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La présente invention est relative à un compresseur actionné à vi- tesse constante, servant à comprimer des quantités de gaz de grandeurs dif- férentes.
Elle est caractérisée par la combinaison d'une partie de compres seur axial, travaillant avec des aubes réglables et d'une partie de compres- seur radial, placée en aval, dont le rotor est monté sur le même arbre.
Il est connu de munir des compresseurs axiaux d'aubes réglables lorsqu'ils doivent refouler à la même vitesse des quantités différentes d'un gaz.
L'utilisation d'aubes réglables est nécessaire du fait que le ren- dement d'un compresseur axial à aubes fixes diminue très rapidement à vites- se constante pour un débit variable en raison de sa caractéristique pression- volume connue. A cela vient s'ajouter le fait que, plus le rendement de la machine est élevé, plus celle-ci est sensible en ce qui concerne les ris- ques de pompage. La limite de pompage peut suivant le cas, avec des compres- seurs de ce genre, être déjà voisine de 70% du débit nominal.
Cette limite de pompage d'un compresseur axial diminue dans une me- sure relativement importante lorsqu'on règle les aubes dans le sens de la diminution du débit. En conséquence, pour des installations à pression constante, le point de travail du compresseur axial doit, à pleine charge, se trouver assez bas sur sa caractéristique. Il doit donc être prévu une très grande réserve de pression.
Les conditions sont différentes dans des compresseurs radiaux.
Dans ceux-ci, la caractéristique pression-volume augmente dans une plus grande zone dans le sens d'une diminution du débit. On sait en outre qu'un compresseur radial a une tendance sensiblement plus faible au pompage qu'un compresseur axial, et surtout qu'il n'est pas si sensible aux effets du ré- glage et aux modifications de débit, en ce qui concerne son rendement, qu'un compresseur axial.
Pour, lors du démarrage de compresseursaxiaux, réduire la difficul- té qui se présente en passant dans la zone de pompage, on a déjà maintes fois proposé de ne pas établir tous les étages de façon qu'ils fonctionnent en pompage en'même temps. On a dans un cas de ce genre une limite de pom- page non nettement déterminée ou un effet réduction de l'effet de pompage.
Ce procédé présente cependant d'autre part l'inconvénient que les différents étages ne travaillent pas alors en même temps au point le meilleur, de sor- te que l'on doit admettre des pertes de rendement permanentes à pleine char- ge comme prix du meilleur comportement de la pompe. En conséquence, on ad- met pour un compresseur axial comme règle générale qu'un bon rendement est accouplé à une sensibilité relativement grande en ce qui concerne la limite de pompage, et un comportement relativement insensible en ce qui concerne la limite de pompage est associé à un mauvais rendement en puissance.
Selon l'invention, en montant en série avec un compresseur axial avec aubes réglables un ou plusieurs .étages radiaux, on peut augmenter sen- siblement la limite de pompage de la combinaison et, malgré un comportement favorable en ce qui concerne Illimité de pompage, chaque partie individuel- le de la combinaison travaille à pleine charge au point le plus favorable.
Si donc, conformément à l'invention,on monte un ou plusieurs éta- ges radiaux à la suite des étages axiaux avec aubes réglables, on peut re- noncer à un réglage des aubes directrices à l'entrée des étages radiaux, attendu que ces étages radiaux sont extraordinairement élastiques au point de vue de leur comportement pendant le travail. Avec cette combinaison, on obtient un compresseur qui, dans la zone de réglage, fonctionne avec un bon
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rendement en descendant jusqu'à environ 60% de la pleine charge.
En résumé, les avantagea de la combinaison sont les suivants
1. - Simplification de la dépense de construction.
Dans les compresseurs purement axiaux, le mécanisme de réglage compliqué provoquait jusqu'ici, en particulier dans les derniers étages, des difficultés de construction que l'on cherchait à éviter du fait que l'on utilisait le mécanisme de réglage le plus simple possible en utilisant au lieu d'un grand nombre de petites aubes de réglage, une petite quantité de grandes aubes. Cependant, lorsqu'on les inclinait, ces grandes aubes né- cessitaient un jeu axial sensiblement plus grand que celà n'eut été néces- saire avec une couronne d'aubes non réglables. Il en résulte que la diffé- rence de longueur entre un étage axial à aubes réglables et un étage axial sans aubes réglables peut être sensible.
Cette différence est surtout éle- vée lorsque le compresseur est établi pour des rapports de compression éle- vés et, par exemple, pour refouler de l'air dans des hauts-fourneaux ou ap- pareils analogues. Si l'on utilise, comme 'jusqu'ici, un compresseur purement axial avec aubes réglables, il faut en outre plus d'étages de compression.
Il en résulte des compresseurs axiaux de longueur sensible qui, dans la mesure du possible, doivent être montés en série, en deux machines individuel- les distinctes.
En supprimant le mécanisme de réglage, en particulier dans les der- niers étages du compresseur axial, on remédie à cet inconvénient et on peut, grâce à la simplification procurée par l'invention, disposer tous les étages du compresseur dans une seule enveloppe.
