 25 du cylindre 20 est nul. Pour une pression totale donnée, la pression statique tombe lorsque le flux augmente de sorte que pour une pression totale constante, alors que le flux s'accroit, la pression statique diminue La pression totale dans la section de gorge du venturi est sensiblement la même que la pression totale au sein de la section d'entrée, la perte de pression totale dans la section de gorge étranglée étant négligeable. Ainsi, alors que le flux d'air au travers de la conduite d'alimentation 10 et du venturi 11 se forme à la suite du démarrage du compresseur d'air, le rythme de changement de la pression statique en fonction du flux est plus grand dans la section de gorge 13 du venturi que dans la section d'entrée 12 du venturi et il se crée un différentiel de pression statique dans le venturi qui est maximal lorsque le flux est maximal Du fait que pour une pression totale Constante la pression statique chute quand le flux d'air augmente, la pression statique captée dans la chambre 25 va chuter à une vitesse plus élevée que celle qui est captée dans la chambre 24 et il se forme un différentiel de pression de part et d'autre de l'élément de plaque 21 et de l'élément de diaphragme 22, qui agit pour déplacer progressivement la vanne papillon vers la position fermée à l'encontre du ressort de compression 28 Dans des conditions de flux maximal, le différentiel de pression est tel que la vanne papillon ferme complètement la conduite de mise à l'air libre et le flux total d'air comprimé dans la conduite d'alimentation est envoyé à l'appareil utilisateur nécessitant cette alimentation. En cas d'apparition d'une restriction en aval du venturi lors d'un flux maximal donnant naissance à un contre-foulement dans la conduite d'alimentation, la pression totale augmente en raison de la caractéristique du compresseur; cependant un changement dans la pression statique de la section d'entrée du venturi est accompagné par un changement correspondant dans la pression statique de la section de gorge si ce n'est que le changement dans cette dernière section s'effectue à une vitesse différente Ainsi le différentiel de pression statique change de telle manière que le ressort de compression 28 agit pour déplacer la vanne papillon 18 vers l'ouverture de sorte que l'air comprimé dans la conduite d'alimentation 10 est mis à l'atmosphère ambiante au travers de la conduite de mise à l'air libre et que l'apparition du phénomène de pompage du compresseur est évitée. Le système conforme à la présente invention comporte un dispositif de vanne de mise à l'air à action directe donnant une réponse rapide à des conditions de flux qui peuvent induire un pompage du compresseur, en ouvrant le dispositif de vannes de mise à l'air pour purger l'air comprimé de la conduite d'alimentation vers l'atmosphère ambiante et empêcher ainsi l'apparition du pompage Le fait de pousser le dispositif de vanne de mise à l'air libre dans une position ouverte dans des conditions de flux nul constitue un élément de sécurité dans le cas o une restriction du flux se produit au démarrage du compresseur d'air, restriction qui autrement causerait le contre-foulement du flux d'alimentation, causant lui-même le pompage du compresseur En situant le dispositif de vanne de mise à l'air libre en aval du venturi, le flux d'air venant du compresseur est mis à l'air libre jusqu'à ce qu'un signal pneumatique approprié pour entratner le dispositif de vérin pneumatique vers la fermeture du dispositif de vanne de mise à l'air libre soit engendré lorsque un flux satisfaisant traverse le venturi Non seulement le système de l'invention empêche l'apparition du pompage de compresseur dû au contre-foulement du flux d'alimentation, mais il permet également de fermer complètement la ligne de flux d'alimentation, d'une façon prévue ou imprévue, alors que le compresseur est encore entraîné. REVENDICATIONS 1 Système empêchant l'apparition du phénomène de pompage du compresseur dans un appareil de compression d'air qui,en fonctionnement, refoule un flux d'air comprimé dans une conduite ( 10) d'alimentation en air, comprenant un venturi ( 11) situé dans la conduite d'alimentation ( 10), caractérisé par un dispositif de vanne ( 18) de mise à l'air libre en aval du venturi ( 11) pour faire communiquer la conduite d'alimentation ( 10) avec l'atmosphère ambiante, un dispositif ( 28) pour pousser le dispositif ( 18) de vanne de mise à l'air libre dans une position ouverte quand il y a un flux d'air nul au travers du venturi ( 11), et un dispositif de vérin pneumatique ( 20,21) agissant en réponse à un différentiel de pression statique dans le venturi ( 11) pour déplacer progressivement le dispositif de vanne ( 18) de mise à l'air libre vers une position fermée au fur et à mesure que le flux d'air à travers le venturi ( 11) augmente. 2 Système selon la revendication 1 caractérisé en ce qu'on capte les pressions statiques dans une section d'entrée ( 12) du venturi et une section de gorge ( 13) du venturi et en ce qu'on utilise un différentiel de ces pressions pour entraîner le dispositif de vérin pneumatique ( 20,21) qui avec le dispositif de poussée ( 28) de la vanne de mise à l'air libre ( 18) commande le déplacement progressif du dispositif de vanne de mise à l'air libre entre une position ouverte et une position fermée. 3 Système selon la revendication 2, caractérisé en outre en ce que le dispositif de vérin pneumatique comprend un piston ( 21) de vérin relié au dispositif de vanne de mise à l'air libre ( 18), le piston de vérin là ( 21) étant agencé pour capter la pression statique régnant dans la section de gorge ( 13) du venturi sur l'une de ses faces et la pression statique régnant dans la section d'entrée ( 12) du venturi sur la face opposée. 4 Système selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en outre en ce que le dispositif de vanne de mise à l'air libre comprend un élément de vanne ( 18) disposé à l'intérieur d'une conduite ( 15) de mise à l'air libre ayant une extrémité ( 16) s'ouvrant sur l'intérieur de la conduite ( 10) d'alimentation d'air comprimé, en aval du venturi ( 11). Système selon la revendication 4, caractérisé en outre en ce que l'élément de vanne comprend une vanne papillon ( 18). 6 Système selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en outre en ce que le dispositif de poussée comprend un ressort ( 28) chargeant le dispositif de vérin pneumatique. 7 Appareil pour fournir un flux d'air comprimé, comprenant un compresseur d'air présentant une entrée d'air atmosphérique et une sortie d'air comprimé, une conduite d'alimentation ( 10) en air comprimé ayant une extrémité reliée à la sortie du compresseur, un venturi ( 11) placé en série dans la conduite d'alimentation ( 10), caractérisé en ce qu'il comprend un dispositif de vanne de mise à l'air libre branché dans la conduite d'alimentation ( 10) en aval du venturi ( 11) et comprenant un élément de vanne ( 18) pouvant se déplacer entre une position fermée et une position ouverte, un dispositif ( 28) pour pousser l'élément de vanne ( 18) dans la position ouverte, un dispositif de vérin pneumatique ( 20,21) comprenant un dispositif de piston ( 21) de vérin, un dispositif pour relier le dispositif de piston ( 21) de vérin avec l'élément de vanne ( 18), un dispositif ( 30) reliant une section d'entrée ( 12) du venturi ( 11) avec une face du dispositif du piston ( 21) de vérin et un dispositif ( 29) reliant une section de gorge ( 13) du venturi ( 11) avec une face opposée du dispositif de piston ( 21) de vérin, moyennant quoi, en fonctionnement, lorsque l'air circule à travers le venturi ( 11), un différentiel de pression statique entre la section ( 12) d'entrée du venturi ( 11) et la section ( 13) de gorge du venturi permet de déplacer le dispositif de piston ( 21) de vérin et avec lui l'élément de vanne ( 18) vers la position fermée à l'encontre du dispositif de poussée ( 28) de l'élément de vanne.