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PERFECTIONNEMENTS APPORTES AUX COMPRESSEURS ROTATIFS.
La présente invention est relative à des compresseurs à gaz rotatifs du genre aérodynamique (pour les distinguer de ceux à refoulement positif) et qui comportent un étage centrifuge.
Elle a pour but, surtout,de rendre ces compresseurs tels qu' ils permettent d'obtenir un accroissement important de leur capacité volu- métrique ou de leur "débit massique" par rapport à leur encombrement et à leur poids.
Plus spécialement pour des compresseurs, destinés à faire par- tie de machines avec turbines à gaz pour des avions,il est particulièrement important d'obtenir un débit massique aussi élevé que possible par.unité de surface frontale afin que la machine, pour une consommation spécifique don- née en combustible, puisse avoir un rapport puissance/poids le plus élevé possible.
Le débit massique, dans u compresseur aérodynamique, dépend (exception faite de la densité de l'air) de la vitesse axiale du fluide aspiré par le passage d'admission annulaire et de la surface de celui-ci.
Un débit massique élevé peut, jusqu'à un certain point, être obtenu en ren- dant cette vitesse axiale et la surface de ce passage aussi grandes que pos- sible mais une limite supérieure pour l'accroissement de ces deux grandeurs est imposée quand la vitesse du fluide aspiré, aux extrémités des aubes tour- nantes de la roue du compresseur, s'approche de la vitesse locale du son.
Il a déjà été proposé par le demandeur d'augmenter davantage le débit massique d'un compresseur centrifuge, sans dépasser le nombre de Mach le plus élevé qui puisse être toléré pour ce qui est de la roue du compres- seur, en ayant recours à des ailettes de guidage fixes agencées de manière telle que le fluide, avant de passer entre les aubes de la roue, soit ani- mé d'un mouvement tourbillonnaire dans le sens de rotation de la roue, cet effet étant désigné par "pré-tourbillon Toutefois, malgré qu'on puisse obtenir ainsi un accroissement substantiel du débit massique, il se présen-
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te l'inconvénient que l'intervention d'un tel pré-tourbillon donne lieu à une diminution de la capacité de travail du compresseur.
La présente invention est surtout basée sur la constatation que, lorsque le fluide est animé d'un pré-tourbillon par des aubes qui tournent à une vitesse inférieure à celle de la roue centrifuge, on obtient l'avanta- ge que la réduction inévitable de la capacité de travail est notablement moin- dre pour la raison qu'avec des aubes tournantes le pré-tourbillon est pro- duit en fournissant de l'énergie au fluide.
Dans le brevet Grande-Bretagne N 579.780 on propose de faire comporter à un compresseur centrifuge ou axial un jeu d'ailettes de guida- ge fournissant du fluide au rotor ou à la roue, des moyens étant prévus pour entraîner ces ailettes dans le même sens que le rotor ou la roue mais à une vitesse moindre. Cette proposition implique nécessairement que l'on impose au fluide un pré-tourbillonnement à l'aide d'ailettes tournantes mais il semble qu'on n'a pas réalisé que, pour obtenir le meilleur avantage,le mode d'écoulement du fluide, animé d'un pré-tourbillonnement et avant que ce flui- de n'entre dans les canaux ou passages de la roue, devrait correspondre étroi- tement aux conditions d'un écoulement tourbillonnaire libre.
Contrairement à ce qui est dit dans ce brevet antérieur, la pré- sente invention a pour objet un compresseur à gaz rotatif qui comprend un étage centrifuge avec un passage d'admission sensiblement annulaire et, en plus, un rotor à aubes coaxial pour soumettre le fluide actif à un pré-tour- billonnement dans ledit passage, caractérisé par le fait que le rotor, pour produire le pré-tourbillon, est entraîné à une vitesse angulaire substantiel- lement moindre que le rotor centrifuge, l'agencement des aubes, pour le pré- tourbillon, et du passage d'admission (en ce qui concerne sa configuration et sa longueur entre le rotor pour le pré-tourbillon et l'entrée de la roue centrifuge) étant tel que les conditions d'écoulement du fluide, avant son entrée dans les canaux ou passages de la roue centrifuge, soient approxi- mativement celles d'un tourbillon libre,
les dimensions et prof ils des canaux de la roue centrifuge, à leur entrée, étant tels qu'ils correspondent aérody- namiquement (pour les conditions constructives ou la gamme de ces conditions à envisager) à un écoulement tel du fluide à son entrée dans ces canaux que cette entrée ait lieu sans chocs.
