Brevet FR2878914A1 — publié le 20060609

La présente invention se rapporte à un compresseur d'air et notamment à un compresseur d'air pour moteur suralimenté à combustion interne. Comme cela est largement connu, le couple délivré par un moteur à combustion interne est fonction de la quantité d'air introduite dans la chambre de combustion de ce moteur, quantité d'air qui est elle-même proportionnelle à la densité de cet air. Ainsi, en cas de besoin d'un fort couple, il peut être répondu à ce besoin au moyen d'une compression de l'air avant son admission dans le cylindre du moteur, plus communément appelée suralimentation. Cette suralimentation est généralement effectuée par un compresseur qui comprend un carter pourvu d'une conduite d'admission axiale d'air frais, d'une roue munie d'ailettes radiales au débouché de cette conduite et prévue pour assurer la compression de l'air frais et d'une sortie circonférentielle d'air comprimé, généralement sous la forme d'une spirale, dénommée volute, entourant la roue. Dans la majorité des cas, la roue est entraînée en rotation par une liaison axiale avec une turbine logée dans un boîtier et entraînée par les gaz d'échappement du moteur. Cet ensemble est plus communément connu sous le vocable de turbocompresseur. Bien entendu, il existe d'autres moyens largement connus pour entraîner en rotation cette roue, comme un moteur électrique. Dans ces types de compresseur et comme cela est mieux décrit dans la demande de brevet français N 2 264 995, il est souhaitable, pour de faibles débits d'air, de mettre en rotation circonférentielle l'air frais avant son entrée dans la roue. En effet, à défaut de cette rotation, des instabilités apparaissent qui sont essentiellement dues à un décollement du flux d'air le long des ailettes du compresseur. Ce phénomène est d'autant accentué par un angle d'incidence du flux sur les ailettes non approprié et résultant notamment d'un flux uniquement axial. Pour réaliser la rotation de cet air d'admission, la demande de brevet précitée prévoit de disposer, en amont de la roue, une multiplicité d'ailettes radiales tangentiellement inclinées de façon à former une multiplicité de canaux radiaux inclinés sur le pourtour de la conduite d'admission et au travers desquelles est introduit l'air frais. Grâce à ces canaux, l'air frais est introduit dans la conduite d'admission en étant mis en rotation autour de l'axe de la roue qui est généralement confondu avec celui de la conduite. Cette disposition, bien que donnant satisfaction, est d'une élaboration complexe et d'un coût élevé de par la présence des ailettes. De plus, il est nécessaire de régler de manière très précise l'angle d'inclinaison des ailettes pour obtenir la rotation de l'air admis dans la conduite. La présente invention se propose de remédier aux inconvénients mentionnés ci-dessus grâce à un compresseur comprenant des moyens de mise en rotation de l'air qui soient simples et peu coûteux. A cet effet, la présente invention concerne un compresseur d'air, notamment compresseur d'air pour moteur à combustion interne suralimenté, comprenant une conduite d'admission d'air frais débouchant sur un étage de compression avec une roue centrifuge logée dans un carter ainsi qu'une sortie d'air comprimé, et un dispositif de mise en rotation d'au moins une partie de l'air frais, caractérisé en ce que le dispositif comprend au moins une chambre annulaire de mise en rotation de l'aiir frais avant son introduction dans la conduite d'admission. La chambre annulaire peut être disposée coaxialement à la roue centrifuge. La chambre annulaire peut être disposée autour de la conduite d'admission. La chambre annulaire peut comprendre un tore creux qui s'étend en spirale. Le tore peut comprendre une section variable de son entrée d'air à sa sortie d'air. De manière avantageuse, la chambre annulaire peut être au moins un tube en serpentin. De manière préférentielle, le tube en serpentin comprend au moins une spire. Le tube en serpentin comprend une sortie d'air en rotation sur la périphérie du tube de la spire. Les autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront à la lecture de la description donnée ci-après à partir d'exemples non limitatifs de réalisation, en se référant aux dessins annexés où : - la figure 1 est une vue en une coupe axiale selon la ligne 1-1 de la figure 2 d'un compresseur selon l'invention; la figure 2 est une vue en coupe selon la ligne 2-2 du compresseur de la figure 1; - la figure 3 est une vue en coupe axiale selon la ligne 3-3 de la figure 4 d'une variante de compresseur selon l'invention et la figure 4 est une vue en coupe selon la ligne 4-4 du compresseur de la figure 3. Sur les figures 1 et 2, un compresseur 10, d'axe horizontal XX, comprend une conduite d'admission 12, usuellement de forme cylindrique et coaxiale à l'axe XX, qui est ouverte à une de ses extrémités pour l'admission axiale d'air frais en portant, au voisinage de cette extrémité, un moyen de vannage 13 de l'ouverture de la conduite 12, tel qu'une vanne papillon mobile autour d'un axe entre une position de pleine ouverture (représentée en trait mixte) et une position de pleine fermeture (représentée en trait plein). Cette conduite débouche par l'autre de ses