Brevet FR2712036A1 — publié le 19950512

COMPRESSEUR CENTRIFUGE A ETAGES MULTIPLES La présente invention est relative à des compresseurs et à des ventilateurs, en particulier à ceux qui sont prévus pour fournir une quantité d'air importante sous une pression moyenne, de l'ordre d'une ou deux atmosphères (105 à 2.105 Pa) au-dessus de la pression ambiante. L'invention est en particulier relative à une amélioration des compresseurs centrifuges à étages multiples. Les compresseurs centrifuges sont bien connus et ont été utilisés dans une grande variété d'applications. Par exemple, des compresseurs centrifuges sont décrits dans le brevet U.S. n 4 646 530, le brevet U.S. n 4 262 988, le brevet U.S. n 2 888 809 et le brevet U.S. n 3 362 625. Un compresseur centrifuge à étages multiples est décrit dans le brevet U.S. n 4 429 540. Un autre type de compresseur centrifuge à étages multiples est décrit dans le brevet U.S. n 3 976 395. Dans tout compresseur centrifuge typique, un gaz est envoyé sur une roue rotorique tournante qui entraîne le gaz radialement vers l'extérieur à grande vitesse à travers un canal de compression radial dans une chambre de diffusion annulaire. Dans cette chambre, la vitesse du gaz diminue et sa pression augmente. C'est à dire que la vitesse (énergie cinétique du gaz) est convertie en pression (énergie - 2 - potentielle). Dans une unité à un seul étage, le gaz comprimé peut être extrait de la chambre de diffusion. Par contre, dans un compresseur centrifuge à étages multiples, le gaz comprimé passe ensuite de la chambre de diffusion dans un canal radial de retour, par lequel le gaz est envoyé radialement à l'entrée de l'étage suivant. Un passage d'entrée dévie ce flux de gaz comprimé en retour, selon un coude de 90 à 180 , pour introduire ce flux de gaz comprimé sur la roue de l'étage suivant, o le processus se répète. Au niveau du passage d'entrée, le gaz fait un coude de petit rayon du côté radialement extérieur, ou côté enveloppe, et un coude de grand rayon du côté radialement intérieur, ou côté moyeu. Le petit rayon de courbure du passage de gaz, côté enveloppe, dans la zone de passage relativement large (du fait du rayon de courbure plus grand du côté moyeu) crée un décollage de l'écoulement. Aux vitesses importantes qui caractérisent le fonctionnement d'un compresseur, ce décollage de l'écoulement est la source d'une dégradation substantielle des performances, du fait de la perte de pression et de la réduction du rendement. Dans les ventilateurs à étages multiples existants de ce type, un anneau déflecteur unique est disposé dans le passage d'entrée, positionné légèrement plus près de l'enveloppe que du moyeu. La position exacte de l'anneau n'est ici pas considérée comme un facteur essentiel. L'objet de l'anneau déflecteur est d'empêcher le décollage de l'écoulement lorsque le flux d'air en déplacement doit décrire un coude faisant un angle aigu de 180 - 3 - en passant du canal de retour au rotor de l'étage suivant. Le test de la configuration de l'anneau déflecteur classique a montré une amélioration mesurable du rendement. Il s'est révélé qu'un anneau déflecteur unique, positionné légèrement plus près de l'enveloppe que du moyeu, augmente le rendement global d'un ventilateur d'environ 8 % par rapport à la même unité dépourvue d'anneau déflecteur. Par contre, la mise en place d'anneaux déflecteurs supplémentaires n'apporte pas d'amélioration du rendement. On a tenté d'obtenir un meilleur rendement en disposant un second anneau déflecteur entre le premier anneau déflecteur et le contour du moyeu, en rendant ainsi à peu près égaux les espacements des trois canaux élémentaires ainsi constitués. Toutefois, dans cette configuration, une réduction de 2 % des performances a été constatée, par rapport à l'unité à anneau déflecteur unique. En d'autres termes, l'augmentation du rendement et des performances du ventilateur n'était pas simplement inhérente à la mise en oeuvre d'anneaux déflecteurs, puisqu'il n'avait pas été déterminé antérieurement combien l'espacement des