Compresseur à écoulement axial L'invention a pour objet un compresseur à écoulement axial à plusieurs étages, caractérisé en ce qu'il comprend deux rotors coaxiaux montés de façon à pouvoir tourner l'un par rap port à l'autre, et un accouplement débrayable pour rendre solidaires en rotation ces deux ro tors, dont l'un porte au moins l'aubage de l'étage d'entrée et l'autre au moins l'aubage de l'étage de sortie, ce dernier rotor étant solidaire en rotation d'un organe d'entraînement.
La disposition du compresseur selon l'in vention permet de faciliter sa mise en route et son accélération, ce qui est particulièrement avantageux lorsqu'il est utilisé, par exemple pour comprimer du fluide de travail dans une installation telle qu'une installation à turbine à gaz ou à moteur Diesel suralimenté, qui doit être lancée par une source d'énergie extérieure et dans laquelle le compresseur doit atteindre une vitesse assez élevée pour que l'installation puisse fonctionner de façon autonome. Lorsque les deux rotors sont solidaires en rotation, le compresseur selon l'invention fonctionne de la même manière qu'un compresseur à écoulement axial de construction usuelle.
Dans le cas de son utilisation dans une ins tallation à turbine à gaz, par exemple, le com presseur selon l'invention présente également l'avantage de permettre d'améliorer l'adaptation de la caractéristique pression-écoulement mas sique du compresseur à celle de la turbine pour les différents régimes. En effet, avec ce, com presseur, l'étage d'entrée au moins peut- être rendu inopérant aux charges moyennes ou fai bles, de sorte que, en fait, le compresseur est transformé en un compresseur présentant un plus petit nombre d'étages et une meilleure ca ractéristique d'à-coups dans la partie moyenne et inférieure du domaine des écoulements mas siques.
Le dessin représente, à titre d'exemple, une forme d'exécution du compresseur à écoulement axial faisant l'objet de la présente invention, et une variante de détail.
La fig. 1 est une vue avec arrachement, par tiellement en élévation latérale et partiellement en coupe axiale de cette forme d'exécution, constituant le compresseur d'une installation à turbine à gaz.
La fig. 2 est une vue en coupe axiale, à plus grande échelle, d'une partie de la forme d'exécution représentée à la fig. 1.
La fig. 3 est une vue partielle avec arrache ment, partiellement en élévation latérale et par tiellement en coupe axiale de la variante.
La fig. 4 est un diagramme illustrant le fonctionnement de cette forme d'exécution. La forme d'exécution représentée aux fig. 1 et 2 est destinée à fournir de l'air comprimé à une turbine (non représentée), par l'intermé diaire d'une chambre de çombustion (non re présentée). Le compresseur comprend une en veloppe cylindrique 10 qui porte plusieurs ran gées circulaires d'aubes de stator 11 et deux rangées circulaires 12 et 13 d'aubes de guidage à position angulaire réglable. Un arbre 14 est monté axialement dans l'enveloppe 10 et com prend une partie formant moyeu portant plu sieurs rangées circulaires 15 d'aubes de rotor.
L'arbre 14 est accouplé de façon permanente à la turbine. Les rangées d'aubes 15 appartien nent à un étage de sortie et à des étages précé dents du compresseur. Un manchon 16 formant moyeu est monté sur l'arbre 14, de façon à pouvoir tourner librement sur cet arbre. Plu sieurs rangées circulaires d'aubes de rotor 17 d'un étage d'entrée et d'étages suivants du com presseur sont montées sur ce manchon. Celui-ci est susceptible d'être rendu solidaire en rota tion avec l'arbre 14 au moyen d'un accouple ment débrayable 18. Alternativement, ledit manchon peut aussi être immobilisé par rap port à l'enveloppe 10 du compresseur au moyen d'un frein 19. L'accouplement 18 et le frein 19 sont représentés de façon plus détaillée à la fig. 2.
Des disques coniques 20 et 21 sont cla- vetés à l'arbre 14 et sont sollicités l'un vers l'autre par des ressorts 22 et 23. Des rebords de scellage 24 et 25 susceptibles de glisser l'un par-dessus l'autre sont respectivement disposés au voisinage des périphéries des disques coni ques 20 et 21. Une partie annulaire 26, soli daire du manchon 16, à son extrémité, présente intérieurement un logement annulaire dont les côtés ont une inclinaison qui est la même que celle des surfaces coniques des disques 20 et 21.
L'espace compris entre les disques 20 et 21, et qui est limité à la périphérie par les rebords de scellage 24 et 25 est susceptible d'être ali menté en fluide sous pression, par exemple en air ou en huile, à partir du centre creux de l'ar bre 14 et à travers un passage 27. Pour per mettre un fonctionnement automatique, la pres sion de ce fluide peut être rendue fonction de la vitesse de rotation, ledit fluide étant, par exemple, de l'air à la pression de sortie du com presseur ou de l'huile fournie par une pompe centrifuge.
Lorsque le fluide sous pression pé nètre ainsi dans ledit espace, les disques coni ques 20 et 21 sont écartés l'un de l'autre contre l'action de ressorts 22 et 23, de sorte que leurs surfaces coniques viennent en prise avec les parois du logement annulaire de la partie 26 et rendent ainsi le manchon 16 et l'arbre 14 soli daires en rotation. Inversement, lorsque la pression est réduite, les ressorts 22 et 23 forcent les disques coni ques 20 et 21 de venir hors de prise avec les côtés du logement annulaire de la partie 26, de sorte que le manchon 16 cesse alors d'être soli daire en rotation de l'arbre 14.