extrémités sur un étage de compression 14 qui comprend un carter 16 avec une ouverture raccordée à la conduite 12 et logeant une roue centrifuge 18 munie d'ailettes radiales 20. Une partie de la roue est entourée par un anneau creux 22 s'étendant en spirale autour de la roue, cet anneau en spirale étant désigné par les spécialistes du métier sous le terme de volute. La roue est liée en rotation à un arbre 24 qui traverse une paroi du carter 16 pour être connecté à un étage d'entraînement (non représenté) comprenant généralement un boîtier portant une turbine entraînée en rotation par les gaz d'échappement du moteur en formant ainsi un ensemble appelé turbocompresseur. Bien entendu, tout autre moyen d'entraînement, comme un moteur électrique ou un moteur hydraulique, peut être utilisé sans sortir du cadre de l'invention. Le compresseur comprend en outre une chambre annulaire 26 qui permet de mettre en rotation de l'air frais au préalable de son introduction au sein de la conduite d'alimentation. Dans l'exemple des figures 1 et 2, cette chambre annulaire est semblable à la volute 22 de l'étage de compression 14 mais en ayant un sens de rotation du développé inverse par rapport à cette volute. Avantageusement, cette chambre est placée à l'extérieure de la conduite d'admission en aval de la vanne 13 et au voisinage de l'étage de compression. Comme mieux visible sur les figures, cette chambre annulaire comprend un tore creux fermé qui étend en spirale, sur environ 360 , autour de l'axe XX en étant sensiblement perpendiculaire à cet axe. Ce tore a une section transversale de tore qui varie, dans un plan radial passant par l'axe XX, de manière décroissante d'une entrée d'air 28 vers une sortie d'air 30. Cette spirale s'étend donc d'un grand rayon à partir duquel est prévue l'entrée d'air frais 28 et se termine sur un rayon plus petit que celui de l'entrée d'air pour une sortie d'air 30 en ayant une direction circonférentielle dans le sens des aiguilles d'une montre. Cette chambre comprend donc une section qui diminue au fur et à mesure de la rotation de cette section autour de l'axe XX et en suivant la spirale de la chambre annulaire à partir de l'entrée 28 pour aboutir à une section plus petite pour la sortie d'air 30. Pour ce faire, la chambre 26 est supportée par une entretoise 32 formée par deux parois 34, 36 verticales sensiblement parallèles reliées, d'une part, à la chambre torique et, d'autre part, à la paroi de la conduite d'admission 12 ainsi qu'au carter 16. De manière préférentielle, la sortie 30 est placée au plus près de la roue 20 de façon à ce que la perte de vitesse de rotation de l'air qui débouche à cet endroit soit minimisée. Avantageusement, la chambre annulaire est en deux parties, une première partie 38 qui est monobloc avec le flasque 34 et la conduite d'admission 12 et une deuxième partie 40 monobloc avec le flasque 36 et le carter 16 de l'étage de compression 14. Ces deux parties sont ensuite assemblées et fixées l'une avec l'autre, par tous moyens connus, grâce à des rebords 42 que porte chaque partie de la chambre et qui s'étendent le long de leur pourtour. En fonctionnement, la roue 18 est entraînée en rotation autour de l'axe XX par l'arbre 24 qui est relié, par exemple à la turbine d'un étage d'entraînement. Lors de cette rotation, la roue crée un phénomène d'aspiration par dépression de l'air frais, d'une part, à l'entrée de la conduite d'admission 12 et, d'autre part, à l'entrée 28 de la chambre annulaire 26. Dans le cas de faibles vitesses de rotation de la roue et par conséquent de faibles débits d'air suralimenté en sortie de la volute, indiquée par la flèche F sur la figure 2, la vanne 13 est en position de pleine fermeture du conduit 12. Dans cette configuration, le phénomène d'aspiration a pour conséquence de forcer l'air frais (flèche A) admis à l'entrée 28 de la chambre à suivre le cheminement en spirale de cette chambre pour être éjecté à la sortie 30 de cette chambre en ayant une direction de rotation circonférentielle R identique à celle de la rotation de la roue. Par la mise en rotation de l'air admis en amont de la roue 18, l'air qui est aspiré à l'entrée de cette roue a une direction générale sensiblement circonférentielle correspondant à celle de la rotation de la roue et l'angle d'incidence du flux d'air sur les ailettes 20 se rapproche de l'optimum. Les différentes positions de la vanne 13 entre ses deux positions extrêmes permettent donc d'ajuster la composante tangentielle du flux d'air en fonction du point de fonctionnement du compresseur défini par son débit et son rapport de compression. Pour les fortes vitesses et conséquemment pour les forts débits d'air suralimenté issus de la sortie de la volute 22, l'intégralité de l'air frais doit préférentiellement être admise axialernent sans composante tangentielle qui limiterait les débits maximaux admissibles par le compresseur. Pour cela, le volet 13 est en position de pleine ouverture et seul l'air circulant axialement dans le conduit 12 est aspiré par la roue 18. Ainsi, pour un compresseur donné, la zone de fonctionnement est améliorée avec des performances identiques à forts débits et une ligne de pompage moins contraignante. Ceci permet d'autoriser des rapports