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Perfectionnements apportés aux installations comprenant des compresseurs volumétriques et à plusieurs étages, pour des fluides élastiques.
La présente invention est relative à des instal- lations comprenant des compresseurs de fluides élastiques du ty pe volumétrique ou dynamique et qui sont distincts de ceux du type à refoulement positif, tels que les compresseurs axiaux rotatifs et centrifuges; et elle concerne, plus spécialement, ceux qui fonctionnent à plusieurs étages et pour lesquels un re froidissement est prévu entre les étages.
Il est bien connu que les compresseurs volumé- triques , quand ils fonctionnent dans certaines conditions pour le débit réel du fluide et pour le taux de compression, sont
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exposés à la production d'un phénomène connu sous le nom de "pompage" pour lequel l'écoulement du fluide, normalement à direction unique, devient instable et de- vient oscillant.
La condition limite, entre le fonctionnement sta= ble et le fonctionnement instable, peut être définie, quand on représente graphiquement les caractéristiques d'un compresseur volumétrique, par une combe dénommée ligne de pompage. Un exemple typique d'une telle carac- téristique est montrée sur la fig. 1 des dessins ci- annexés, qui montre schématiquement, les points corres- pondants des taux de compression R (coordonnées) et des débits réels M (en abscisses) pour le fluide qui tra- verse le compresseur. La ligne S, marquée en traits pleins, est la courbe de pompage. Toutes les conditions, qui se trouvent à droite de cette courbe, correspondent à un fonctionnement stable et celles, qui se trouvent à gauche, à un fonctionnement instable.
Il est désirable que le compresseur, quand il fait partie d'une machine thermique ou de toute autre installation, fonctionne à proximité de cette courbe avec un écoulement inhérent qui soit stable. Un tel fonctionnement est montré sur la @ Par fig. 1 la courbe 0, en traits interrompus, et qui reste dans la zone du fonctionnement stable entre des limites très écartées pour le débit réel du fluide ou la charge du compresseur.
Il est toutefois impraticable, simplement par un agencement approprié des organes compresseurs, d'obtenir que la machine fonctionne selon cette courbe de fonc- tionnement désirable. En réalité seul un point de cette courbe peut être visé pour le calcul du compresseur.
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La courbe de fonctionnement finale dépend des condi- tions qui se présentent pour l'ensemble de l'installa- tion et de la souplesse avec laquelle le compresseur s'adapte, de lui-même, aux variations de ces condition-0 Cette dernière caractéristique est affectée par la for- me structurelle effective de la machine. Par exemple, un compresseur rotatif à étages multiples, pour lequel toutes les roues sont montées sur un arbre unique, a une souplesse bien moindre, à ce sujet, qu'un com- presseur similaire dont les roues sont montées sur des arbres indépendants, bien que constitution de ce der- nier soit, évidemment, plus compliquée.
Ainsi, cer- tains compresseurs volumétriques, tout en ayant à part cela des caractéristiques avantageuses, peuvent avoir une courbe de fonctionnement relativement mauvaise, quand la machine fait partie d'une installation. Un exemple typique de ce cas est montré par la courbe 01 montrée en traits interrompus sur la fig. 1. On voit que cette courbe coupe obliquement celle de pompage de sorte que le compresseur ne fonctionne, d'une manière stable, que dans une zone relativement limitée du dé- bit réel ou de la charge. Une telle courbe de fonction nement est typique , par exemple, pour un compresseur rotatif à plusieurs étages et pour lequel toutes les roues sont fixées sur un même arbre, comme cela se produit généralement dans les installations motrices avec turbine à gaz. Ceci est la cause principale pour laquelle l'usage de ce type de machines est limité.
De plus, quand un compresseur du genre en ques- tion comprend des moyens pour refroidir la fluide aux étages intermédiaires de la compression, ainsi que cela est généralement désirable pour obtenir un rendement
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optimum, sa caractéristique tend à être affectée davan- tage d'une manière défavorable et il arrive que l'on obtienne une courbe de fonctionnement du type 02, mon- trée en traits interrompus sur la fig. 1. Cette ligne coupe In courbe de pompage en faisant un angle plus prononcé avec elle que la courbe 01 et la zone des char ges pour lesquelles le compresseur fonctionne d'une manière stable est restreinte davan-e.
