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PERFECTIONNEMENTS APPORTES AUX ECHANGEURS 'DE PRESSIONS L'invention est relative à des échangeurs de pressions rotatifs (pour des fluides gazeux) du genre de ceux comprenant au moins un groupe annu- . laire de cellules pour la compression ou la détente de gaz et dans lesquels, au cours du fonctionnement, c'est-à-dire quand il se produit une rotation re- lative entre le groupe de cellules et les parties adjacentes de la machine, certaines cellules contenant du gaz comprimé sont mises en communication avec d'autres cellules (du même groupe ou d'un autre) qui contiennent du gaz à une pression inférieure,
les étages de compression et de détente ainsi obtenus agis- sant de pair avec des étages d'apport et d'évacuation de chaleur qui provoquent l'écoulement des gaz dans les cellules ou hors de celles-ci pour compenser les variations de volume résultant de la modification de 'leur état thermique.,
Pendant qu'une cellule de l'étage de compression est en communica- tion avec une cellule de 1-'étage de détente, il se produit nécessairement un écoulement de gaz (désigné ci-après par "gaz de transfert!!) depuis la cellule, dans laquelle le gaz se détend,, vers la cellule dans laquelle le gaz doit être comprimé,,
Le courant gazeux, produit pour un étage d'apport de chaleur, ne doit, si possible,
pas dépasser celui.nécessaire à l'enlèvement, hors des cel- lules, du gaz en excès qui est produit par l'accroissement de volume résultant du chauffage. De même, le courant gazeux, produit pour un étage d'évacuation de la chaleur ne doit, si possible pas dépasser 1?addition de gaz aux cellu- les pour compenser la diminution de volume résultant du refroidissement.
En pratique, il est avantageux que l'évacuation de la chaleur tout au moins (et si possible également l'apport de chaleur) se fasse à l'extérieur des cellules et, à cet effet.9 il a été proposé que les courants gazeux qui se produisent aux étages dévacuation et d'apport de la chaleur, soient obtenus par le procédé (désigné ci-après.par "balayage") par lequel le contenu de cha- que cellule),qui pénètre dans la zone pour 1-'apport (ou l'évacuation) de la chaleur, est enlevé et remplacé par du gaz qui,, à 1.:
1 extérieur des cellules, a
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été spécialement chauffé (ou refroidi) ou qui, dans chaque cas,provient d'une source de gaz qui est déjà à la température élevée (ou basse) désirée.
Ce procédé pour l'enlèvement et le remplacement du gaz implique l'interven- tion d'un courant contsnu du gaz qui traverse les cellules intéressées.
Les points du cycle de travail, auxquels l'apport et l'évacua- tion de la chaleur ont lieu, dépendent de l'usage auquel la machine est des- tinée. Si l'échangeur de pressions sert à fournir du gaz chaud et à pression élevée, qui doit être détendu par exemple dans une turbine à gaz ou toute autre machine pour fournir du travail mécanique, l'apport de la chaleur se fait à une pression élevée et 1-1 évacuation de la chaleur à une pression ré- duite. Par contre, si l'échangeur de pressions est utilisé comme pompe de chaleur ou machine frigorifique, le contraire se produit, c'est-à-dire que l'apport de chaleur se fait à basse pression et son évacuation à haute pres- sion.
Avantageusement, chaque groupe annulaire de cellules forme un rotor. Quand on se sert de plus d'un de ces rotors, 1-'.ensemble peut être agencé de manière que l'écoulement du gaz de transfert se fasse depuis les cellules de détente d'un rotor vers les cellules de compression de 1-'autre.
Plusieurs échangeurs du genre général en question ont été décrits avec leur fonctionnement détaillé dans le brevet belge n 496.320 déposé le 13 juin 1950 au même nom et sous le titre "Perfectionnements apportés aux échangeurs de pressions".
L'invention a pour but général de réduire les pertes d'énergie qui sont inhérentes à de tels échangeurs de pressions. En particulier, il ar- rive, par suite de la construction même, que le gaz de transfert, en s'écou- lant d'une cellule vers une autre (au besoin par des conduits spéciaux), su- bit nécessairement une certaine détente libre qui ne produit aucun travail utile pour comprimer un gaz dans une cellule de compression, ce qui corres- pond donc à une perte d'énergie, L'invention a pour objet un échangeur de chaleur du genre spé- cifié dans lequel le courant de gaz de transfert traverse des aubages de tur- bines ou analogues de sorte qu'une partie de l'énergie de ce gaz est extraite sous la forme d'un travail mécanique.