2. - Rendement plus élevé de la combinaison.
Dans un compresseur purement axial avec aubes réglables, on sait que les pertes résultant de la distance comprise entre les différents étages, du fait du plus grand jeu qui est nécessaire tant en direction axiale que ra- diale, sont sensiblement plus grandes que dans les compresseurs sans mécanis- me de réglage. Ces pertes résultant de ces intervalles peuvent, d'après les données de la littérature,être d'un ordre de grandeur s'élevant jusqu'à
5% du rendement total du compresseur. Ces pertes augmentent en outre des étages à basse pression jusqu'aux étages à haute pression.
Pour cette rai- son, dans les compresseurs axiaux avec mécanisme de réglage passant d'un bout à l'autre, on est obligé de donner au rapport d'étanchéité, en parti- culier dans les derniers étages, une valeur plus faible que dans les mêmes compresseurs ne comportant pas d'aubes réglables. En ce cas, on ne peut pas éviter que le rendement total du compresseur axial avec aubes réglables, du fait de ces pertes par les intervalles, soit plus faible qu'il ne pourrait l'être pour des raisons aérodynamiques. Il faut encore indiquer que ces inconvénients se-font d'autant plus fortement sentir avec des rapports de compression plus élevés. Par contre, en appliquant l'invention, le rende- ment de la combinaison est, ainsi qu'on le verra, sensiblement plus élevé que le rendement des différentes parties de la machine en elles-mêmes.
Il en est également de même par comparaison avec un compresseur purement ra- dial.
3.- Avantages de construction.
Comme on l'a dit ci-dessus, un compresseur purement axial avec au- bes réglables constitue un ensemble de machine de longueur sensible, en par- ticulier pour des rapports de compression élevés. De même, un compresseur purement radial devrait être de très grande dimension en raison de la capa- cité d'absorption relativement faible des étages radiaux. Dans les deux cas, on a des difficultés de construction connues parmi lesquelles on peut
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citer comme principales, par exemple le danger de flexion pour un axe très long, les difficultés de support de masses tournantes très importantes et l'encombrement. On remédie également de manière favorable à ces inconvé- nients grâce à la combinaison selon l'invention.
D'autres caractéristiques de l'invention ressortiront de la des- cription ci-dessous d'exemples de réalisation de l'invention, représentés sur les dessins annexés, dans lesquels :
La fige 1 représente un compresseur selon l'invention dans lequel les étages axiaux avec aubes réglables et le rotor radial sont disposés dans une enveloppe commune.
La fige 2 représente un compresseur selon l'invention dans lequel les étages axiaux avec aubes réglables sont disposés dans une première enve- loppe et le rotor radial dans une autre enveloppe.
La fige 3 représente schématiquement une variante.
Sur la fige 1, l'agent moteur à comprimer pénètre par la tubulure 1 dans le compresseur, il passe d'abord dans une partie 2 du canal à aubes avec aubes axiales, il pénètre ensuite dans le rotor radial 3 et il sort du compresseur par la chambre en spirale . Les étages axiaux sont constitués chacun par une couronne 5 d'aubes de roue motrice et une couronne 6 d'aubes directrices. On peut incliner les aubes directrices à l'aide d'un disposi- tif de réglage à main ¯1,, avec intercalation de paires de roues dentées 8 10 et 11 et on peut les adapter aux quantités à refouler à tout moment.
Le compresseur représenté ne doit être considéré que comme un exem- ple de réalisation. Avec trois étages axiaux, les avantages de l'invention se font déjà nettement sentir et encore davantage avec un plus grand nombre de ces étages. Dans beaucoup de cas, on utilisera plus d'un rotor radial.
De même, le dispositif de réglage peut être modifié d'une façon quelconque et, par exemple, être remplacé par un dispositif de réglage automatique. A- lors que dans l'exemple représenté les trois couronnes d'aubes directrices des étages axiaux comportent des aubes réglables, dans d'autres cas les cou- ronnes d'aubes de roue motrice pourraient également être munies d'aubes ré- glableso Dans beaucoup de cas, il suffit même qu'une partie des couronnes d'aubes directrices comportent des aubes réglables.
Le compresseur de la fig. 2 comporte une première partie 12 avec é- tages axiaux et une deuxième partie 13 avec étages radiaux. Chacune des deux parties est disposée dans une enveloppe propre, tandis que leurs ro- tors sont montés sur un arbre commun. La partie 12 comporte encore des au- bes réglables, dont on a représenté le dispositif de réglage à main 15.
L'agent moteur à comprimer arrive par la canalisation 16 dans les étages a- xiaux, il sort de la première partie 12 du compresseur par la conduite 17 et arrive finalement par le rotor radial à la deuxième partie 13 du compres- seur pour aller par la conduite 18 au point d'utilisation.
Dans une forme de réalisation particulière de l'invention, entre les deux parties du compresseur se débranche une conduite de sortie qui a- boutit à une turbine de récupération réglable.
