Compresseur dynamique L'invention a pour objet un compresseur dynamique pouvant, par exemple, faire partie d'une installation à turbine à gaz, telle qu'une installation de propulsion à réaction pour un aéronef.
Ce compresseur comprend un rotor présen tant des aubes formant entre elles des passages d'écoulement pour le fluide qui sont de forme convergente-divergente, et des aubes directri ces radiales disposées en amont de ce rotor, la disposition étant telle que pour un régime de fonctionnement normal au moins la vitesse d'écoulement relative du fluide dans lesdits passages du rotor soit supérieure à la vitesse du son dans la partie convergente au moins de chaque passage, et que la vitesse absolue du fluide sortant des passages soit inférieure à la vitesse du son.
Il est caractérisé selon l'inven tion en ce que lesdites aubes de guidage sont tordues chacune autour de son axe de manière que la direction d'écoulement du fluide quit tant ces aubes directrices varie le long de cha que aube de façon à compenser l'augmenta tion de la vitesse circonférencielle le long du bord d'entrée de chacune des aubes du rotor avec l'accroissement de la distance radiale sé parant tout point considéré de ce bord de l'axe du rotor, et à assurer ainsi une vitesse relative d'écoulement constante le long du bord d'en trée de chacune des aubes du rotor. Le dessin représente, à titre d'exemple, une forme d'exécution du compresseur faisant l'ob jet de l'invention et des variantes de cette forme d'exécution.
Les fig. 1 à 3 sont des diagrammes illus trant le fonctionnement de cette forme d'exé cution.
La fig. 4 est une vue schématique en coupe axiale de ladite forme d'exécution.
La fig. 5 est une vue de face d'une aube directrice de cette forme d'exécution.
La fig. 6 est un développement, à plus grande échelle, d'une section d'une paire d'au bes du rotor de cette forme d'exécution.
La fig. 7 est un développement analogue à celui de la fig. 6, montrant une variante. La fig. 8 est un développement d'une sec tion partielle de ladite forme d'exécution, mon trant également le premier étage d'un compres seur à écoulement axial disposé à la suite de celle-ci, cette section étant prise au voisinage des extrémités internes d'aubes du rotor et d'aubes directrices que comprend ladite forme d'exécution.
La fig. 9 est un développement analogue à celui de la fig. 8, la section étant prise au voisinage des extrémités externes respectives desdites aubes. La fig. 10 est un diagramme vectoriel re latif au développement de la fig. 8 ; et la fig. 11 est un diagramme vectoriel rela tif au développement de la fig. 9.
Comme on peut le voir à la fig. 4, la forme d'exécution représentée, constituée par un compresseur axial, comprend une enveloppe 11 contenant un cône de choc profilé 12 qui limite, conjointement avec cette enveloppe, une ouverture d'admission annulaire 13.
Entre l'enveloppe 11 et le cône 12 et à l'arrière de celui-ci est disposée une rangée d'aubes directrices radiales 14. Ces aubes ser vent à supporter dans l'enveloppe 11 le cône 12 et une plaque 15 dans laquelle est ménagé un palier 16 pour un arbre rotatif 17. L'arbre 17 est également supporté par un palier 18 monté dans une paroi terminale 19 dont la pé riphérie délimite, conjointement avec l'enve loppe 11, une sortie annulaire 20. Un disque de rotor 21 est monté sur l'arbre 17, entre les paliers 16 et 18, et ce disque porte à sa péri phérie une rangée circulaire d'aubes 22.
L'arbre 17 est entraîné à grande vitesse. D'autre part, la section de passage diminuant, la vitesse de l'air pénétrant par l'orifice d'ad mission annulaire 13, augmente légèrement jusqu'aux aubes directrices 14. Lorsque le compresseur décrit fait partie d'une installation de propulsion d'un aéronef, la vitesse de l'air arrivant aux aubes directrices 14 sera accrue du fait de la vitesse de l'aéronef.
Chacune des aubes directrices 14 est tor due autour de son axe de façon que la direc tion d'écoulement de l'air quittant ces aubes varie le long de chaque aube 14, la conforma tion de ces aubes étant telle qu'au voisinage de leur extrémité interne 23 la vitesse de l'air quittant les aubes ait une composante de rota tion de sens opposé au sens de rotation du rotor, indiqué par la flèche 24 à la fig. 5. La variation de la direction d'écoulement de l'air quittant les aubes 14 est telle qu'elle compense l'augmentation de la vitesse circonférencielle le long du bord d'entrée de chacune des aubes radiales du rotor avec l'accroissement de la dis tance radiale séparant tout point considéré de ce bord de l'axe du rotor.