anneaux déflecteurs et les dimensions des canaux élémentaires d'écoulement résultants étaient significatifs. Objets et résumé de l'invention L'un des objets de la présente invention est de fournir un compresseur centrifuge à étages multiples dont le rendement et les performances sont - 4 - améliorés par rapport aux compresseurs de l'art antérieur. Un objet plus spécifique de la présente invention est de fournir un compresseur ayant des anneaux déflecteurs à l'entrée de chaque étage et dans lequel l'emplacement et la géométrie des anneaux déflecteurs sont choisis pour créer un minimum de décollage du flux à cet endroit. Conformément à l'un des aspects de la présente invention, un nombre entier N d'anneaux déflecteurs est disposé dans le passage d'entrée de chaque étage, à l'entrée du canal de compression, pour l'étage suivant, c'est-à-dire là o est située la roue de l'étage suivant. Les N anneaux déflecteurs sont situés entre le contour du côté enveloppe et le contour côté moyeu, dans ce coude, pour répartir l'écoulement dans N+ 1 canaux élémentaires. La taille et l'espacement des canaux élémentaires respectifs sont prévus de telle sorte que la pression différentielle dans chacun des N + 1 canaux élémentaires soit transversalement pratiquement la même dans le sens de passage du flux. Le passage d'entrée a un rayon de courbure RS, côté enveloppe, mesuré par rapport à l'axe du noyau toroïdal et un rayon de courbure RH, côté moyeu, mesuré par rapport à l'axe du même noyau toroïdal. Pour un anneau déflecteur unique, c'est-à-dire pour N = 1, l'anneau déflecteur est espacé selon un rayon R1 = (RS x RH)1/2. Pour deux anneaux déflecteurs, les anneaux doivent être espacés respectivement des rayons: 21/3 5 Ri = (Rs2 x RH)/3 et R2 = (Rs x RH2)1/3 Plus généralement, pour N anneaux déflecteurs, les rayons sont donnés par la formule: R ( i X Rto-k) N-L dans laquelle k est un nombre entier: 1, 2..., N. Le contour toroïdal de chaque anneau déflecteur doit également former un coude compris entre 90 et 180 autour du passage d'entrée. L'objet de cette configuration d'anneaux déflecteurs est de maintenir une pression différentielle uniforme au niveau du coude, de telle sorte que le flux de gaz soit uniforme en arrivant sur la roue. La configuration antérieure créait ou favorisait des chutes de pression non uniformes dans chaque canal élémentaire, en produisant un flux non uniforme et en contribuant à une perte de rendement. Par contre, la présente invention découle d'une analyse portant sur le nombre d'anneaux déflecteurs et les rayons de courbure des contours d'enveloppe et de moyeu. La géométrie résultante de l'anneau déflecteur est indépendante du débit d'écoulement et améliore les compresseurs sur une grande plage de débits. La configuration de l'anneau déflecteur crée des espacements tels que les pertes soient identiques dans les différents canaux à écoulements parallèles. La largeur de chaque canal entre les anneaux et déflecteurs successifs est proportionnelle au rayon - 6 - de courbure de la ligne aérodynamique principale de ce canal. Il en résulte que l'espacement des canaux les plus proches du moyeu est notablement supérieur à celui des canaux situés plus près de l'enveloppe. Le test de configurations à deux et à trois anneaux déflecteurs, conformément à la géométrie prescrite par la présente invention, montre une amélioration supplémentaire des performances de 2,5 % et de 3,5 %, respectivement, par rapport à une configuration à un anneau déflecteur unique. La théorie de la présente invention peut s'expliquer à partir des connaissances relatives aux chutes de pression dans les coudes et courbures de tuyauteries. Une chute de pression a lieu du fait de la différence de vitesse d'écoulement entre l'intérieur de la courbe et l'extérieur de la courbe. Par exemple, un espacement équidistant des anneaux déflecteurs produit une pression différentielle plus importante dans les canaux côté enveloppe que dans les canaux côté moyeu. Ceci a pour effet de donner une vitesse d'écoulement plus grande dans