Il est à noter que le point d'intersection A des différentes courbes de fonctionnement 0, 01 et 02 de la fige 1 correspond à des conditions envisagées pour une charge complète et qu'il est commun aux différents compresseurs. De même, dans le cas d'un compresseur avec refroidissement entre les étages, le réfrigérateur est constitué normalement de manière qu'il se produise un abaissement suffisant de la tem- pérature du fluide débité dans des conditions de plei- ne charge pour que cette température soit ramenée à sa valeur à l'entrée afin que le fonctionnement soit assi- milable à une compression isothermique.
Le réfrigérateur, en plus de l'abaissement de la température du fluide, augmente la densité de celui-ci d'une quantité correspondante, c'est à dire que la den- sité varie en raison inverse de la température et le ou les étages suivants du compresseur sont calculés de manière que leur capacité corresponde à la nouvelle densité du fluide.
Quand un compresseur volumétrique fonctionne avec des charges partielles, on obtient en plus de la débit -réduction du/réel du fluide, une diminution du taux de mmpression et, par conséquent, du rapport de la température du fluide comprimé à celle du fluide non- comprimé, comparativement à leurs valeurs à pleine
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les charge. Le réfrigérateur, établi entre /étages, doit donc seulement produire, dans ces conditions, une va- riation réduite de la température afin de ramener le fluide à sa température initiale. Le rapport de la den- sité du fluide refroidi à celle du fluide non-refroidi est diminué comparativement à ce rapport à pleine char- ge.
L'effet de cette réduction du rapport des den- sités avec la diminution de la charge modifie le rap- port des vitesses de l'écoulement du fluide dans le compresseur en l'écartant de la valeur calculée ou pré- vue ce qui explique l'étendue limitée de la zone de sta bilité et la tendance au pompage d'un tel compresseur.
L'invention est basée sur la conception si une réduction de la charge pouvait être accompagnée d'un accroissement du rapport de la densité du fluide refroidi à celle du fluide non-refroidi, qu'on pourrait éviter. cette limitation de la zone de stabilité, qui existe normalement pour des compresseurs refroidis en- tre les étages et ou.1 on pourrait même améliorer la zone de stabilité pour des charges variables dans le cas d'un compresseur non-refroidi ( comme montré,par exem- ple, par la courbe 03 sur la fig.1).
L'invention a donc pour objet une installation comprenant un compresseur volumétrique et à étages mul- tiples et pour des fluides élastiques, avec des moyens pour refroidir le fluide entre des étages successifs et pour laquelle on fait varier le degré de refroidis- sement pour des charges variables du compresseur et dans des conditions telles que le rapport des densités du fluide respectivement après et avant le refroidisse- ment soit augmenté quand la charge du compresseur di- minue et soit diminué quand la charge ducompresseur augmente.
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En général l'effet voulu est que le refroidisse- ment entre les étages devienne progressivement de moins en moins efficace quand la charge du compresseur augmente
Dans un/compresseur normalement refroidi, la tem- pérature du fluide à l'entrée du compresseur et à la sortie de celui-ci est sensiblement constante pour toute charge et est, avantageusement, égale à la température atmosphérique. Par contre, dans un compresseur établi selon l'invention, si la température devenait voisine de celle de l'ambiance à pleine charge, le réfrigérateur serait tel qu'il refroidirait le fluide à des tempéra- tures inférieures à la température ambiante pour des charges partielles.
Pour éviter cet expédient indésira- ble, on peut agencer le compresseur de manière que son fonctionnement soit tel que la température du fluide,à la sortie du réfrigérateur, soit approximativement égale à celle de l'ambiance pour la charge la plus faible pour laquelle il doit pouvoir fonctionner et qu'elle aug mente de plus en plus pour des charges qui vont progres- sivement en croissant.
