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"Perfectionnements aux compresseurs à écoulement axial".
Il est signalé que l'invention a fait l'objet d'une première de- mande de brevet en Grande-Bretagne déposée le 4 juin 1947 n 14825/47 (non encore accordée à ce jour. ) - Une demande de brevet a également été déposée en France le 3 juin 1948 (non encore ac-
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La présente invention a trait à des compresseurs axiaux polyétagés et a pour objet de présenter une méthode et un disposi- tif pour permettre à un tel compresseur de fonctionner avec un bon rendement entre des limites reculées de vitesses de rotation.
Il est d'usage de construire de tels compresseurs de façon à obtenir un bon rendement à une vitesse particulière ou lorsqu'une condition dépendant de la vitesse se trouve réalisée, et une telle
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construction implique l'assortiment des aubes de tous les étages de compression par un choix convenable des caractéristiques des aubes, telles que l'angle d'incidence et la forme, par exemple, pour don- ner une vitesse axiale constante au fluide à comprimer, à la vites- se particulière ou.lorsque la condition dépendant de la vitesse se trouve réalisée.
L'angle d'incidence avec lequel les aubes du rotor fonc- tionnent, pour toute vitesse de rotation donnée, est déterminé par la vitesse axiale du fluide et la direction de déflexion qui lui est impartie par les aubes fixes.
Aux vitesses inférieures à la vitesse d'établissement choi- sie par le constructeur, lorsque l'augmentation de pression par étage est moindre que l'augmentation de pression d'établissement, il existera une tendance d'accélération du courant de l'entrée à la sortie par suite du fait que le rapport de densité totale d'é- tablissement n'est pas atteint. Cette accélération se manifeste par une réduction de la vitesse axiale à l'entrée et une augmenta- tion de cette vitesse à la sortie.
Là où la vitesse axiale du fluide est inférieure à la vi- tesse axiale d'établissement, l'angle d'incidence devient positif et si grand que les aubes pataugent, et là où la vitesse axiale lui est supérieure, les aubes travaillent à un angle d'incidence négatif et ne contribuent donc pas à la mesure de leur capacité à l'augmentation de la pression.
Aux vitesses supérieures à la vitesse d'établissement, lorsque l'augmentation de pression par étage est plus grande que l'augmentation de pression d'établissement, il existera une ten- dance à la décélération du courant de l'entrée à la sortie par suite du fait que le rapport de densité totale d'établissement est dépassé ; cette décélération se manifeste par une augmentation de la vitesse axiale à l'entrée et une diminution de celle-ci à la sortie. Ces phénomènes'sont donc opposés de ceux qui se produisent lorsque la vitesse est inférieure à la vitesse d'établissement et qui ont été décrits ci-dessus.
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On déduit de l'exemple ci-dessus que lorsqu'on s'écarte de la vitesse d'établissement, ou de la condition dépendant de la vitesse, le rendement du compresseur se trouve affecté et que ce résultat défavorable peut être redressé en assurant l'ajustement de l'incidence de toutes les aubes du stator et/ou de toutes les aubes du rotor. Une telle mesure entraîne toutefois des complica- tions mécaniques indésirables.
Le premier objet de la présente invention est de présenter une méthode de commande des conditions du courant du fluide dans un compresseur axial polyétagé de façon à maintenir un haut rendement de compression pour une grande variété de vitesses.
Dès lors, la présente invention comprend, d'un point de vue, la méthode de commander les conditions de l'écoulement dans un com- presseur axial polyétagé de façon à maintenir un haut rendement de compression pour une grande varité de vitesses en ajustant le pas des aubes du stator à pas réglable à l'entrée de chacune d'un cer- tain nombre de sections du compresseur, section dont chacune com- prend un certain nombre d'étages.
Selon la présente invention, à un autre point de vue, un compresseur axial polyétagé comprend un certain nombre de sections d'aubes, chaque section comprenant un certain nombre d'étages, une rangée d'aubes de stator à pas réglable à l'entrée de chacune de ces sections destinées à modifier la déflexion du fluide qui les quitte pour pénétrer dans la section, et un dispositif destiné à régler le pas de ces aubes du stator selon la vitesse de rotation du compresseur, ou selon la condition dépendant de cette vitesse, de manière à commander les conditions de l'écoulement du fluide dans le compresseur d'une manière convenable entre des limites re- culées de vitesses de fonctionnement.
