Brevet FR2718797A1 — publié le 19951020

La présente invention concerne un ensemble compresseur à deux étages de compression d'un gaz. I1 s'applique en particulier à un ensemble compresseur du type centrifuge destiné à alimenter une turbine à gaz. On connaît déjà dans l'état de la technique un ensemble compresseur du type à deux étages de compression d'un gaz, chaque étage comportant un compresseur centrifuge muni d'une roue à aubes ou rouet coaxiale à celle de l'autre compresseur, le compresseur du premier étage étant alimenté par deux entrées de gaz. Le gaz, par exemple de l'air, entrant dans le premier compresseur est entraîné par la roue, comportant par exemple deux séries d'aubes alimentées chacune par chaque entrée de gaz respectivement, de manière à acquérir une certaine vitesse. Le gaz est ensuite envoyé dans un premier diffuseur dans lequel sa vitesse diminue et sa pression augmente. Le gaz, sortant du premier étage a un taux de compression intermédiaire, est entraîné par la roue du second compresseur, puis est envoyé dans un second diffuseur de manière à acquérir un taux de compression final approprié pour alimenter une chambre de combustion de turbine ou tout autre dispositif habituellement alimenté par un ensemble compresseur. Les roues des compresseurs peuvent par exemple être portées par des arbres d'entraînement distincts de manière à tourner à des vitesses différentes, ou bien par un arbre d'entraînement commun entraîné par exemple par une turbine à gaz ou tout autre ensemble moteur. Ce type d'ensemble compresseur présente les inconvénients suivants. Les flux de gaz entrant dans le premier étage et sortant de ce premier étage vers le second étage se croisent en provoquant des échanges thermiques entre eux qui sont préjudiciables au bon fonctionnement du compresseur du premier étage. Par ailleurs, le gaz alimentant le second étage subit généralement des pertes aérodynamiques lors de son transfert d'un étage à l'autre. De plus, la pression élevée régnant dans le second étage favorise les pertes thermiques et aérodynamiques du gaz et génère des contraintes dans les éléments de cet étage susceptibles de conduire à des fuites entre ces éléments ou à des variations préjudiciables du jeu entre la roue du compresseur du second étage et le carter de cette roue. Les contraintes subies par les éléments du second étage sont transmises aux éléments du premier étage auxquels ils sont reliés, ceci pouvant conduire également à des variations préjudiciables du jeu entre la roue du compresseur du premier étage, comportant deux séries d'aubes, et le carter de cette roue. L'invention a pour but de remédier à ces inconvénients en proposant un ensemble compresseur à deux étages de compression, dont les flux de gaz entrant dans le premier étage et sortant de cet étage ne se mélangent pas, ceci en assurant une bonne étanchéité entre les éléments de l'ensemble compresseur soumis à des pressions élevées, en maintenant un jeu stable entre les roues et leurs carters respectifs et en réduisant les pertes aérodynamiques et thermiques entre les étages de ltensem- ble compresseur. A cet effet l'invention a pour objet un ensemble compresseur du type précité, caractérisé en ce que les deux compresseurs sont raccordés entre eux par l'intermédiaire de deux carters sensiblement annulaires, coaxiaux aux roues à aubes des compresseurs, un premier carter, raccordé au premier compresseur, étant appelé carter de transfert, le second carter, raccordé au second compres seur, étant appelé carter de compression, ces carters étant raccordés entre eux par des conduits sensiblement axiaux répartis circonférentiellement autour de l'axe des roues à aubes, et qui enjambent une des entrées du premier compresseur disposée entre les carters. Suivant d'autres caractéristiques de l'invention - chaque conduit de raccordement est délimité par deux branches prolongeant l'une le premier carter et l'autre le second carter, et qui sont raccordées entre elles - chaque carter comporte trois branches de raccordement espacées circonférentiellement entre elles de 120 environ - les branches des carters sont raccordées entre elles par des moyens déformables axialement - le carter de transfert comporte des volutes de canalisation du gaz provenant du compresseur du premier étage, prolongées par les branches de raccordement du carter de transfert - le carter de compression comporte des canaux d'alimentation en gaz du second compresseur, sensiblement radiaux, dont les extrémités, proches de l'axe de ce carter, se rejoignent et dont les extrémités éloignées de l'axe de ce carter se prolongent par les branches de raccordement du carter - le carter de compression comporte des