Par conséquent, en tel compresseur, qui fonction- ne à pleine charge avec un refroidissement, entre les étages, jusqu'à une température considérable ne nt au dessus de la température atmosphérique, aurait un rende- ment moindre qu'un compresseur comparable pour lequel le refroidissement entre les étages serait moindre. Le rendement est donc sacrifié pour la stabilité.
Toutefois, les calculs basés sur les conceptions indiquées plus haut et quand ils concernent deux ins- tallations motrices comparables, avec turbines à gaz, l'une de ces installations ayant un compresseur refroidi entre les étages et conformément à l'invention et l'au- tre un compresseur normalement refroidi, ont montré que
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le rendement spécifique de la première installation est seulement de 11% en moins, à pleine charge, que le rende ment correspondant du dernier mais que l'on obtient une stabilité complète jusqu'à 30% de la charge totale dans le premier cas alors que dans le deuxième cas la stabili té n'est obtenue que jusqu'à 70% de cette charge.
Les dessins ci-annexés montrent, à titre d'exem- ple, l'application de l'invention à un compresseur rota- tif et axial pour de l'air, ce compresseur comprenant deux étages avec des aubages à rangées multiples et mon- tés en tandem sur un arbre unique, cette machine faisant partie d'une installation motrice avec turbine à gaz.
Les figs. 2 à 9 de ces dessins, montrent, schéma- tiquement, les effets comparatifs du refroidissement, en tre les étages et à des degrés variables, sur les carac- téristiques de la machine.
Les figs. 10 et 11 montrent, schématiquement, des réalisations pratiques pour la mise en oeuvre de l'in- vention.
Les figs. 2, 3 et 4 montrent des comparaisons gra phiques, des rapports de la densité de l'air comprimé à celle de l'air non comprimé (ordonnées A) à des distan- ces axiales différentes (abscisses L) pour chacun des trois compresseurs dans lesquels les conditions de re- froidissement entre étages sont différentes. L'origine correspond, dans chaque cas, à l'admission du compresseur où ce rapport des densités est égal à un.
Les figs. 5, 6 et 7 montrent des comparaisons graphiques de la vitesse axiale de l'air (ordonnées V) à des distances axiales correspondantes-(abscisses L)- dans chacun de ces trois compresseurs.
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Les figs. 8 et 9 montrent des comparaisons gra- phiques des caractéristiques respectives des étages à basse et à haute pression de ces compresseurs et elles montrent le taux de compression de ratage (ordonnées R) par rapport au débit réel (abscisses M).
On voit sur la fig. 2 l'effet du fonctionnement d'un compresseur non-refroidi et à charge partielle à une vitesse du rotor qui est inférieure à celle en- visagée, les rapports des densités de l'air pour tout le compresseur à pleine charge et à une charge par- tielle arbitraire étant respectivement représentés par la ligne F en traits pleins et par la ligne P en trait interrompus. Comme, pour une charge partielle, les rapports de la pression de l'air comprimé à celle de l'air non comprimé diminuent progressivement, dans tout le compresseur, depuis leurs valeurs à pleine charge, les rapports des densités de l'air diminuent graduellement et d'une manière similaire de sorte que la vitesse axiale de l'air, dans le compresseur, varie par suite de la réduction de la charge.
Une variation de la vitesse axiale pour une charge partielle n'est pas tout à fait indésirable car, quand les aubes du rotor tournent à une vitesse réduite, la vitesse axia- le de l'air devrait être diminuée en proportion pour conserver l'écoulement aérodynamique correct entre les aubes. La variation effective qui se produit ne donne pas ce résultat et est, par conséquent, indési- rable et peut donner lieu à un pompage.
Cet effet est montré sur la fig. 5 sur laquelle la ligne F, en traits pleins, représente la vitesse axiale de l'air par une conditionne calcul à pleine charge alors que la ligne D, en traits interrompus, correspond à la
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vitesse axiale de l'air qui est nécessaire pour que l'on conserve , pour une charge partielle arbitraire, de pair avec la vitesse réduite des aubes du rotor, un écouleras nt aérodynamique correct alors que la li- .¯;ne P, en traits interrompus, représente la vitesse axiale de l'air qui se produit effectivement pour une charge partielle. On voit que l'inclinaison de la courbe relative à la vitesse de l'air dans le compresseur est plus importante, pour une charge par- tielle, que désirable.