Selon une particularité de l'invention, le dispositif pour régler le pas des aubes du stator à pas réglable peut être relié à un dispositif régulateur et commandé par lui, dispositif régula-
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teur qui est sensible à la vitesse du compresseur, si bien que le pas des aubes est réglé à une valeur prédéterminée d'après la vi- tesse de rotation du compresseur.
Selon une autre particularité de l'invention, le dispositif pour régler le pas des aubes du stator à pas réglable peut être re- lié à un dispositif régulateur sensible à une condition dépendant de la vitesse de rotation du compresseur, condition telle que le rapport entre les pressions entre deux points du compresseur, de façon que le pas des aubes du stator à pas réglable soit réglé à une valeur prédéterminée dépendant de cette condition.
Quelques réalisations de ce compresseur vont maintenant être décrites à titre d'exemples de cette invention, avec référence aux'dessins ci-annexés, où :
La fig. 1 est un plan schématique d'un compresseur axial polyétagé et d'un dispositif pour modifier le pas des aubes du sta- tor à pas réglable, la fig. 2 est une élévation latérale d'une partie du compres- seur, partiellement en coupe pour montrer le montage des aubes à pas réglable, la fig. 3 est une vue fragmentaire montrant le dispositif pour régler le pas d'une rangée d'aubes du stator, la fig. 4 est une coupe schématique suivant la ligne 4-4 de la fig. 2 montrant la manière dont est réglé le pas des aubes du stator à l'entrée d'une section du compresseur, la fig. 5 est une vue correspondante suivant la ligne 5-5 des aubes d'une seconde section du compresseur, et 'la fig.
6 illustre schématiquement une variante de la com- mande pour modifier le pas des aubes du stator.
En se référant aux fig. 1 à 5, on y voit illustré un com- presseur axial polyétagé 10 convenant à un moteur à turbine à gaz d'aviation, ayant une enveloppe de stator 10a portant un certain nombre de rangées d'aubes de stator 11, et un rotor 10b portant une série correspondante de rangées d'aubes de rotor 12, les ran- gées d'aubes 11 et d'aubes 12 alternant à partir de l'entrée 13 du
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compresseur à sa sortie. Le rotor lOb est mené par l'intermédiaire d'un arbre 14 lequel, dans un moteur à turbine à gaz d'aviation, s'étend généralement entre le compresseur et un rotor de turbine.
Le compresseur est divisé en un certain nombre de sections dont chacune comprend un certain nombre d'étages, chaque étage com- prenant une rangée d'aubes de stator 11 et une rangée d'aubes de rotor 12, et la rangée d'entrée d'aubes de stator de chaque section est composée d'aubes à pas réglable dans le but décrit ci-dessus.
Ainsi, dans la construction illustrée, le compresseur est divisé en sections à basse et à haute pression dont les aubes de stator du premier étage 11a constituent les aubes d'entrée réglables de la section à basse pression et dont les aubes de stator du septième étage llb sont les aubes d'entrée réglables de la section à haute pression.
Chaque aube 11a comporte à chaque extrémité un tourillon 15, le tourillon extérieur étant logé dans un coussinet aménagé dans l'enveloppe du compresseur 10a et le tourillon intérieur étant logé dans un coussinet aménagé dans une enveloppe-pallier annulaire avant 16 porté à l'intérieur de l'enveloppe 10a par les aubes di- rectrices d'admission 17. Chacun des tourillons intérieurs 15 a un prolongement 18 en forme de broche saillant à l'intérieur de l'en- veloppe 16, prolongement auquel est fixé un bras oscillant 19.
Chaque bras oscillant porte une broche debout 20 à son extrémité destinée à s'engager dans une encoche d'une bague 21. La bague 21 est montée pour pouvoir tourner sur l'enveloppe 16 et comporte des encoches intérieures à raison d'une encoche pour chaque broche 20 et cela, pour toutes les aubes de stator 11a On voit ainsi que si on fait tourner la bague 21, les bras 19 vont tourner d'un cer- tain angle et les aubes 11a vont également tourner autour de leurs axes longitudinaux et modifier leur pas.