nervures sensiblement radiales de rigidification, disposées entre les canaux d'alimentation en gaz - le carter de compression est délimité axialement par des parois amont et aval sensiblement coniques, en considérant le sens de circulation du gaz dans l'ensemble compresseur ; - le carter de transfert est raccordé au premier compresseur par l'intermédiaire d'un diffuseur, le carter de transfert étant raccordé à la sortie de ce diffuseur par des moyens déformables axialement - les moyens déformables comprennent un joint à soufflet ou à diaphragme - les deux entrées de gaz sont délimitées par des bâches en résine ; - les roues des compresseurs sont entraînées par un arbre commun, la roue du premier compresseur étant munie de deux séries d'aubes alimentées chacune par une entrée de gaz. L'invention propose également une turbomachine, notamment une turbine à gaz équipée d'un ensemble compresseur conforme aux enseignements de l'invention. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront à la lecture de la description détaillée qui va suivre pour la compréhension de laquelle on se reportera aux dessins annexés dans lesquels - La figure 1 est une demi-vue schématique en section axiale d'un ensemble compresseur selon l'invention ; - la figure 2 est une vue en perspective de l'ensemble compresseur de la figure 1 - la figure 3 est une vue en perspective du carter de transfert et du carter de compression de l'ensemble compresseur de la figure 1 - la figure 4 est une vue en section du carter de transfert selon la ligne 4-4 de la figure 3 - la figure 5 est une vue de face, selon la flèche 5 de la figure 3, illustrant le carter de compression, la paroi amont de ce carter étant arrachée ; - la figure 6 est une vue en coupe suivant la ligne 6-6 de la figure 5, à plus grande échelle - les figures 7 et 8 sont des vues de détail suivant deux variantes des moyens de raccordement des carters de transfert et de compression. Sur les figures 1 et 2, on a représenté un ensemble compresseur selon l'invention, désigné par la référence générale 10, destiné à alimenter par exemple une chambre de combustion de turbine à gaz, ou tout autre dispositif habituellement alimenté par un ensemble compresseur. Cet ensemble compresseur 10 comporte deux étages de compression d'un gaz qui, dans l'exemple décrit, est de l'air. Chaque étage comprend respectivement un compresseur centrifuge 12, 14 muni d'une roue à aubes ou rouet 16, 18, logée dans un carter 20, 22. Les roues 16, 18 sont portées par un arbre d'entraînement commun 24 lui-même entraîné par exemple par une turbine à gaz ou tout autre ensemble moteur. La roue 16 du premier compresseur 12 est double, c'est-à-dire qu'elle comporte deux séries d'aubes 26, 28 disposées symétriquement par rapport à un plan perpendiculaire à l'arbre d'entraînement 24, chaque série d'aubes étant alimentée par une bâche 30, 32 d'entrée d'air, fabriquée de préférence en résine synthétique, représentée plus en détail sur la figure 2 sur laquelle les flux d'air rentrant dans les bâches 30, 32 sont désignés par des flèches sans référence. La roue 18 du second compresseur 14 est simple, c'est-à-dire qu'elle comporte une seule série d'aubes 33. Chaque compresseur 12, 14 est raccordé à sa sortie, de façon connue en soi, à un diffuseur statique 34, 36 dans lequel la vitesse de l'air diminue alors que sa pression augmente. Le premier diffuseur 32 du premier étage est disposé entre les bâches 30, 32 d'entrée d'air. Le second diffuseur 34 du second étage est raccordé, de façon connue en soi, par exemple à une chambre de combustion d'une turbine à gaz. Les deux compresseurs 12, 14 sont raccordés entre eux par l'intermédiaire de deux carters 38, 40 sensiblement circulaires, coaxiaux aux roues 16, 18, le premier carter 38, appelé carter de transfert, étant raccordé à la sortie du premier diffuseur 32, et le second carter 40, appelé carter de compression, étant raccordé à l'entrée du carter 22 de la roue simple 18. En se référant à la figure 3, on voit que chaque carter 38, 40 comporte trois branches 42, 44, sensiblement axiales, de raccordement à l'autre carter, espacées circonférentiellement entre elles de 120". Les branches 42, 44 raccordées entre elles forment des conduits sensiblement axiaux qui enjambent une des bâches d'entrée d'air 32 disposée entre le carter de transfert 38 et le carter de compression 40. Sur la figure 1, le trajet de l'air à travers les différents éléments de l'ensemble compresseur 10 est représenté par des flèches sans référence. En se référant à la figure 4, on voit que le carter de transfert 38 comporte des volutes 46, s'étendant sensiblement sur un tiers de tour, destinées à canaliser le gaz provenant