Ce travail peut servir à faire tourner le ou les rotors de l'échangeur de pressions ou à aider pour obtenir cette rotation et il peut également être utilisé, si possible, pour fournir de l'é- nergie recueillie sur l'arbre de ce ou de ces rotors.
D'une manière générale, l'invention consiste également en un échangeur de pressions, du genre spécifié, qui comprend au moins un rotor pro- pre à former (au besoin de pair avec la partie non-tournante de la machine) un groupe annulaire de cellules, ledit rotor comportant des aubages de turbi- ne qui, au cours du fonctionnement, reçoivent le gaz de transfert qui s'écou- le depuis les cellules de détente vers les cellules de compression. On a alors recours, de préférence, à un dispositif à aubages fixes agencé de ma- nière telle que ces aubages puissent recueillir le gaz de transfert déchargé par les aubages tournants d'une cellule de détente et puissent guider conve- nablement le gaz recueilli vers les aubages tournants d9une cellule de com- pression du même rotor ou d'un autre.
L'agencement peut être tel que le travail mécanique, fourni par les aubages, soit seulement suffisant pour entraîner le ou les rotors. Il peut également convenir à la fois à l'entraînement du ou des rotors et à la four- niture d'une certaine puissance extérieure à l'aide de l'arbre du ou des ro- tors, la partie restante du travail utile de l'échangeur de pressions étant dépensée pour le débit d'un gaz à haute pression pour un usage extérieur, par exemple dans une turbine à gaz. L'agencement peut être tel que le travail to- tal, fourni par l'échangeur de pressions, soit subdivisé en toute proportion voulue entre la fourniture d'un débit de gaz comprimé pour un usage extérieur et la production de la puissance mécanique pour le gaz de transfert, cette puissance étant recueillie sur l'arbre.
Dans un cas extrême, la totalité du travail utile extérieur peut être obtenue par de la puissance recueillie sur
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l'arbre alors que on ne produit, en substance, pas de gaz comprimé pour l'usa- ge extérieur. Il est toutefois préférable que l'échangeur de pressions four- nisse seulement une énergie mécanique telle qu'elle consomme la chaleur qui, sans cela., serait perdue au cours de l'échange des pressions. Cette énergie peut servir à l'entraînement non seulement du ou des rotors à cellules mais également de certains accessoires tels que des ventilateurs ou compresseurs pour le balayage ou des compresseurs auxiliaires pour fournir le gaz de ba- layage.
On constitue, de préférence, les échangeurs de pressions selon l'invention de manière telle que la communication entre une cellule de com-
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pression et une cellule de détente soit interrompue avant la fin de l'écou- lement du gaz de transfert,,,
Les dessins schématiques ci-annexés montrent,, à titre d'exemples, plusieurs modes de réalisation de l'invention. On a admis, pour tous les ex- emples qui seront décrits, que chaque groupe annulaire de cellules fait par-
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tie d'un rotor a,tcp pu7seu e les cellules étant balayées à la fois pour l'étage d'apport de chaleur et pour' 1?étage d'évacuation de la chaleur.
On. admet également dans ce qui suit que les machines décrites sont destinées à fournir du gaz chaud sous pression.
Les figs. 1 à 7 de ces dessins montrent,, respectivement en coupe
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axiale selon I-I fige 41J en coupe transversale selon II-II fig. z en coupe selon III-III fig. l, en coupe selon IV-IV frigo 1. en coupe selon V-V fige 1, en vue en bout et en coupe selon VII-VII fig. 4, un échangeur de pressions établi selon l'invention.
La fig. 8 montre, en développement dans un plan circonférentiel,
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une partie de 1?appareil de la fig, 1.
La fig. 9 montre un diagramme des vitesses pour les aubages de
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turbine de la figo 80 La frigo 9a montre une variante de l'appareil de la fig. 1.