L'arrangement suivant est adopté pour faire tourner la ba- gue à encoches intérieures 21. Le tourillon extérieur 15 d'une des aubes 11a comporte un prolongement équarri 22 saillant hors de l'en- veloppe du compresseur 10a et ce prolongement porte un levier 23
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qui y est fixé et qui est relié par une tringle 24 au piston 25 d'un vérin hydraulique 26. Le télescopage du vérin 26 fait tour- ner le levier 23 pour faire tourner l'aube 11a qui le porte et cette rotation est transmise à la bague 21 par l'intermédiaire du bras associé 19.
Chaque aube llb est montée pour tourner autour de son axe longitudinal grâce à son montage sur l'enveloppe 10a par l'inter- médiaire d'un tourillon situé à son extrémité extérieure. Chaque tourillon 27 porte un bras 28 qui y est fixé et qui est en prise par son extrémité libre avec une bague à encoches intérieures 29 monté de façon à pouvoir tourner dans un rebord 30 comportant un évidement intérieur et appartenant à l'enveloppe 10a Un des bras 28 a un prolongement arrière 31 qui est relié par la tringle 32 au piston 33 d'un vérin hydraulique 34. Le télescopage du vérin 34 fait tourner le levier 28 31 d'un certain angle ce qui fait tourner la bague 29 par rapport à l'enveloppe 10a, ce qui fait tourner les autres bras 28 ce qui fait enfin tourner les aubes llb autour de leurs axes longitudinaux et modifier leur pas.
En se référant plus particulièrement aux fig. 1, 4 et 5, le dispositif destiné à commander le pas est tel que si la vitesse du compresseur est inférieure à une valeur prédéterminée, le pas des aubes 11a et llb est réglé par les vérins 26,34 respectivement de façon qu!elles occupent les positions indiquées par les traits en chaînette, tandis que pour la marche normale à la vitesse pré- déterminée susmentionnée, les aubes occupent la position indiquée en trait plein. Le sens de la rotation du rotor est indiqué par la flèche 35.
Le dispositif de commande comprend un régulateur centrifu- ge 36 mené par une transmission convenable 37 à partir de l'arbre 14. Le régulateur porte un bras de contact 38 et l'arrangement est tel que lorsque la vitesse prédéterminée du compresseur est atteinte, le circuit électrique 39 est fermé par le bras de contact 38 qui rejoint un contact fixe 40, par suite de quoi le courant est
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lancé dans le solénoïde 41. Le solénoïde commande un tiroir rond 42 qui commande l'écoulement du liquide dans un circuit hydrauli- que situé entre la pompe 43 et les vérins 26, 34.
La pompe 43 as- pire un liquide du réservoir 44 et lorsque le solénoïde 41 reçoit du courant, le fluide sous pression est envoyé aux vérins par le tuyau 45, ce qui maintient les leviers 23,31 dans leurs positions indiquées en trait plein (fig. 1) qui correspondent aux positions en trait plein des aubes 11a llb (fig. 4 et 5), tandis que lorsque le solénoïde est privé de courant, les tuyaux 46, menant aux extré- mités opposées des vérins 26,34, reçoivent le liquide sous pression et les leviers 23,31 vont occuper les positions indiquées en chaî- nette. Un ressort 47 est prévu pour solliciter le tiroir rond 42 vers la droite sur les dessins lorsque le solénoïde 41 est privé de courant.
On voit que pour des vitesses inférieures à la vitesse pré- déterminée, les aubes d'admission 11a sont réglées pour augmenter la déflexion qui leur est due dans le sens de la rotation 35 des aubes du rotor 12, tandis que les aubes d'admission llb vers la se- conde section sont réglées pour occuper une position où la déflexion qui leur est due dans le sens de rotation des aubes du rotor 12 est diminuée.
Cet arrangement assure que le pataugeage des aubes du rotor aux petites vitesses de rotation du rotor ne se produit pas.
La vitesse prédéterminée à laquelle la régulation des aubes 11a llb se produit, correspond à une augmentation donnée de la pression entre l'admission du compresseur 13 et l'orifice de refou- lement du compresseur et ce fait est utilisé dans un contrôleur constituant une variante du régulateur 36.