On obtient ainsi une vitesse relative d'écoulement constante le long du bord d'entrée de chaque aube 22. Chacune des aubes 14 donne une direction d'écoulement axiale en un point intermédiaire entre ses ex trémités interne et externe, chaque aube étant orientée dans le sens de rotation du rotor au voisinage de son extrémité externe 25. Chaque aube directrice pourrait aussi ne présenter au cune partie réellement axiale, de sorte que tout le fluide pénétrant entre les aubes directrices tournerait dans le même sens mais à des vites ses angulaires différentes, selon la distance sé parant un filet de fluide considéré de l'axe de rotation du rotor.
La forme des aubes 22 est le mieux repré sentée à la fig. 6. Chacune de ces aubes est très mince par rapport à sa profondeur, plus mince, même dans sa partie la plus épaisse, que des aubes de dimensions comparables de compresseurs à écoulement axial connus. Les bords d'entrée 26 des aubes 22 sont tran chants, de même que leurs bords de fuite 27. Les aubes 22 vont en s'épaississant progressi vement à partir de leurs bords d'entrée 26 et jusqu'en un point 28 auquel elles commencent à s'amincir progressivement jusqu'à leurs min ces bords de fuite 27. Chaque aube 22 pré sente par conséquent une bosse ou une crête bien distincte au point 28.
Cette bosse est assez rapprochée du bord d'entrée de l'aube, de sorte que la longueur de la zone divergente de chaque canal est supérieure à la longueur de la zone convergente de ce canal. On voit ainsi que les passages 10 pour l'écoulement de l'air formés entre les aubes 22 du rotor sont de forme convergente-divergente.
Dans une variante représentée à la fig. 7, chaque aube 29 du rotor présente une bosse 30 incurvée de façon progressive, au lieu d'une arête distincte 28. Selon une autre variante non représentée, chaque aube présente une arête 28 ou une bosse 30 sur chacune de ses deux faces.
Afin d'augmenter quelque peu la section droite efficace des extrémités de sortie des passages formés entre les aubes 22, celles-ci sont légèrement incurvées, comme représenté aux fig. 6 et 7, de sorte que la tangente à la ligne médiane de toute section cylindrique co axiale au rotor des passages entre les aubes 22 fait avec un plan radial passant par le point de tangence et l'axe du rotor un angle qui est plus petit à l'extrémité de sortie de cette ligne mé diane (angle P) qu'à l'extrémité d'entrée de cette ligne (angle a). La hauteur de chacune des aubes 22 du rotor augmente progressive ment quelque peu dans la dernière partie de la profondeur de ces aubes.
La vitesse de rotation en régime de fonc tionnement normal du rotor est choisie en rai son de 1a vitesse v de l'air quittant les aubes 14 et de la disposition de façon que la vitesse re lative d'écoulement de l'air dans le passage 10 du rotor reste supérieure à la vitesse du son dans toute la partie convergente de ces passa ges. II se passe alors ce qui suit (voir fig. 1 à 3) : dans la partie convergente A-B, la vi tesse de l'air, tout en restant supersonique, dé croît avec la section droite du passage 10, tan dis que la pression croît simultanément, comme représenté aux fig. 2 et 3.
Inversement, lors que l'air a passé à travers le col du passage et a pénétré dans sa partie divergente B-C, la vi tesse de cet air commence à croître et sa pres sion commence à tomber. A un certain point <I>D</I> de la partie divergente B-C, il se produit un choc de compression, et la vitesse tombe brus quement au-dessous de la vitesse du son, tan dis que la pression croît brusquement.
En aval du front de choc, dans la région D-C, les con ditions d'écoulement sont les mêmes que cel les qui existent normalement avec des vitesses d'écoulement infrasoniques, c'est-à-dire que la vitesse d'écoulement diminue et que la pres sion croît à mesure que la section droite du passage 10 augmente. L'entropie de l'air aug mente lorsque cet air traverse le front de choc, de sorte qu'il se produit une perte de rende ment à cet endroit. Cette perte peut être rame née à une valeur acceptable en amenant le front de choc aussi près que possible du col du passage, puisque l'air s'écoule avec sa plus fai ble vitesse supersonique à travers ce col. En d'autres termes, la distance B-D doit être maintenue aussi petite que possible.