De préférence on donne au diamètre moyen des aubes de décharge du rotor,pour le pré-tourbillon, une valeur plus grande qu'à celui de l'en- trée de la roue centrifuge, le passage d'admission, adjoint à cette roue, étant convergent vers l'axe de rotation commun en ce sens que le diamètre moyen du passage d'admission diminue progressivement vers l'aval.
De préférence, également, on rend le passage d'admission diver- gent vers l'aval, par exemple entre ses parois externe et interne, malgré qu' il forme, néanmoins, un passage convergent pour le gaz (à cause de la dimi- nution progressive du diamètre moyen vers l'aval).
On pourra avantageusement agencer les aubes pour le pré-tourbil- lon et le passage d'admission (en ce qui concerne leur configuration et leur longueur entre le rotor, pour le pré-tourbillon et l'entrée de la roue cen- trifuge) que (pour les conditions constructives ou la gamme des conditions constructives envisagées) la vitesse tourbillonnaire du fluide, quand il est sur le point de pénétrer dans les canaux de la roue centrifuge, soit appro- ximativement égale, pour le diamètre interne de ces canaux, à la vitesse an- gulaire de la roue pour ce diamètre.
On désigne par l'expression "écoulement tourbillonnaire libre" un écoulement en tourbillon pour lequel la vitesse tourbillonnaire varie en raison inverse du rayon alors que l'expression "écoulement tourbillonnaire forcé" se réfère à tout genre de tourbillon autre qu'un écoulement tourbil- lonnaire libre.
Les dessins ci-annexés, montrent, à titre d'exemple, certains mo= des de réalisation de l'invention.
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La fig. 1 montre, en coupe axiale, un compresseur centrifuge avec admission unilatérale propre à faire partie d'une machine avec turbine à gaz pour la propulsion d'un avion par réaction.
La fige 2 montre,en coupe schématique, une partie d'une varian- te.
La fige 3 montre le schéma d'une machine avec turbine à gaz com- portant un compresseur établi selon l'invention.
@ Le compresseur centrifuge, avec admission unilatérale, tel que montré sur la fige 1, comprend une roue centrifuge 1 montée sur un arbre 2 qui, pour l'exemple montré, est supposé être entraîné par une turbine à gaz qui est alimentée en air comprimé par le compresseur et qui est actionnée thermiquement par la combustion d'un combustible,les gaz chauds,ainsi ob- tenus, se détendant dans la turbine.
En amont de la roue 1 et coaxialement par rapport à celle-ci est établi un rotor 3 portant une couronne unique d'aubes 4 pour soumettre le fluide admis à un pré-tourbillon Le rotor 3 tour- ne dans le même sens mais à une vitesse moindre que la roue 1 en étant en- trainé par un train réducteur 5 actionné par un arbre 6 claveté sur-l'ex- trémité avant de l'arbre 20
L'air pénètre dans le passage d'admission annulaire 7 dans le- quel sont logées plusieurs entretoises 8 qui supportent le train réducteur 5 et cet air passe ensuite entre les aubes 4 pour être animé d'un pré-tour- billonnement avant d'être déchargé dans le passage d'admission 9 aboutissant à la roue centrifuge 1.
Pour éviter que le passage 9 soit obstrué par des entretoises pour supporter une paroi fixe 10, on fixe celle-ci au moyeu du rotor 3 de sorte qu'elle tourne avec lui. On peut également monter la paroi 10 de manière telle qu'elle puisse tourner librement et indépendamment de la roue 1 et du rotor E3 Dans l'un ou l'autre cas, la rotation de la paroi 10 sert également à-réduire 1' effet du frottement superficiel du fluide qui traverse le passage 9.