En se référant à la fig. 6, le régulateur centrifuge est remplacé par un régulateur sensible à la pression lequel comprend deux capsules sensibles à la pression, une capsule 50 enfermée dans une chambre 51 en communication avec l'admission du compresseur et
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une capsule 52 enfermée dans une chambre 53 en communication avec l'orifice de refoulement du compresseur. Les capsules agissent sur balancier pivotant 54 dont le pivot 55 est plus rapproché de l'extrémité du balancier reliée à la capsule 52 que de l'autre ex- trémité.
En supposant que les capsules ont des surfaces actives égales, le balancier va basculer pour fermer le circuit 39 au moyen du contact 56 qui va rejoindre le contact 40, lorsque le rapport de la pression d'admission à la pression de refoulement devient supérieur au rapport du bras court au bras long du balancier . La fermeture des contacts 40,56 commande le réglage du pas des aubes 11a llb de la façon décrite en se référant aux fig. 1, 4 et 5.
L'invention n'est pas limitée aux constructions décrites ci-dessus. Le compresseur peut être divisé en plus de deux sec- tions pourvues d'un premier rang d'aubes de stator à pas réglable; au plus sont élevées la vitesse d'établissement et le rapport de compression du compresseur, au plus grand est le changement de pas nécessaire pour améliorer le rendement à des petites vitesses. Par exemple, un compresseur établi pour marcher à grande vitesse peut avoir des rangées réglables d'aubes de stator à l'étage d'admission, au deuxième étage, au septième étage et au dixième étage, les deux premiers ayant leur pas augmenté à petite vitesse et les deux der- niers ayant leur pas diminué.
En outre, au lieu de prévoir deux positions seulement pour . les aubes de stator, on peut faire en sorte que celles-ci occupent plus de deux positions ou bien qu'elles soient commandées par un mécanisme suiveur situé entre le régulateur et les aubes, de façon que le pas de celles-ci soit modifié selon la vitesse de la machine entre des limites prédéterminées de vitesse.
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"Improvements to axial flow compressors".
It is reported that the invention was the subject of a first patent application in Great Britain filed June 4, 1947 No. 14825/47 (not yet granted.) - A patent application has also been filed. was filed in France on June 3, 1948 (not yet ac-
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The present invention relates to multi-stage axial compressors and it is an object of the present invention to present a method and a device for enabling such a compressor to operate with good efficiency between remote limits of rotational speeds.
It is customary to construct such compressors so as to obtain good efficiency at a particular speed or when a speed dependent condition is met, and such
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construction involves the matching of the blades of all compression stages by a suitable choice of the characteristics of the blades, such as the angle of incidence and the shape, for example, to give a constant axial speed to the fluid to be compressed, at the particular speed or. when the speed dependent condition is fulfilled.
The angle of incidence with which the rotor blades operate, for any given rotational speed, is determined by the axial speed of the fluid and the direction of deflection imparted to it by the fixed vanes.
At speeds below the build-up speed chosen by the manufacturer, when the increase in pressure per stage is less than the increase in build-up pressure, there will be a tendency to accelerate the current from the inlet to output due to the fact that the total plant density ratio is not achieved. This acceleration is manifested by a reduction in the axial speed at the entry and an increase in this speed at the exit.
Where the axial velocity of the fluid is less than the axial rate of establishment, the angle of incidence becomes positive and so large that the vanes flounder, and where the axial velocity is greater than it, the vanes work at a angle of incidence negative and therefore do not contribute to the measurement of their capacity to increase pressure.
At speeds greater than the set-up speed, when the increase in pressure per stage is greater than the increase in set-up pressure, there will be a tendency to decelerate the current from the inlet to the outlet by. as a result of the total establishment density ratio being exceeded; this deceleration is manifested by an increase in the axial speed at the entry and a decrease in the latter at the exit. These phenomena are therefore the opposite of those which occur when the speed is lower than the establishment speed and which have been described above.
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It can be deduced from the above example that when one deviates from the set-up speed, or from the condition dependent on the speed, the efficiency of the compressor is affected and that this unfavorable result can be rectified by ensuring l adjustment of the incidence of all the stator vanes and / or all the rotor vanes. However, such a measure leads to undesirable mechanical complications.
The first object of the present invention is to provide a method of controlling the conditions of the fluid flow in a multistage axial compressor so as to maintain a high compression efficiency for a wide variety of speeds.
Hence, the present invention comprises, from a point of view, the method of controlling the conditions of the flow in a multi-stage axial compressor so as to maintain a high compression efficiency for a wide variety of speeds by adjusting the flow rate. adjustable pitch stator vanes at the input of each of a number of compressor sections, each section comprising a number of stages.