les canaux côté moyeu et une vitesse d'écoulement plus faible dans les canaux côté enveloppe. Ceci signifie que le flux moyen arrivant sur la roue est distordu, ce qui a pour effet de réduire le rendement. Il a été observé, toutefois, que la chute de pression en traversant un coude ou une courbure est proportionnelle à la différence de pression radiale maximale dans chaque canal élémentaire d'écoulement à travers le coude. Pour l'entrée d'étage du ventilateur ou du compresseur, la pression différentielle radiale AP de chaque section ou canal élémentaire est donnée par l'expression: -7- AP= AR Ap Ir = ARp - Rc - p v dans laquelle R ou W est la largeur du canal d'écoulement, P est la pression différentielle radiale, Vm est la vitesse d'écoulement du flux gazeux, RC est le rayon de courbure de cet anneau déflecteur, et est la densité du gaz. L'espacement entre anneaux déflecteurs successifs et entre les anneaux déflecteurs et le moyeu et l'enveloppe doit être étudié pour que la pression différentielle soit identique entre un canal et le suivant. Ceci signifie que l'espacement doit être prévu en fonction du rayon de courbure de la ligne aérodynamique du canal correspondant. A partir de cette prescription, des équations peuvent être obtenues pour optimiser le positionnement des anneaux déflecteurs d'entrée. Pour Rs et RH donnés (rayon de courbure à l'entrée de la roue côté enveloppe et côté moyeu, respectivement), les rayons de courbure pour un, deux, trois et N anneaux déflecteurs, sont les suivants: un anneau déflecteur:Rx Rc = R, deux anneaux déflecteurs: Rc 3R-xR R 3 c2 = Rs X RH, trois anneaux déflecteurs: Rc R = Rs3xRH RC2 =RsxR,, RC3 "RS X RH N anneaux déflecteurs: Rc = rles xR, RC2 N x- 1 X R2 RCk = 1xR +X RH, RN' N CN = N11VRs x R I A titre d'exemple particulier, si l'on choisit un RS radial côté enveloppe et un RH radial côté moyeu tels que RS = 0,95 cm (0,375 inch) et RH = 12,7 cm (5 inches), les rayons de courbure suivants peuvent être calculés pour 1, 2, 3 et 4 anneaux déflecteurs: 1 anneau déflecteur: RCi = 3,48 cm (1,37 inch) 2 anneaux déflecteurs: RCl = 2,26 cm (0,89 inch) Rc2 = 5,36 cm (2,11 inches) 3 anneaux déflecteurs: RCi = 1,83 cm (0,72 inch) RC2 = 3,48 cm (1,37 inch) RC3 = 6,65 cm (2,62 inches) 4 anneaux déflecteurs RCI = 1,60 cm (0,63 inch) RC2 = 2,69 cm (1,06 inch) Rc3 = 4,50 cm (1,77 inch) RC4 = 7,57 cm (2,98 inches) Les objets, caractéristiques et avantages susmentionnés de la présente invention, ainsi que d'autres, apparaîtront d'eux-mêmes aux personnes compétentes en ce domaine, à la lecture de la description suivante d'un choix de réalisations préférées, qui doivent être considérées en se reportant aux dessins d'accompagnement. - 9 - Brève description des dessins: La Fig. 1 est une vue en coupe d'un compresseur centrifuge à étages multiples conforme à une réalisation préférée de l'invention. Les Fig. 2, 3 et 4 sont des vues en coupe détaillées montrant la partie entrée, entre les étages successifs du compresseur, et comportant respectivement, deux anneaux déflecteurs, un anneau déflecteur unique, et trois anneaux déflecteurs. Description détaillée des réalisations préférées Si l'on se réfère à présent au dessin de la Fig. 1, celle- ci représente une partie d'un ventilateur ou compresseur centrifuge 10 en coupe partielle, avec des étages successifs 11, 12 et 13. Bien entendu, des étages peuvent se trouver avant l'étage 11, et d'autres étages à la suite de l'étage 13, mais ce qui est représenté a pour objet d'être représentatif du système dans lequel se situe la structure inventive. Une partie fixe du ventilateur 10 est consti- tuée par un corps ou enveloppe 14, formé(e) par un empilement ou une série d'éléments d'enveloppes fixés à la suite les uns des autres, chacun d'eux ayant une partie d'enveloppe extérieure 15 et un diaphragme 16. Le ventilateur comporte également un rotor 17 dans lequel un arbre tournant 18 supporte une série de roues rotoriques 19. Chaque roue comporte une partie moyeu 20 ayant une section transversale incurvée et une rangée d'ailettes 