Dans le cas d'un compresseur similaire avec re- froidissement normal entre les étages (jusqu'à une température sensiblement constante pour toutes les charges) l'effet de ce refroidissement sur les rap- ports de la densité de l'air et sur les vitesses axiales -est montré sur les figs. 3 et 6, respecti- vement, pour lesquelles on représente les courbes des rapports de densités pour une charge totale et pour une charge partielle ainsi que les courbes des vitesses pour la charge totale et pour la charge partielle effectives et voulues, la représentation d ces courbes étant basée sur les mêmes conventions qu. pour les figs. 2 et 5.
Dans ce cas, pendant que l'ai s'écoule par le réfrigérateur, son rapport de densi tés est nettement augmenté mais il est à noter que la variation de ce rapport, produite par le réfrigé- rateur pour une charge partielle, est moindre que celle obtenue pour une charge totale à cause de la réduction plus faible de la température qui se pro- duit pour des charges partielles avec un refroidisse ment normal, comme décrit plus haut. Pour la fig. 6 on admet que le compresseur est constitué de manière
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telle que, pour la charge totale, la vitesse axiale de l'air, à la sortie de l'étage de basse pression est la même que celle qui se produit à l'entrée de l'étage à haute pression.
La courbe des vitesses F, pour la pleine charge, est donc uneligne continue et il en est de même en ce qui concerne la courbe des vitesses D, nécessaire. pour obtenir un écoulement aérodynamique correct pour une charge partielle, cette courbe étant également une ligne co ntinue.
L'effet du refroidissement normal entre les étages sur l'air pour une charge partielle, et qui résulte de la variation réduite du rapport de la densité de l'air ainsi obtenue, est d'accélérer cet air entre les étages du compresseur. Il en résulte que la cour be de la vitesse axiale effective P de l'air s'é- carte de celle D que l'on désire obtenir et cela à un degré plus important que dans le cas du compres- seur non refroidi.
Si le compresseur est considéré comme étant re- froidi entre les étages, conformément à l'invention, mais est, à part cela, analogue à ceux préala- blement considérés, on obtient des courbes comme celles des figs. 4 et 7 pour les conditions corres- pondantes à celles des courbes des figs. 2, 3 et 5, 6 (les mêmes conventions étant appliquées pour les diverses conditions). On voit, sur la fig. 4, qu l'effet de ce refroidissement, pour la charge par- tielle, provoque dans ce cas un accroissement plus élevé du rapport des densités de l'air que pour la pleine charge.
Sur la fig. 7, on admet à nouveau que les vitesses axiales de l'air à la sortie de l'étage à basse pression et à l'entrée de l'étage à haute
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pression sont sensiblement les mêmes et que les cour bes de pleine charge et de la charge partielle dési- rée sont des lignes continues. L'effet du refroidis sèment entre étages pour la charge partielle est dû, dan. ce cas, à l'accroissement du rapport des dén- sités qui est plus grand pour la charge partielle que pour la charge totale, ce qui provoque un ralen- tissement de l'air entre les étages du compresseur de sorte que la courbe de la vitesse axiale de l'air P se rapproche davantage de la courbe désirée D que pour chacun des cas précédents.
Les courbes caractéristiques du fonctionnement (pour le mode de réalisation auquel se réfère la fig.l) et qui correspondent au cycle des trois com- presseurs considérés ci-dessu s, quand ces machines font partie d'une installation motrice avec turbine à gaz et qui correspondent respectivement aux étages à basse et à haute pression, sont comparées sur les figs.,8 et 9. Sur la fig. 8, la ligne U représente la courbe de fonctionnement du compresseur non re- froidi par rapport à la courbe de pompage S alors que la courbe N est celle d'un compresseur normale- ment refroidi. La ligne VI représente la courbe de fonctionnement d'un compresseur ayant un refroidis- sement variable entre les étages, conformément à l'invention .