du premier diffuseur 34, prolongées par les branches de raccordement 42 du carter de transfert. En se référant aux figures 5 et 6, on voit que le carter de compression 40 est délimité axialement par des parois amont 48 et aval 50, sensiblement coniques, en considérant le sens de circulation de l'air dans l'ensem- ble compresseur. La conicité des parois amont 48 et aval 50 assure une bonne rigidité du carter de compression. Le carter de compression comporte de plus des canaux 52 d'alimentation en gaz du second compresseur 40, sensiblement radiaux, délimités par des parois axiales 54 s'étendant entre les parois amont 48 et aval 50. Ces parois axiales 54 participent à la rigidification du carter de compression 40 de même que des nervures 56 sensiblement radiales, disposées entre les canaux 52 et s'étendant entre les parois amont 48 et aval 50 du carter de compression. Sur les figures 1 et 7, on a représenté des moyens de raccordement des carters de transfert 42 et de compression 44 selon un premier mode de réalisation. Sur ces figures, on voit que les branches 42, 44 de raccordement des carters 38, 40 sont reliées entre elles par des moyens déformables axialement comportant par exemple un joint à soufflet 58. De préférence, le carter de transfert 38 est raccordé à la sortie du premier diffuseur 34 par des moyens déformables axialement, par exemple un joint à diaphgragme 60, de type connu. En variante, ce joint à diaphgragme peut être remplacé par un joint statique métallique, la plupart des déformations axiales entre les deux carters 38, 40 étant ainsi absorbées par les joints à soufflet 58 reliant entre elles les branches de raccordement 42, 44. Sur la figure 8, on a représenté des moyens de raccordement du carter de transfert 38 et du carter de compression 40 selon un second mode de réalisation. Dans ce cas, les branches 42, 44 de raccordement des carters sont reliées entre elles par des brides 62, non déformables axialement, les déformations axiales entre les deux carters 38, 40 étant absorbées par un joint à soufflet 64 reliant le carter de transfert 38 à la sortie du premier diffuseur 34. L'invention permet, d'une part de minimiser les contraintes et les déformations subies par les éléments du second étage soumis à une température et une pression plus élevées, et d'autre part, d'éviter que les déformations des éléments du second étage soient transmises aux éléments du premier étage auquel ils sont reliés, les éléments du second étage étant soumis à une température et une plus pression faibles. Les carters de transfert 38 et de compression 40, fabriqués de préférence en fonte, ont une symétrie de révolution permettant d'éviter les déformations non symétriques de ces carters dues à des contraintes mécaniques ou thermiques. Le carter de compression est rigide et résiste aux déformations dues aux contraintes mécaniques ou thermiques. L'encombrement axial du carter de compression est faible et sa masse est réduite, ceci permettant d'obtenir, d'une part un ensemble compresseur de dimension axiale réduite et, d'autre part, une marge satisfaisante entre la vitesse nominale et la première vitesse critique d'un mobile entraîné par le compresseur. Les faibles déformations du carter de compression 40 permettent de maintenir un jeu stable entre la roue 18 du second compresseur 14 et son carter 22. De plus, les moyens de raccordement déformables élastiquement interposés entre les branches 42, 44 de raccordement des carters de transfert 38 et de compression 40, ou entre le carter de transfert 38 et le premier diffuseur 34 permettant d'absorber les déformations axiales éventuelles des éléments du second étage, de manière à préserver notamment le jeu entre la roue double 16 du premier compresseur 12 et son carter 20, ainsi que la position relative de la roue double 16 par rapport au premier diffuseur 34. Les branches 42, 44 de raccordement des carters de transfert 38 et de compression 40, s'étendant dans une zone périphérique de l'ensemble compresseur relativement froide puis soumise à une pression relativement faible, sont préservées des contraintes d'origine thermique ou mécanique. Cet avantage est également valable pour les moyens de raccordement des branches 42, 44 entre elles, si bien que les risques de fuites aux jonctions de ces branches sont minimisés. Les conduits axiaux reliant les carters de transfert 38 et de compression 40, délimités par les branches de raccordement 42, 44, de faible diamètre et réparties circonférentiellement autour de l'arbre d'entraînement des compresseurs, permettent d'obtenir une alimentation en gaz homogène et symétrique du second étage de compression. Par ailleurs, "l'effet de fond" susceptible