21. Un anneau côté enveloppe 22 - 10 - est fixé sur les ailettes 21, en entrée, et comporte une succession de dentelures annulaires qui font face à l'enveloppe pour constituer un joint dynamique d'étanchéité aux gaz 23. Les roues 19 en rotation entraînent le gaz le long d'un passage respectif 25 dans chacun des étages successifs 11, 12, 13, etc. Chaque passage de gaz 25 a un canal de compression 26, à l'endroit o les ailettes rotoriques 21 agissent sur le gaz pour le déplacer radialement vers l'extérieur en direction d'une chambre de diffusion 27 située dans la région radialement la plus externe de la partie interne 15 du corps. En cet endroit, l'énergie cinétique du gaz (sa vitesse) est convertie en pression. Du côté retour d'écoulement du diaphragme 16, un canal de retour 28 conduit radialement vers l'intérieur pour ramener le gaz comprimé de la chambre de diffusion 27 vers le moyeu. Là, le diaphragme s'incurve pour former une partie entrée 29 o le flux de gaz se détourne dans une direction radialement externe lorsqu'il arrive sur la roue 19 de l'étage suivant 12, 13, etc. successivement. L'anneau 22, comme le montre mieux la Fig. 2, a, du côté enveloppe de la partie entrée, une section transversale incurvée ayant un rayon de courbure Rs par rapport à l'axe 30 de l'anneau, qui s'étend autour de l'ensemble de la partie entrée 29. Dans cette réalisation, deux anneaux déflecteurs 31 et 32 sont montés sur l'enveloppe au moyen de dispositifs de fixation 33. Ces anneaux déflecteurs 31 et 32 sont de forme toroïdale et s'étendent sans discontinuité autour de l'axe du - 11 - 2712036 ventilateur 10, chacun ayant un contour toroidal de rayon RC1 et Rc2, respectivement. Les contours toroïdaux s'étendent sur un arc de 90 à 180 , autour du centre de courbure 30, cet angle étant ici de 135 . Le contour incurvé du diaphragme 16 et le contour incurvé du moyeu 20 constituent le contour côté extérieur, ou côté moyeu de la partie entrée, le moyeu ayant un rayon RH par rapport au centre de courbure 30. Afin d'obtenir des caractéristiques d'écoulement optimales pour le gaz au passage du coude de la partie entrée 29, les rayons RC1 et RC2, auxquels sont positionnés les anneaux déflecteurs 31 et 32, sont choisis comme indiqué précédemment. Dans le cas présent de deux anneaux déflecteurs, ces rayons sont déterminés par le nombre d'anneaux déflecteurs 31 et 32 et les rayons de courbure Rs et RH, côté enveloppe et côté moyeu de la partie entrée. Les rayons des deux anneaux déflecteurs sont calculés respectivement par: RCi = (Rs2 x RH) 1/3 et RC2 = (RS x RH2)1/3 Comme indiqué précédemment, on obtient ainsi des chutes de pression identiques pour les trois canaux élémentaires définis par les anneaux déflecteurs 31 et 31. La Fig. 3 représente une configuration identique à celle des Fig. 1 et 2, hormis le fait - 12 - qu'elle n'utilise qu'un seul anneau déflecteur 31' avec un rayon RC par rapport au centre de courbure 30. Les éléments restants représentés ici, et qui sont identiques à ceux de la Fig. 2, portent les mêmes repères numériques et n'ont pas besoin d'être décrits plus en détail. Un dispositif de fixation 33' plus petit est utilisé ici pour l'anneau déflecteur unique 31'. Le rayon de l'anneau déflecteur RC est calculé en fonction des rayons RS et RH, comme suit: RC = (RS x RH) 1/2 La Fig. 4 représente une version à trois anneaux, qui est, hormis ce fait, identique aux réalisations des Fig. 1 à 3 et les éléments identiques portent les mêmes références numériques. Ici, les trois anneaux déflecteurs 31", 32" et 34" sont représentés montés sur un dispositif de fixation 33", et ont des rayons de courbure supérieurs RC1, RC2 et Rc3 qui sont calculés en fonction des rayons RS et RH, comme suit: RC1 = (Rs3 x RH) 1/4 RC2 = (Rs2 x RH 2)1/4 et RC3 = (Rs x RH3)1/4 Dans ce cas, on obtient 4 canaux élémentaires dans la partie entrée 29. Un très gros compresseur peut accepter quatre, cinq, ou un nombre plus élevé d'anneaux déflecteurs à l'entrée de chaque étage. Ces N anneaux déflecteurs sont configurés de façon