Pour augmenter l'efficacité des aubes pour le pré-tourbillon et pour maintenir la vitesse du rotor 3 aussi basse que possible, il est désira- ble, comme montré, que le diamètre moyen des aubes 4 soit plus grand que ce- lui de l'entrée de la roue 1 Ceci implique que le passage 9 soit convergent vers l'axe de rotation commun de la roue 1 et du rotor 3. Bien que le pas- sage 9 soit divergent, par exemple entre ses parois interne et externe,il constitue néanmoins (pour la raison que son diamètre moyen diminue vers 1' aval) un passage convergent dans lequel le fluide pré-tourbillonnant est ac- céléré .
Les conditions d'écoulement du fluide, avant qu'il pénètre dans les canaux de la roue 1, correspondent approximativement à celles d'un tour- billon libre. Pour obtenir ce résultat il est préférable d'utiliser des au- bes 4, pour le pré-tourbillon, dont les angles d'entrée et/ou de sortie ef- fectifs varient progressivement pour des rayons croissants, le long des au- bes (c'est-à-dire que celles-ci sont tordues) afin que ces aubes provoquent l'écoulement tourbillonnaire libre du fluide qui passe entre elles.
Suivant une variante on peut donner à la torsion des aubes 4 une valeur insuffisan- te pour obtenir un écoulement en tourbillon libre du fluide mais dans ce cas on agence le passage d'entrée 9 de manière telle (en ce qui concerne sa configuration et sa longueur entre les aubes 4 et l'entrée de la roue 1) que, lorsque le fluide tourbillonnant a atteint l'entrée de la roue, le tourbillon forcé produit par les aubes 4 à cause des effets de la couche limite et de la viscosité, se soit transformé naturellement .en écoulement tourbillonnaire libre.
Théoriquement on pourrait utiliser des aubes 4 qui ne soient nul- lement tordues et on pourrait se baser uniquement sur la longueur et la con- figuration du passage 9 pour obtenir la formation naturelle d'un écoulement tourbillonnaire libre. Mais comme ceci nécessiterait l'intervention d'un.pas- sage 9 notablement plus long que celui montré sur les dessins, cette dispo- sition serait probablement trop encombrante pour être pratique, excepté peut-
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être dans le cas d'une disposition analogue à celle de la fig. 2 et qui sera décrite ci-après.
Les aubes de la roue 1 sont recourbées en la. de la manière connue afin que l'on obtienne, en substance, une entrée sans chocs du fluide. Pour obtenir cette condition il est avantageux que la vitesse périphérique locale du fluide, quand il est sur le point de pénétrer dans les canaux de la roue 1, soit approximativement égale, pour le diamètre intérieur de l'entrée, à la vitesse angulaire de la roue pour ce diamètre. Dans ce cas et comme mon- tré sur la fige 1 les parties des aubes, radialement les plus voisines de l'axe de la roue 1, n'ont pas besoin d'être courbées.
Pour un ensemble, analogue à celui de la fig. l, il est probable- ment suffisant que le rotor 3 tourne à une vitesse égale à environ le tiers de la vitesse angulaire de la roue 1, bien que ceci dépende évidemment des conditions constructives à satisfaire dans chaque cas particulier.
La figure 2 montre les parties essentielles d'une variante pour laquelle on se sert, pour créer le pré-tourbillon, d'aubes 4 qui ne sont pas tordues et selon laquelle on se base uniquement sur la configuration et la longueur du passage 9, en aval, pour obtenir le tourbillon libre. Sur la fig. 2 le passage d'admission annulaire 9 est courbé doucement depuis la di- rection radiale vers la direction axiale.
L'aubage 4 pour le pré-tourbillon faisant partie du rotor 3, s'étend en travers de l'entrée du passage 9 et comporte des aubes ayant une section constante sur toute leur envergure (c'est à dire que les aubes sont telles qu'elles produisent des composantes constantes de la vitesse de tourbillonnement suivant leur longueur). Il est à noter que le fluide pénètre dans l'aubage 4 suivant une direction radiale, orientée vers l'intérieur,
et que le fluide tourbillonnant sortant de l'au- bage 4 s'écoule dans une direction générale qui a été modifiée depuis cette direction radiale et orientée vers l'intérieur jusqu'à devenir axiale de sorte qu'on obtient naturellement un écoulement tourbillonnaire libre pour la raison qu'au cours de cette modification de direction les particules du fluide sont obligées de se déplacer selon des rayons différents. L'effet est analogue à celui obtenu à l'aide des aubes fixes à pré-tourbillonnement, bien connues, dont il est question dans le brevet Belgique 464.036. Pour éviter les difficultés de montage de la paroi 10 du passage 9 on agence cette paroi de manière telle qu'elle fasse partie du rotor 3 et tourne avec lui.