Les lignes V2 et V3 représentent d'au- tres courbes de fonctionnement qui peuvent être ob- tenues en choisissant les degrés de variation entre le refroidissement et la chscge autres que ceux cor- respondants à VI, lors du calcul de la machine. La ligne E représente la manière dont les courbes de fonctionnement VI, V2 et V3 seraient prolongées aprè:
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avoir atteint la température la plus basse convena- ble à laquelle le refroidissement entre les étages peut être effectué et quand la charge du compresseur est minimum, c'est à dire dans le cas normal, la ligne correspondant à la température atmosphérique.
La caractéristique, pour l'étage à haute pressi... est sensiblement identique pour chaque cycle et est montrée sur la fig. 9 comme étant une courbe unique pour laquelle le point H correspond à la condition de rendement admis lors du calcul du compresseur.
Les calculs, dont question plus haut, ont été effectués pour un compresseur rotatif et axial à deux étages et à arbre unique et la température finale de l'air, à la sortie du réfrigérant, a été considérée comme étant de 300 K. à pleine charge, cette tem- pérature pouvant s'abaisser jusque 2930K à 30% de la charge totale.
Pour la mise en oeuvre pratique de l'invention, on admet que l'efficacité du réfrigérateur peut êtr: modifiée à l'aide d'une commande qui est agencée de manière que la vitesse d'écoulement du réfrigérant à travers cet appareil dépende de la charge du com- presseur. Cette commande doit répondre à des modi- fications de variables dépendantes et qui sont des fonctions de la charge du compresseur, par exemple, la vitesse angulaire , le débit réel ou la pression de sortie du compresseur vers le réfrigérateur .
Diverses méthodes constructives peuvent être adoptées pour obtenir cette commande. Pour l'exemple montré, schématiquement, sur la fig. 10, le compres- seur comporte un étage à basse pression 1 et un éta-
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ge à haute pression 2 pour lesquels les roues sont montées sur le même arbre 3. Entre ces étages est établi un réfrigérateur 4. Un régulateur centrifu- ge 5 est entrainé par un couple conique 6 depuis l'arbre 3 et peut agir sur une tige 7 qui est reliée au robinet 8 qui commande le débit du réfrigérant dans le réfrigérateur 4. On peut, évidemment, utili- ser n'importe quel genre de régulateur de vitesse et celui-ci peut coopérer avec une servo-commande appropriée, par exemple, électrique, hydraulique ou mécanique, pour agir sur le robinet 8.
Une autre commande est montrée schématiquement sur la fig. 12 pour laquelle les étages du compresseur, le réfrigé râleur et le robinet de commande 8 du réfrigérant sont les mêmes que sur la fig. 10 mais, dans ce cas, ce robinet est actionné par une capsule 9 sensible à la pression et qui est reliée par un tube 10 à la sortie de l'étage à basse pression 1 du compresseur.
Suivant une variante, et pour l'une quelconque des dispositions indiquées plus haut, la commande du ré frigérateur peut être obtenue en agissant sur la p@ pe qui fournit ce réfrigérant au lieu d'actionner le robinet établi dans son conduit d'alimentation.
Bien que l'invention paraisse être tout parti- culièrement avantageuse dans le cas d'un compresseur à plusieurs étages montés sur un axe commun' , elle peut être appliquée tout aussi bien à un appareil compound pour lequel les étages successifs sont montés sur des arbresindépendants car on disposerait ainsi de moyens utilisés comme variantes ou en sup- plément , pour ...édifier les vitesses relatives des
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arbres en vue d'obtenir une caractéristique désira- ble et éviter, ainsi, la production du pompage.
REVENDICATIONS 1. - Une installation comprenant un compresseur vo- lumétrique et à étages multiples et pour des flui- des élastiques, avec des moyens pour refroidir le fluide entre des étages successifs et pour laquelle on fait varier le degré de refroidissement pour des charges variables du compresseur et dans dos condi- tions telles que le rapport des densités du fluide respectivement après et avant le refroidissement soit augmenté quand la charge du compresseur diminue et soit diminué quand la charge du compresseur aug- mente.