à avoir les rayons de courbures respectifs Rk: - 13 - Rk= (R-f x R,l)"h k étant un nombre entier de 1 à N. Des caractéristiques complémentaires peuvent être prévues pour améliorer les performances du compresseur centrifuge. Par exemple, des aubes peuvent être prévues dans les canaux de retour 28 pour rediriger la composante résiduelle de tourbillonnement de l'écoulement de gaz. La forme des roues peut également être étudiée pour obtenir une diffusion optimale et pour limiter la vitesse d'échappement par rapport à la vitesse d'admission. Les profils de l'enveloppe et du moyeu peuvent aussi être choisis parmi une gamme étendue de profils divers pour optimiser les performances du ventilateur. Bien que la présente invention ait été décrite en se référant à un choix limité de réalisations préférées, il y a lieu de considérer que ces réalisations ont été prises à titre d'exemples, et que l'invention ne se limite pas à ces réalisations spécifiques. Au contraire, de nombreuses modifications et variantes apparaîtront d'elles-mêmes aux personnes compétentes en ce domaine, sans pour autant sortir du cadre et de l'esprit de la présente invention, telle que définie dans les revendications ci-annexées. 14 2712036 REVENDICATIONS 1/ Compresseur centrifuge (10) ayant un ensemble d'étages successifs (11, 12, 13) avec un arbre commun (18) sur lequel sont positionnées des roues respectives (19), chacune d'elles ayant un moyeu (20) et un ensemble d'ailettes rotoriques (21), et une partie statorique (14) qui comprend une enveloppe extérieure (15) et un ensemble de diaphragmes intérieurs (16), chacun desdits étages ayant un passage d'écoulement de gaz (25) défini entre ladite enveloppe (15) et ledit diaphragme (16), et comportant un canal de compression (26) dans lequel tournent lesdites ailettes rotoriques (21) pour entraîner le gaz radialement vers l'extérieur en direction d'une chambre de diffusion (27), dans laquelle l'énergie du mouvement centrifuge du gaz est convertie en pression, un canal d'écoulement de retour (28) dans lequel le gaz comprimé est ramené radialement vers l'intérieur en direction de l'arbre (18), et un passage d'entrée (29) pour dévier le flux de gaz du canal d'écoulement de retour (28) radialement vers l'extérieur sur la roue de l'étage suivant, caractérisé en ce qu'il comprend N anneaux déflecteurs (31, 31', 31", 32, 32", 34") disposés dans ledit passage d'entrée (29) à l'entrée du canal de compression suivant (26) pour diviser le flux de gaz qui s'y trouve en N+1 canaux élémentaires de forme annulaire, N étant un nombre entier supérieur ou égal à 1, la taille et l'espacement des N anneaux déflecteurs étant prévus de telle sorte que la pression différentielle dans chacun desdits N + 1 canaux élémentaires y soit transversalement essentiellement la même dans le sens de l'écoulement. 2/ Compresseur centrifuge selon la revendication 1, caractérisé en ce que ledit passage d'entrée (29) est défini entre une courbe de rayon RS côté - 15 - enveloppe, et une courbe de rayon RH côté moyeu, pris à partir d'un centre de courbure côté enveloppe, et en ce que lesdits N anneaux déflecteurs sont espacés chacun dudit centre de courbure d'un rayon respectif Rk dans lequel k est un nombre entier 1, 2,..., N: Rk = (AS k X >)N 3. Compresseur centrifuge selon la revendication 2, caractérisé en ce qu'il ne comporte qu'un seul anneau déflecteur espacé d'un rayon R1 = (RS x RH)I/2 4. Compresseur centrifuge selon la revendication 2, caractérisé en ce qu'il comporte deux desdits anneaux déflecteurs espacés respectivement des rayons: R1 = (Rs2 x RH)1/3 et R2 = (RS x RH2)1/3 5. Compresseur centrifuge selon la revendication 2, caractérisé en ce qu'il comporte trois desdits anneaux déflecteurs espacés respectivement des rayons: R1 = (Rs3 x RH)1/4 R2 = (Rs2 x RH2)1/4 R3 = (RS x RH3)1/4 6. Compresseur centrifuge selon la revendication 1, caractérisé en ce que ledit anneau déflecteur a des courbures et coudes de forme toroïdale, entre 90 et 180 autour dudit centre de courbure, au niveau dudit passage d'entrée.