La fig. 10 montre, semblablement à la fige 4, une autre variante.
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La fig. 7L montre, semblablement à la i.go 3, une variante uti- lisée de pair avec celle de la fige 100 Les figes. 7a et lob montrent, en développement schématique, des exemples d'anbages de rotor qui conviennent au dispositif de la fig, 11.
La figo 12 montre, en coupe axiale comme celle de la fig. 7$ un échangeur de pressions avec deux rotors tournant dans des sens opposés.
La fig. l2a montre, semblablem.ent une variante pour une partie de 1"appareil de la fig. je pour y incorporer une caractéristique indiquée sur la fig. 1.
La ±go 13 montre,, en développement dans un plan circonférentie4 une partie de l'appareil de la fig. 12
La fig. 14 montre un diagramme des vitesses pour les aubages
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de turbine de la fig. I,3 La figo 15 montre, semblablement à la fig. 72, un échangeur de pressions avec deux rotors tournant dans des sens opposés et séparés par une cloison non-touluanteo
La fig. 15a montre une combinaison des dispositifs des figs.15 et 9a.
La fig. 16 montre, en développement dans un plan circonféren-
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tiel, une partie de l'appareil de la fig. 15.
La fig. 17 montre un diagramme des vitesses pour les aubages de turbine de la fig. 160
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La fig, 18 montre, semblablement à la figo /, une antre variante.
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La fig. 19 montres en développement dans un plan circonférentiel de la fig. 12, une autre caractéristique de 1-'invention.
La fig. 20, à peu près semblable à la fig. 19, montre l'utili- sation pour un appareil avec rotor unique de la caractéristique montrée sur la fige 19.
L' échangeur de pressions., montré sur les figs. 1 à 7, comprend un rotor 1 formé par un cylindre interne 2 et un cylindre externe 3 et entre ces cylindres sont intercalées des cloisons radiales 4 séparant les cellules 5. Pour cet exemple particulier on se sert d'un balayage à contre-courant et pour cette raison le rotor comprend également une cloison cylindrique 6 qui subdivise les cellules en des parties radiales internes et externes. Le rotor comporte, à une de ses extrémités, un anneau 7 formé par des aubages d'un ro- tor de turbine, les cellules 5 étant fermées à cette extrémité à l' exception des passages prévus pour les aubages. A leur autre extrémité les cellules 5 sont ouvertes, comme montré sur la fig. 2.
Le rotor peut tourner dans une enveloppe 8 avec parois terminales 9 et 10, la paroi 9 portant des segments 11 et 12 formés par des aubages de stator et les passages pour les gaz entre les aubes communiquent avec des con- duits 13 pour l'écoulement du gaz de transfert;. Plusieurs passages entre les aubes peuvent communiquer avec une cellule et chaque conduit 13 peut communi- quer également avec plus d'un de ces passages du moment que, au cours du fonc- tionnement il n'existe aucune communication entre les cellules excepté aux endroits nécessaires pour l'échange des pressions.
Si l'on admet que'le rotor tourne dans le sens indirect (horlogi- que) par rapport à la fig. 4, le cycle opératoire est le suivante
AD est l'étage de détente, DC est l'étage de balayage à basse pression et pendant lequel se fait l'évacuation de la chaleur, CD est l'étage de compression et BA est l'étage de balayage à haute pression pendant lequel se produit l'apport de chaleur.
Les lumières de balayage, ménagées dans la paroi terminale 10, sont reliées à une tuyauterie appropriée pour laquelle, comme montré sur la fig. 7, le conduit 14 sert au balayage à haute pression et le conduit 15 au balayage à basse pression.. Pour 1-'exemple montré on admet que les gaz, dé- chargés pour le balayage à une pression élevée, reçoivent un apport de chaleur depuis l'extérieur, par exemple en faisant brûler un combustible dans ces gaz dans une chambre de combustion, après quoi ces gaz sont partagés en deux par- ties dont une est ramenée à l'échangeur de pressions pour recharger les cel- lules par le balayage à haute pression et dont l'autre est fournie à un en- droit d'utilisation, par exemple une installation séparée avec turbine à gaz.