de compression plus élevés pour un débit donné. Cet air en rotation est comprimé par les ailettes 20 de la roue 18 à l'intérieur du carter 16 puis est admis dans la volute 22 pour être éjecté, sous forme comprimée, selon la flèche F, à la sortie de cette volute. Comme cela est largement connu, cet air comprimé est ensuite dirigé par tout moyen connu vers les admissions du moteur. L'exemple montré aux figures 3 et 4 est une variante de l'exemple illustré aux figures 1 et 2 et, pour cette raison, les parties communes aux deux exemples de réalisation comportent les mêmes références. Cet exemple se distingue de celui des figures 1 et 2 par la configuration de la chambre annulaire 26. Cette chambre annulaire est une chambre sous forme d'au moins un tube en serpentin 44 hélicoïdal coaxial à l'axe XX et s'enroulant sur la périphérie de la conduite d'admission selon un angle d'inclinaison d'hélice déterminé. Ce tube en serpentin comprend, dans l'exemple montré, deux spires 46 avec, en amont de la vanne 13, une entrée d'air frais 48 à l'extrémité libre de la première spire, celle considérée à gauche de la figure 3, et, entre la vanne 13 et la roue 18, une sortie 50 d'air frais en rotation à l'extrémité libre de la deuxième spire. Cette sortie communique avec un orifice 52 prévu dans la paroi périphérique de la conduite d'admission 12 et à proximité de la roue 18 de façon à autoriser l'introduction d'air en rotation à proximité de cette roue. De manière préférentielle, la sortie 50 est prévue dans la paroi périphérique de l'extrémité libre de la deuxième spire du tube en étant en communication avec l'orifice 52. Bien entendu, il peut être prévu que ce tube en serpentin puisse comporter une seule spire qui, dans ce cas, portera à la fois l'entrée 48 et la sortie 50. De préférence, l'extrémité libre à proximité de la roue présente une section transversale décroissante à partir de cette sortie 50 jusqu'à la partie terminale de la spire de manière à éviter les turbulences générées par cet air en rotation. II peut être aussi prévu de disposer plusieurs tubes en serpentin imbriqués les uns dans les autres avec les mêmes caractéristiques (angle d'inclinaison d'hélice, pas, diamètre de tube,..) de façon à obtenir une multiplicité de sorties d'air en rotation dans le même sens et à proximité de la roue 18. Avantageusement, ce tube en serpentin est fixé sur la périphérie de la conduite 12 par soudage ou brasage tout en assurant une étanchéité au niveau de la sortie 50 avec l'orifice 52. Comme précédemment mentionné en relation avec les figures 1 et 2, la roue 18 est entraînée en rotation autour de l'axe XX par l'arbre 24 en créant un phénomène d'aspiration par dépression de l'air frais à l'entrée de la conduite d'admission 12 et à l'entrée 48 du tube en serpentin. En fonction de la position de la vanne 13, cette aspiration a pour effet d'introduire axialement l'air frais dans la conduite 12 et/ou de faire circuler l'air frais dans les spires 46 du tube en serpentin 44 en assurant ainsi à la sortie 50 un air qui a une direction de rotation hélicoïdale combinant une direction de rotation circonférentielle R identique à celle de la rotation de la roue et une direction axiale propulsant cet air en rotation vers la roue 18. L'air en rotation est ensuite comprimé par la roue 18 à l'intérieur du carter 16 puis est recueilli dans la volute 22 et ressort de cette volute, selon la flèche F, à l'état comprimé. La présente invention n'est pas limitée aux exemples de réalisation décrit ci-dessus mais englobe toutes variantes et tous équivalents. REVENDICATIONS 1) Compresseur d'air, notamment compresseur d'air pour moteur à combustion interne suralimenté, comprenant une conduite d'admission d'air frais (12) débouchant sur un étage de compression (14) avec une roue centrifuge (18) logée dans un carter (16) ainsi qu'une sortie (22) d'air comprimé, et un dispositif de mise en rotation d'au moins une partie de l'air frais, caractérisé en ce que le dispositif comprend au moins une chambre annulaire (26, 44) de mise en rotation de l'air frais avant son introduction dans la conduite d'admission (12). 2) Compresseur d'air selon la revendication 1, caractérisé en ce que la chambre annulaire (26, 44) est disposée coaxialement à la roue centrifuge (18). 3) Compresseur d'air selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que la chambre annulaire (26, 44) est disposée autour de la conduite d'admission (12). 4) Compresseur d'air selon l'une des revendications précédentes, 20 caractérisé en ce que la chambre annulaire (26) comprend un tore creux qui s'étend en spirale. 5) Compresseur d'air selon la revendication 4, caractérisé en ce que le tore (26) comprend une section variable de son entrée d'air (28) à sa sortie d'air 25 (30). 6) Compresseur d'air selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que la chambre annulaire (44) est au moins un tube en serpentin. 7) Compresseur d'air selon la revendication 6, caractérisé en ce que le tube en serpentin (44) comprend au moins une spire (46). 1 0 8) Compresseur d'air selon l'une des revendications 6 ou 7, caractérisé en ce que le tube en serpentin (44) comprend une sortie (50) d'air en rotation sur la périphérie du tube de la spire (46).