According to the present invention, from another point of view, a multistage axial compressor comprises a number of blade sections, each section comprising a number of stages, a row of stator blades with adjustable pitch at the inlet of each of these sections intended to modify the deflection of the fluid leaving them to enter the section, and a device intended to adjust the pitch of these stator vanes according to the speed of rotation of the compressor, or according to the condition depending on this speed , so as to control the conditions of the flow of fluid in the compressor in a suitable manner between narrow limits of operating speeds.
According to a particular feature of the invention, the device for adjusting the pitch of the blades of the adjustable-pitch stator can be connected to a regulating device and controlled by it, a regulating device.
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which is sensitive to the speed of the compressor, so that the pitch of the blades is set to a predetermined value according to the speed of rotation of the compressor.
According to another feature of the invention, the device for adjusting the pitch of the blades of the stator with adjustable pitch can be connected to a regulating device sensitive to a condition depending on the speed of rotation of the compressor, such condition that the ratio between the pressures between two points of the compressor, so that the pitch of the blades of the adjustable-pitch stator is set to a predetermined value depending on this condition.
Some embodiments of this compressor will now be described by way of examples of this invention, with reference to the accompanying drawings, where:
Fig. 1 is a schematic plan of a multistage axial compressor and of a device for modifying the pitch of the blades of the adjustable-pitch stator, FIG. 2 is a side elevation of part of the compressor, partially in section to show the mounting of the adjustable pitch vanes, FIG. 3 is a fragmentary view showing the device for adjusting the pitch of a row of stator blades, FIG. 4 is a schematic section taken on line 4-4 of FIG. 2 showing the way in which the pitch of the stator vanes at the inlet of a section of the compressor is adjusted, FIG. 5 is a corresponding view taken along line 5-5 of the blades of a second section of the compressor, and FIG.
6 schematically illustrates a variant of the control for modifying the pitch of the blades of the stator.
Referring to Figs. 1 to 5, there is illustrated a multistage axial compressor 10 suitable for an aviation gas turbine engine, having a stator shell 10a carrying a number of rows of stator vanes 11, and a rotor 10b. carrying a corresponding series of rows of rotor blades 12, the rows of blades 11 and blades 12 alternating from the inlet 13 of the
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compressor at its outlet. The rotor 10b is driven through a shaft 14 which, in an aviation gas turbine engine, generally extends between the compressor and a turbine rotor.
The compressor is divided into a number of sections each of which comprises a number of stages, each stage comprising a row of stator vanes 11 and a row of rotor vanes 12, and the inlet row d. The stator vanes of each section are composed of adjustable pitch vanes for the purpose described above.
Thus, in the construction shown, the compressor is divided into low and high pressure sections whose first stage stator vanes 11a constitute the adjustable inlet vanes of the low pressure section and whose seventh stage stator vanes 11b are the adjustable inlet vanes of the high pressure section.
Each vane 11a has at each end a journal 15, the outer journal being housed in a bushing arranged in the compressor casing 10a and the inner journal being housed in a bushing fitted in a front annular bearing casing 16 carried inside of the casing 10a by the intake direction vanes 17. Each of the inner journals 15 has a pin-shaped extension 18 projecting inside the casing 16, to which an oscillating arm 19 is attached. .
Each oscillating arm carries an upright pin 20 at its end intended to engage in a notch of a ring 21. The ring 21 is mounted to be able to rotate on the casing 16 and has internal notches at the rate of a notch for each spindle 20 and that, for all the stator vanes 11a It is thus seen that if we rotate the ring 21, the arms 19 will rotate by a certain angle and the vanes 11a will also rotate around their longitudinal axes and modify their pitch.
The following arrangement is adopted for rotating the inner notched ring 21. The outer journal 15 of one of the vanes 11a has a squared extension 22 projecting out of the compressor casing 10a and this extension carries a lever. 23
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which is fixed to it and which is connected by a rod 24 to the piston 25 of a hydraulic cylinder 26. The telescoping of the cylinder 26 rotates the lever 23 to turn the vane 11a which carries it and this rotation is transmitted to the ring 21 via the associated arm 19.