La fige 8 montre un exemple des aubages de turbine qui convien- nent à la machine montrée sur les figs. 1 à 7. On voit que les aubages de ro- tor 7 fonctionnent comme des aubes à réaction pour le gaz de transfert qui sort des cellules I, c'est-à-dire celles qui sont en détente, et comme des aubes à impulsion pour les gaz pénétrant dans les cellules II, c'est-à-dire celles qui sont en compression. Les aubages de stator 11 et 12 sont constitués de manière telle qu'ils reçoivent, avec un minimum de perte d'énergie, le gaz de transfert déchargé hors des cellules et dirigent convenablement le débit de ces gaz vers les aubages de rotor d'une cellule de compression.
La fig. 9 montre un diagramme typique des vitesses pour des au- bages de la fige 8, les indications étant les suivantes U est la vitesse pé- riphériques OA la vitesse des gaz par rapport au rotor, à la sortie des cel- lules I, OB la vitesse des gaz par rapport au stator à l'entrée des cellules I, OE la vitesse des gaz par rapport au stator quand les gaz quittent ce der- nier pour pénétrer dans les cellules II, 0F est la vitesse des gaz par rap- port au rotor à l'entrée des cellules II et OB est la vitesse des gaz par rapport au rotor' quand ces gaz pénètrent dans les cellules II après avoir quitté les aubes du rotor.
La fig. 9A montre une machine analogue à celle de la fig. 1 mais
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pour laquelle les cellules comportent des lumières de balayage aux deux ex- trémités pour permettre un balayage axial complet. Dans ce cas les aubes 7 du rotor se trouvent dans une partie de plus grand diamètre du rotor afin que le courant des gaz de balayage puisse contourner les aubes en by-pass en une zone radiale vers l'intérieur.. Les aubages 11, 12 du stator se trouvent éga- lement et nécessairement dans une partie à plus grand diamètre.
Les figso 10 et 11 montrent une variante qui permet d'obtenir un rendement plus grand pour les aubages pour la raison que dans un disposi- tif selon la fig. 8 le gaz de transfert traverse les aubages de rotor d'abord dans un sens et puis dans le autre.. Pour obtenir ce résultat, les segments 11 et 12 de ces aubages peuvent être établis à des distances différentes de l'ar- bre, comme montré sur la fig.
10, et le rotor comporte deux séries concentri- ques d'aubages 16 et 17, les aubages 11 du stator et ceux 16 du rotor étant agencés de manière à venir se placer en regard pour un écoulement du gaz dans un sens alors que les aubages 17 du rotor et ceux 12 du stator peuvent corres- pondre pour un écoulement du gaz dans 1-'autre senso On comprend aisément qu'au cours du fonctionnement l'aubage particulier non utilisé est recouvert par une partie non perforée de la paroi 9. Les figso lla et 11b montrent des coupes schématiques des aubages 16 et 17 du rotor.
La machine, montrée sur la fig. 12, comprend deux rotors 1 et la tournant dans des sens opposés dans une enveloppe 8. Dans ce cas des conduits, analogues à ceux désignés par 13, n'existent pas et le gaz de transfert s'é- coule directement des cellules de détente d'un rotor dans les cellules de com- pression de l'autre rotor. Le fonctionnement de cette machine est décrit en détail dans le brevet belge n 496.320 dont question plus haut.,
Un conduit 14, pour le balayage à haute pression, est prévu à cha- que extrémité de la machine, de même qu'un conduit 15 pour le balayage à bas- se pression. Comme montrée on fait comporter à chaque rotor un aubage 7 de ro- . tor de turbine.
Dans ce cas il n'existe pas un aubage de stator correspon- dant et somme le gaz doit s'écouler successivement suivant des directions op- posées entre des aubes de rotor ayant le même profil on ne doit pas s'atten- dre à un rendement élevée La fig. 13 montre, en coupe, un aubage typique qui convient à une machine de ce genre et sur la fig.
14 on montre le diagramme des vitesses pour l'aubage de la fige 13, les indications ayant les signifi- cations suivantes-. U est la vitesse périphérique, OA la vitesse -du gaz par rapport au rotor I à la sortie de celui-ci, OD est la vitesse du gaz par rap- port au rotor II en entrant dans celui-ci, OB est la vitesse du gaz par rap- port au rotor II quand le gaz pénètre dans les cellules après avoir quitté les aubes du rotor.