de s'établir entre le carter de transfert 38 et le carter de compression 40 est repris par le carter de compression rigide, ceci permettant d'optimiser l'étanchéité entre les différents éléments de l'ensemble compresseur. La déformation axiale des carters de transfert 38 et de compression 40 étant faible, les déformations entre les éléments statiques et les éléments rotatifs de l'ensemble compresseur sont voisines et faibles. Les carters de tranfert 38 et de compression 40 permettent de bien séparer le flux d'air entrant dans le premier étage de compression et sortant de cet étage, ceci en réduisant les pertes aérodynamiques et thermiques entre les étages de compression. L'invention ne se limite pas aux modes de réalisation décrits. En particulier, les roues des compresseurs peuvent être entraînées à des vitesses différentes. De plus, le nombre de conduits axiaux reliant les carters de transfert 38 et de compression 40 peut être supérieur à trois. REVENDICATIONS 1. Ensemble compresseur du type à deux étages de compression d'un gaz, chaque étage comprenant un compresseur centrifuge (12, 14) muni d'une roue à aubes ou rouet (16, 18) coaxiale à celle de l'autre compresseur, le compresseur (12) du premier étage étant alimenté par deux entrées de gaz (30, 32), caractérisé en ce que les deux compresseurs (12, 14) sont raccordés entre eux par l'intermédiaire de deux carters (38, 40) sensiblement annulaires, coaxiaux aux roues à aubes (16, 18) des compresseurs, un premier carter (38), raccordé au premier compresseur (12), étant appelé carter de transfert, le second carter (40), raccordé au second compresseur (14) étant appelé carter de compression, ces carters (38, 40) étant raccordés entre eux par des conduits (42, 44) sensiblement axiaux répartis circonférentiellement autour de l'axe des roues à aubes, et qui enjambent une des entrées (32) du premier compresseur disposée entre les carters (38, 40). 2. Ensemble compresseur selon la revendication 1, caractérisé en ce que chaque conduit de raccordement est délimité par deux branches (42, 44) prolongeant l'une le premier carter (38) et l'autre le second carter (40), et qui sont raccordées entre elles. 3. Ensemble compresseur selon la revendication 2, caractérisé en ce que chaque carter comporte trois branches de raccordement (42, 44) espacées circonférentiellement entre elles de 120 environ. 4. Ensemble compresseur selon la revendication 2 ou 3, caractérisé en ce que les branches (42, 44) des carters sont raccordées entre elles par des moyens (58) déformables axialement. 5. Ensemble compresseur selon l'une quelconque des revendications 2 à 4, caractérisé en ce que le carter de transfert (38) comporte des volutes (46) de canalisation du gaz provenant du compresseur (12) du premier étage, prolongées par les branches de raccordement (42) du carter de transfert. 6. Ensemble compresseur selon l'une quelconque des revendications 2 à 5, caractérisé en ce que le carter de compression (40) comporte des canaux (52) d'alimentation en gaz du second compresseur (14), sensiblement radiaux, dont les extrémités, proches de l'axe de ce carter, se rejoignent et dont les extrémités éloignées de l'axe de ce carter se prolongent par les branches (44) de raccordement du carter. 7. Ensemble compresseur selon la revendication 6, caractérisé en ce que le carter de compression (40) comporte des nervures (56) sensiblement radiales de rigidification, disposées entre les canaux (52) d'alimentation en gaz. 8. Ensemble compresseur selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le carter de compression (40) est délimité axialement par des parois amont (48) et aval (50) sensiblement coniques, en considérant le sens de circulation du gaz dans l'ensemble compresseur. 9. Ensemble compresseur selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le carter de transfert (38) est raccordé au premier compresseur (12) par l'intermédiaire d'un diffuseur (34), le carter de transfert (38) étant raccordé à la sortie de ce diffuseur (34) par des moyens (58, 60, 64) déformables axialement. 10. Ensemble compresseur selon l'une des revendications 4 ou 9, caractérisé en ce que les moyens déformables comprennent un joint à soufflet (58, 64) ou à diaphragme (60). 11. Ensemble compresseur selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que les deux entrées de gaz sont délimitées par des bâches (30, 32) en résine. 12. Ensemble compresseur selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que les roues (16, 18) des compresseurs sont entraînées par un arbre commun (24), la roue (16) du premier compresseur (12) étant munie de deux séries d'aubes (26, 28) alimentées chacune par une entrée de gaz (30, 32).