Le rotor pour le pré-tourbillon, au lieu d'être entrainé par 1 arbre de la roue du compresseur à l'aide d'un train réducteur, pourrait être actionné, dans le cas d'une machine avec turbine à gaz, par une turbine dif- férente de celle qui entraine la roue centrifuge. Un exemple est montré sché- matiquement sur la fig. 3 et pour lequel la machine avec turbine à gaz com- prend un compresseur centrifuge 11 qui fournit de l'air à un dispositif pro- ducteur de chaleur 12 débitant des gaz chauds qui se détendent dans une tur- bine 13 entrainant le compresseur 11. Ce dernier comporte un rotor de pré-tour- billonnement 14 qui est actionné par une petite turbine 15, formant une tur- bine à basse pression.
Pour une installation de ce genre, il est nécessaire de maintenir une relation de vitesse convenable entre la roue centrifuge et le rotor 14.
L'invention a été décrite principalement en ce qui concerne son application à un compresseur centrifuge à u étage et avec une entrée unila- térale mais elle n'est, bien entendu, pas limitée à cet usage. Elle peut, par exemple, être appliquée à un compresseur centrifuge à un étage et avec des entrées bilatérales ou à des compresseurs centrifuges à plusieurs étages.
L'invention est également applicable à des combinaisons de com- presseurs axiaux et centrifuges et dans ce cas le dernier groupe d'aubes tour- nantes du compresseur axial peut être construit et agencé de manière à pou- voir produire un pré-tourbillon du fluide quand celui-ci est sur le point de pénétrer dans un étage centrifuge plus en aval.
Toutefois, on admet, jusqu'ici, que l'objet de l'invention pro- . cure le plus grand avantage quand il est appliqué à un compresseur centrifu-
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ge à étage unique avec entrée unilatérale, plus spécialement quand celui-ci fait partie d'un turbo-réacteur simple. Pour une machine de ce genre on esti- me que l'invention permet d'obtenir un accroissement très considérable du dé- bit massique, accroissement qui peut être de l'ordre de 60% ou davantage, pour une roue ayant un diamètre et une vitesse périphérique donnés.
De plus, le rendement du compresseur serait amélioré non seulement à. cause d'une aug- mentation très grande du débit massique par rapport à ses dimensions mais également pour la raison que l'on pourra probablement construire la roue cen- trifuge de manière telle qu'un plus. grand nombre des aubes de cette roue puissent être usinées à partir d'une pièce forgée massive. Ceci, à son tour, aurait pour effet de réduire la charge des aubes. L'accroissement attendu du nombre des aubes de la roue qui pourraient être usinées résulte du fait que la présente invention permettrait de donner au diamètre intérieur de 1' entrée de la roue centrifuge une valeur notablement plus grande qu'il n'était possible jusqu'à présent.
Probablement aussi la présente invention permettrait d'utiliser une roue centrifuge ayant une rigidité structurelle notablement améliorée.
REVENDICATIONS
1 Un compresseur à gaz -rotatifqui comprend un étage centri- fuge avec un passage d'admission, sensiblement annulaire et, en plus, un ro- tor à aubes coaxial pour soumettre le fluide actif à un pré-tourbillonnement dans ledit passage, caractérisé par le fait que le rotor;
pour produire le pré-tourbillon, est entrainé à une vitesse angulaire substantiellement moin- dre que le rotor centrifuge, l'agencement des aubes, pour le pré-tourbillon, et du passage d'admission (en ce qui concerne sa configuration et sa lon- gueur entre le rotor pour le pré-tourbillon et l'entrée de la roue centri- fuge) étant tel que les conditions d'écoulement du fluide, avant son entrée dans les canaux ou passages de la roue centrifuge, soient approximativement celles d'un tourbillon libre, les dimensions et profils des canaux de la roue centrifuge, à leur entrée, étant tels qu'ils correspondent aérodynamique- ment (pour les conditions constructives ou la gamme de ces conditions à en- visager) à un écoulement tel du fluide à son entrée dans ces canaux que cette entrée ait lieu sans chocs.