La fig. 12a montre une variante de la fig. 12 avec incorporation de la caractéristique de la fige 9a c'est-à-dire que les aubes de rotor 7 sont logées dans des parties élargies, dans le sens diamétral, des tambours du ro- tor pour permettre un balayage axial sur toute la longueur des cellules.
Une cloison fixe 16a, établie entre les rotors, comporte des lumières permettant l'écoulement du gaz de balayage dans. le sens indiqué par les flèches.!
Pour obtenir un meilleur rendement pour les aubages dans une ma- chine à deux rotors, on peut adopter la disposition montrée sur la figo 15 pour laquelle les rotors 1 et la sont séparés par une cloison non tournante 16 qui porte des segments d'aubages de stator 17, 18 agissant d'une manière analogue à celle des aubages 11 et 12 de la fig. 4. Les aubages 17 et 18 peu- vent, comme montré sur la fig. 15, 'comporter chacun deux rangées d'aubes.
On peut également se servir, dans chaque cas, d'une seule rangée d'aubes com- me sur la fige .16. La fig. 17 montre -un diagramme typique des vitesses pour les aubages de la figo 169 les indications ayant les significations suivan- tes:U est la vitesse périphérique, OA la vitesse du gaz par rapport au ro- tor I à la sortie de celui-ci, OB est la vitesse du gaz par rapport à une par- tie intermédiaire (stator) à la sortie du rotor I, OC est la vitesse du gaz par rapport à la partie intermédiaire à la-sortie de celle-ci et à l'entrée du rotor II, OA est la vitesse du gaz par rapport au rotor II à 1-'entrée de celui-ci et OB est la vitesse du gaz par rapport au rotor II à l'entrée des cellules et après avoir quitté les aubes du rotor.
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La fig. 15a montre une disposition qui a certains avantages pra- tiques et qui, en substance, comprend la combinaison du dispositif de la fige 15 avec la caractéristique de la figa 9a.
Dans le cas où l'on se sert d'aubages de stator, il est avanta- geux, pour des raisons résultant des différences existant entre les densi- tés du gaz., d'agencer l'ensemble de manière telle que les cellules de com- pression et de détente, adjacentes à la zone à haute pression, communiquent entre elles par des aubages de stator pour lesquels les passages des gaz ont une section transversale plus petite que ceux de la zone à basse pression.
Un exemple d'un tel agencement est montré sur la fig. 18 sur laquelle E cor- respond à l'étage de détente et C à l'étage de compression, la pression dans les cellules de détente allant en diminuant dans le sens de la flèche en C.
Comme montré., on obtient le résultat voulu en diminuant l'envergure des au- bages de stator 11 et 12 par gradins dans le sens périphérique depuis la zo- ne à basse pression vers la zone à haute pression. Suivant une variante on peut faire diminuer cette envergure d'une manière progressive et non pas par gradins. Pour augmenter l'efficacité des aubages on peut faire comporter aux aubes de rotor, coopérant avec ces aubages, des sections ayant des profils différents et établies en des endroits radiaux différents afin de,pouvoir coopérer, d'une manière plus appropriée,, avec des aubages de stator ayant une envergure particulière.
Les différentes sections des aubages de rotor peuvent être séparées par des cloisons annulaires cylindriques ou analogues qui canalisent mieux le courant gazeux pour une section particulière de l' au- bage de rotor.
Diverses variantes possibles des exemples., décrits plus haut., peu- vent être aisément imaginés. En particulier la disposition selon la fig. 15 peut comporter avantageusement les dispositifs montrés sur les fige. 10 et 11.
A cause de l'énergie mécanique, obtenue par la détente du gaz de transfert dans les aubages de turbine, on peut construire des échangeurs de pressions dont les rotors sont auto-propulseurs. Il est, toutefois, possible qu'un surplus de puissance utile soit disponible et cette énergie peut être avantageusement utilisée pour entraîner des appareils auxiliaires tels que des ventilateurs de balayage. La constitution d'une machine particulière peut être telle que la puissance totale soit subdivisée dans des proportions vou- lues entre la fourniture de gaz comprimé pour un usage extérieur et une puis- sance recueillie sur l'arbre et fournie par les aubages de turbine dans les- quels le gaz de transfert se détend. Dans un cas extrême,, la totalité de la puissance peut être recueillie sur l'arbre sans que du gaz comprimé soit dé- bité pour un usage extérieur.