Cette forme de réalisation du compresseur est avantageuse en parti- culier lorsque le compresseur doit alimenter des systèmes d'air comprimé dans des mines avec de très grandes quantités d'air (par exemple, 100.000 m3/h) et une pression relativement élevée. La pression doit rester aussi constante que possible, même lorsque les quantités refoulées diminuent forte- ment. Jusqu'ici, on n'a pas pu satisfaire exactement à cette condition ou ne le faire dans des installations existantes que de façon très peu économi- que.
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Il faut renoncer à régler la pression et le débit à la manière ha- bituelle au moyen d'un réglage par étranglement ou échappement, car les gran- des quantités à régler entraînent des pertes qui ne sont pas supportables économiquement. De même, dans le cas actuel, on ne peut qu'à peine envisager une turbine de récupération faisant suite au compresseur car, du fait de la grande chute de pression, on devrait utiliser une turbine à plusieurs étages, par conséquent relativement grande et mal utilisée sur une grande partie de la zone de réglage.-
Ce n'est qu'avec la combinaison selon l'invention de divers éléments connus en soi que l'on a une installation de turbo-compresseur qui peut être réglée de manière à avoir une pression finale constante, et cela facilement avec des pertes extrêmement faibles,
même pour des débits élevés variant for- tement.
La première partie du compresseur avec aubes axiales peut aspirer une grande quantité de fluide et la comprimer à une pression moyenne. En cet état, le volume du fluide est déjà si fortement comprimé que la partie de compresseur avec aubes radiales, disposée en aval, peut recevoir sans dif- ficultés cette quantité de fluide et la comprimer à la pression finale néces- saire. Du fait de sa caractéristique relativement plate et s'étendant sur une très large zone de refoulement, cette partie de compression diposée en aval peut traiter également des quantités variant fortement, en particulier la quantité passant dans la partie à basse pression, réduite de la quantité de récupération qui a été prélevée.
L'avantage essentiel, qui est à la base de la forme de réalisation actuelle, consiste en ce que, avec une turbine de récupération réglable dont la conduite d'admission est branchée entre les deux parties du compresseur, on peut prélever à tout moment une quantité de fluide telle que l'on obtient, entre les deux parties du compresseur, une pression intermédiaire variable avec la quantité de fluide comprimée demandée, de telle sorte que la somme des pressions de refoulement des deux parties du compresseur donne toujours exactement la pression finale désirée.
La pression intermédiaire régnant entre les deux parties du compresseur doit cependant varier plus ou moins fortement avec la quantité de fluide refoulée du réseau à pression constante, car le rapport des pressions de chacune des parties du compresseur dépend beaucoup de la quantité du fluide qui y passe au moment envisagé. L'invention présente encore l'avantage que le fluide pré- levé dans l'étage intermédiaire et détendu dans la turbine de récupéra- tion ne présente qu'un travail de compression relativement faible, de sorte qu'également on ne doit faire passer qu'une faible puissance correspondante par la turbine de récupération.
En outre, du fait de la faible chute de pression, la turbine de ré- cupération peut être à un seul étage et être, par conséquent, relativement petite et on peut la munir d'un appareil directeur avec aubes directrices réglables. Ainsi qu'on le sait, des turbines à un étage avec aubes réglables de ce genre ont un très bon rendement sur toute leur zone de réglage.
Au surplus, les dispositifs de réglage pour les aubes réglables peuvent être reliés par une conduite à impulsion à un dispositif de comman- de qui fonctionne suivant des écarts par rapport à une valeur déterminée de la pression dans le système d'air comprimé. De cette manière, toute l'ins- tallation peut fonctionner automatiquement.
Le compresseur de la fig. 3 consiste en une partie 100 avec aubes axiales réglables, et une partie 200 située en aval, avec aubes radiales dont le rotor est monté sur le même arbre. Un moteur électrique synchrone 230 actionne le compresseur à vitesse constante. L'air sortant de la par- tie 200 va, par-la conduite 240, à une canalisation à air comprimé 250 rac-
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cordée à une installation d'utilisation, par exemple, une mine. Dans cette canalisation 250, on doit maintenir une pression constante même avec une con- sommation d'air variable, à l'aide de l'installation de compresseur.
Dans ce but, de la conduite de liaison 260 entre les deux parties du compresseur, se débranche une conduite 270 allant àla turbine de récupération variable 280, laquelle est de préférence accouplée directement au système de compres- seur. Pour cette turbine de récupération 280, on utilisé une turbine à un étage dont l'appareil directeur comporte des aubes directrices variables.
Le réglage se fait à l'aide d'un dispositif de réglage 290 qui est relié par une conduite à impulsion 300, à un dispositif dé réglage 310 qui fonctionne suivant des écarts par rapport à une valeur nominale constante de la pres- sion PO dans la canalisation 250. Le réglage des aubes directrices de la turbine de récupération 280 permet non seulement de modifier la quantité d'air refoulée dans le réseau d'utilisation par la partie 200, mais encore il permet d'augmenter ou réduire la pression dans la conduite 260 reliant les deux parties du compresseur de telle sorte que la somme des pressions de refoulement des deux parties du compresseur, lesquelles dépendent à tout mo- ment de la quantité de fluide qui y passe, donne la pression finale constan- te.