La partie divergente B-C devrait être aussi longue que possible afin d'obtenir des caractéristiques fa vorables de diffusion à vitesse infrasonique en aval du front de choc.
Les conditions d'écoulement dans le com presseur décrit au voisinage des extrémités in ternes des aubes directrices et des aubes du ro tor sont représentées en section développée à la fig. 8, à laquelle correspond le diagramme des vitesses de la fig. 10.
Il convient de remar quer qu'en donnant à la vitesse de l'air, au voi sinage dés extrémités internes des aubes 14, une composante de rotation de sens opposé au sens de rotation du rotor, la valeur de la vitesse u1 nécessaire pour obtenir une vitesse résul tante w1 de la valeur désirée et du sens voulu est plus petite que cela ne serait le cas si le fluide était admis axialement dans le rotor ou s'il tournait dans le même sens que le rotor. En d'autres termes, la vitesse de rotation du rotor peut être plus faible que cela ne serait autrement nécessaire.
Cette vitesse de rotation réduite du rotor a pour conséquence une ré duction des forces centrifuges agissant sur les aubes du rotor du compresseur décrit et per met par conséquent d'utiliser des aubes de rotor plus longues sans risquer que les sollici tations admissibles soient dépassées aux pieds de ces aubes. A son tour, cette circonstance permet d'augmenter la section d'admission et par conséquent l'écoulement massique du com presseur pour un diamètre extérieur donné ou, inversement, de réduire le diamètre extérieur du compresseur pour un écoulement massique donné.
Etant donné que les aubes 22 sont légère ment incurvées, l'air change légèrement de di rection et quitte les passages 10 avec une vi tesse relative x1. Etant donné que la vitesse de l'air a diminué à partir d'une vitesse super sonique jusqu'à une vitesse infrasonique au cours de l'écoulement de cet air à travers les passages 10, x1 est considérablement inférieur à w1. La vitesse ut du rotor reste constante et la vitesse absolue du fluide à sa sortie du rotor est par conséquent égale à la somme vectorielle de<I>x'</I> et u1, cette vitesse y' étant également bien inférieure à la vitesse du son.
Dans l'exemple décrit, l'air comprimé quittant les passages 10 est destiné à subir une deuxième compression dans un compresseur à écoule ment axial, dans lequel les aubes 31 de la pre mière rangée sont disposées de manière que l'air pénètre correctement entre elles avec la vitesse et dans la direction y1.
Les fig. 9 et 11 correspondent respective ment aux fig. 8 et 10 mais représentent les conditions d'écoulement au voisinage des ex trémités externes des aubes 22 du compres seur décrit. On voit que la vitesse relative reste constante le long du bord d'entrée des aubes 22. La profondeur de chacune des aubes di rectrices 14 croit linéairement avec la distance radiale jusqu'à l'axe du rotor. Ainsi, comme le montrent les fig. 8 et 9, le rapport du pas à la profondeur de chacune de ces aubes reste constant. La direction de la vitesse de sortie absolue y' variant le long des aubes 22, les aubes 31 du compresseur à écoulement axial monté à la suite du compresseur décrit doivent également être tordues.
On se rendra compte que certaines des pro portions des fig. 8 à 11 ont à dessein été pas sablement exagérées. Par exemple, la diffé rence existant entre les vitesses u1 et u' n'est généralement pas aussi grande que cela est re présenté et il s'ensuit que la torsion des aubes directrices 14 est moins prononcée que cela n'est représenté au dessin.
Le compresseur décrit est capable de pro -duire une compression dont le taux est équiva lent à celui de la compression obtenue au moyen de deux étages au moins d'un compres seur à écoulement axial connu. La longueur du compresseur décrit et son poids peuvent par conséquent être considérablement inférieurs à ceux d'un compresseur à écoulement axial connu assurant le même taux de compression. De plus, le compresseur décrit peut être cons truit de façon à être très robuste, et ainsi être moins susceptible d'être endommagé par de la glace ou par d'autres corps étrangers que les compresseurs à écoulement axial connus.