Each vane 11b is mounted to rotate around its longitudinal axis by virtue of its mounting on the casing 10a via a journal located at its outer end. Each journal 27 carries an arm 28 which is fixed thereto and which is engaged by its free end with a ring with internal notches 29 mounted so as to be able to turn in a flange 30 comprising an internal recess and belonging to the casing 10a. arm 28 has a rear extension 31 which is connected by rod 32 to piston 33 of a hydraulic cylinder 34. Telescoping of cylinder 34 rotates lever 28 31 through a certain angle which causes ring 29 to rotate relative to the casing 10a, which causes the other arms 28 to rotate, which finally causes the vanes 11b to rotate around their longitudinal axes and to modify their pitch.
Referring more particularly to FIGS. 1, 4 and 5, the device for controlling the pitch is such that if the speed of the compressor is less than a predetermined value, the pitch of the blades 11a and 11b is adjusted by the jacks 26, 34 respectively so that they occupy the positions indicated by the chain lines, while for normal operation at the predetermined speed mentioned above, the vanes occupy the position indicated in solid lines. The direction of rotation of the rotor is indicated by arrow 35.
The controller comprises a centrifugal governor 36 driven by a suitable transmission 37 from the shaft 14. The governor carries a contact arm 38 and the arrangement is such that when the predetermined speed of the compressor is reached the electrical circuit 39 is closed by the contact arm 38 which joins a fixed contact 40, as a result of which the current is
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launched into the solenoid 41. The solenoid controls a round spool 42 which controls the flow of liquid in a hydraulic circuit located between the pump 43 and the jacks 26, 34.
The pump 43 sucks liquid from the reservoir 44 and when the solenoid 41 receives current, the pressurized fluid is sent to the jacks through the pipe 45, which keeps the levers 23, 31 in their positions shown in solid lines (fig. . 1) which correspond to the positions in solid lines of the vanes 11a llb (fig. 4 and 5), while when the solenoid is deprived of current, the pipes 46, leading to the opposite ends of the cylinders 26,34, receive the liquid under pressure and the levers 23, 31 will occupy the positions indicated in a chain. A spring 47 is provided to bias the round spool 42 to the right in the drawings when the solenoid 41 is deprived of current.
It can be seen that for speeds less than the predetermined speed, the intake vanes 11a are adjusted to increase the deflection due to them in the direction of rotation of the blades of the rotor 12, while the intake vanes 11b towards the second section are adjusted to occupy a position where the deflection due to them in the direction of rotation of the blades of the rotor 12 is reduced.
This arrangement ensures that wading of the rotor blades at low rotational speeds of the rotor does not occur.
The predetermined rate at which the regulation of the vanes 11a 11b occurs corresponds to a given increase in the pressure between the inlet of the compressor 13 and the discharge port of the compressor and this fact is used in an alternative controller. regulator 36.
Referring to fig. 6, the centrifugal regulator is replaced by a pressure sensitive regulator which comprises two pressure sensitive capsules, a capsule 50 enclosed in a chamber 51 in communication with the inlet of the compressor and
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a capsule 52 enclosed in a chamber 53 in communication with the discharge port of the compressor. The capsules act on a pivoting rocker 54, the pivot 55 of which is closer to the end of the rocker connected to the capsule 52 than to the other end.
Assuming that the capsules have equal active surfaces, the balance will tilt to close the circuit 39 by means of the contact 56 which will join the contact 40, when the ratio of the inlet pressure to the discharge pressure becomes greater than the ratio from the short arm to the long arm of the pendulum. The closing of the contacts 40, 56 controls the adjustment of the pitch of the blades 11a 11b in the manner described with reference to FIGS. 1, 4 and 5.
The invention is not limited to the constructions described above. The compressor can be divided into more than two sections provided with a first row of stator vanes with adjustable pitch; the higher the set-up speed and the compression ratio of the compressor, the greater the change in pitch necessary to improve efficiency at low speeds. For example, a compressor set up to run at high speed may have adjustable rows of stator vanes at the intake stage, second stage, seventh stage, and tenth stage, the first two having their pitch increased at low speed. speed and the last two having their step decreased.
In addition, instead of providing two positions only for. stator vanes, it is possible to ensure that these occupy more than two positions or that they are controlled by a follower mechanism located between the regulator and the vanes, so that the pitch of the latter is modified according to machine speed between predetermined speed limits.