Les spécialistes se rendent compte qu'il existe nécessairement une différence entre la pression dans une cellule qui est sur le point d'être balayée et la pression du gaz frais, à pression élevée ou basse, qui sert au balayage. En d'autres mots, il n'est jamais possible de comprimer le gaz à traiter jusqu'à la pression la plus élevée du cycle pu de détendre ces gaz dans les cellules de détente jusqu'à la pression la plus basse du cycle.
Ceci signifie que pour les étages de balayage il se produit nécessairement une poussée de gaz (ce qui implique une détente libre et par conséquent une perte d'énergie) vers. les cellules ou à partir de celles-ci. En amplifiant l'idée fondamentale qui est à la base de l'invention, on propose d'agencer l' ensemble de manière telle que chaque cellule, après avoir quitté un étage de compression ou de détente et avant d'atteindre l'étage de balayage, soit mise en communication, à l'aide de l' aubage de turbine décret plus haut, avec le conduit de balayage (pour permettre l'admission de gaz frais à haute ou basse pression suivant le cas) afin que la pression dans cette cellule soit rendue égale à la pression de balayage avant que la cellule n'atteigne la cel- lule de balayage,
cet équilibrage des pressions donnant lieu à une détente du gaz dans l'aubage de turbine -avec une production plus grande de travail utile.
La fig. 19 montre un dispositif qui permet d'obtenir ce résultat
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dans des machines du genre de celle montrée sur la fig. 12. On voit sur la fig. 19 que le conduit 14 pour le balayage à haute pression du rotor la est décalée dans le sens périphérique, par rapport au conduit correspondant 14 du rotor 1. On suppose que la cellule du rotor 1a, qui se trouve à l'extrême droite, a été amenée à une pression aussi élevée que possible par un trans- fert de gaz depuis les cellules de détente mais qu'elle est encore à une pression inférieure à celle du gaz frais et à pression élevée qui est four- ni au rotor par le conduit 14.
La cellule, en se déplaçant vers la gauche depuis la position montrée jusqu'à la position pour laquelle elle est ba- layée, vient en communication par l'aubage 7 avec des cellules du rotor 1 qui ont été balayées. La pression dans la cellule du rotor la est ainsi ren- due sensiblement égale à celle de l'air frais introduit par le conduit 14.
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Il se produit donc un écoulement du gaz par 11 aubage 7 depuis le rotor 1 jusque au rotor la et, par conséquente une détente de ce gaz dans l'aubage; De même, une cellule., du coté gauche du rotor 1 et quand elle-se déplace vers la droite jusqu'à une position pour laquelle elle est balayée, est ame- née à la pression la plus élevée du cycle par sa communication, à l'aide
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de 1-aubage 7. avec des cellules du rotor la qui doivent être balayées. Il en résulte que le gaz traverse l'aubage 7 depuis le rotor la vers le rotor 1 et est détendu dans cet aubage (voir les petites flèches de la fig.- 19 o .
Un effet similaire peut,, si on le désire, être obtenu pour le balayage à basse pression en décalant les conduits de balayage. Dans ce cas
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la pression dans les cellules, qui s2!approohent de l'étage de balayage doit être diminuée.
La fig. 20 montre comment on peut obtenir le même résultat dans une machine avec rotor unique comme celui de la fige 1. On a recours à un conduit en by-pass 18 qui permet d'alimenter chaque cellule avec du gaz frais admis à haute pression avant que cette cellule n'atteigne la zone de
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balayage de sorte qu2lil se produit.un écoulement de gaz depuis 121extrémité du conduit 18 par l'aubage de rotor 7 jusque dans les cellules ce qui équi- libre les pressions et fournit du travail utile. L'aubage de stator 19 est logé dans 1lex,rémité ouverte du conduit 18. On peut remplacer le conduit 18 par un conduit 18a par lequel la cellule. qui est sur le point d'être balayées est amenée en regard d'une cellule qui est en cours de balayage.