Le frein 19 comprend un tambour 28 cla- veté au manchon 16. Des sabots de friction ar qués 30 sont montés sur des axes fixes 29, à l'intérieur du tambour 28. Au moyen d'un mé canisme d'expansion non représenté, ces sabots peuvent être écartés vers l'extérieur, de façon à venir en engagement avec le tambour 28 et à maintenir ainsi ce tambour stationnaire, de même que le manchon 16 auquel il est relié.
L'accouplement débrayable 18 et le frein 19 sont actionnés indépendamment l'un de l'au tre par des mécanismes de commande appro priés et peuvent être mis en fonction de la façon et au moment voulus pour obtenir les meilleu res conditions de fonctionnement. Dans la va riante représentée à la fig. 3, une partie annu laire 31 présentant intérieurement un logement à côtés inclinés est également solidaire du man chon 16 à son extrémité. Un disque 32 est cla- veté à l'arbre 14. Ce disque présente plusieurs larges encoches radiales 33 à parois parallèles.
Des masses 34, susceptibles de glisser vers l'in térieur et vers l'extérieur en se rapprochant et en s'éloignant respectivement de l'axe de l'arbre 14 sont disposées dans lesdites encoches. Ces masses présentent des flancs inclinés 35 dont l'angle d'inclinaison est identique à celui des parois latérales du logement annulaire de la partie 31. Lorsque l'arbre 14 tourne, lesdites masses sont projetées vers l'extérieur et vien nent en prise avec les parois du logement annu- faire. Lorsque la vitesse de rotation de l'arbre 14 augmente, la force centrifuge exercée par ces masses augmente également jusqu'à ce que la force de friction qu'elles exercent sur les pa rois du logement annulaire dépasse la résistance s'opposant à la rotation du manchon 16, de sorte que ce manchon commence alors de tour ner.
Aux vitesses de rotation normales, la force centrifuge exercée par les masses 34 est si grande qu'il ne se produit pas de glissement entre lesdites masses et les parois du logement annulaire. Cette variante comprend également un frein correspondant au frein 19 de la forme d'exécu tion des fig. 1 et 2, mais de construction quelque peu différente. Un anneau 36 présentant une surface de friction concave 37 susceptible de venir en prise avec la surface extérieure de la partie annulaire 31 est normalement maintenu en position de repos par un ressort 38. A gau che de l'anneau 36 se trouve une came 39 à face annulaire présentant des surfaces de rampe 40.
Des saillies fixes 41 coopèrent avec ces surfaces de rampe, de sorte que si la came est entraînée en rotation, les surfaces de rampe 40 montent sur les saillies 41 de façon à déplacer l'anneau 36 jusqu'en prise de friction avec la surface extérieure adjacente de la partie 31 et à maintenir ainsi le manchon 16 stationnaire. Dans cette variante, l'accouplement et le frein sont combinés en un seul mécanisme du fait que l'organe 31 leur est commun. Pour la mise en route du compresseur, on maintient tout d'abord le manchon 16 station naire par engagement du frein. On accélère en suite l'arbre 14 jusqu'à la vitesse désirée au moyen d'un moteur de démarrage, non repré senté.
Du fait que le rotor comprenant le man chon 16 et les aubes 17 qu'il porte n'est pas entraîné en rotation par le moteur de démarrage, la charge appliquée à ce moteur est inférieure à ce qu'elle serait s'il avait à accélérer les deux rotors. La rotation des rangées circulaires d'au bes 15 de l'étage de sortie et des étages précé dents assure la production d'une certaine quan tité d'air comprimé pour la turbine et, à une certaine vitesse, la puissance engendrée par la turbine et disponible pour entraîner le compres seur dépasse celle nécessaire pour entraîner l'arbre 14. Le compresseur continue par consé quent d'être accéléré. Le frein peut alors être desserré, de sorte que le rotor comprenant le manchon 16 soit libre de tourner.
Le courant d'air circulant à travers les aubes 17 commence de faire tourner ce rotor 16-17. En d'autres termes, cette partie du rotor commence de tra vailler à la façon d'un moulin à vent. Lorsque le rotor 16-17 tourne suffisamment vite, il peut être accouplé à l'arbre 14, de sorte que l'en semble des deux rotors tourne d'une seule pièce. Dans la variante de la fig. 3, la construction est telle que la force de friction agissant entre les poids 34 et les parois du logement de la partie 31 à la vitesse de rotation voulue de l'arbre 14 vainc la résistance opposée à sa rota tion par le manchon 16.
Dans les deux formes d'exécution, l'entraînement par friction de l'ac couplement débrayable peut être utilisé pour augmenter ou remplacer l'effet de moulin à vent utilisé pour accélérer le rotor 16-17 jusqu'à la vitesse désirée.
La fig. 4 illustre les avantages de la forme d'exécution décrite pour le fonctionnement en charge partielle. Cette figure représente le rap port de compression (R) en fonction de l'écou lement massique (W) à travers le compresseur. La courbe (T) est la caractéristique de charge de la turbine, c'est-à-dire qu'elle représente l'écoulement massique d'air requis par la tur bine pour différentes pressions et pour une charge constante. La courbe C1 représente les débits maxima du compresseur lorsque les étages de sortie et précédents fonctionnent seuls, tan dis que la courbe C2 représente les débits maxima du compresseur lorsque tous les étages fonctionnent.
Admettons que le compresseur fonctionne, les étages de sortie et précédents étant seuls efficaces, c'est-à-dire selon la courbe caracté ristique C1. Il est évident d'après la fig. 4 que le compresseur peut alimenter la turbine correc tement selon ladite caractéristique mais que, aux vitesses élevées, le rapport de pressions correspondant à l'écoulement massique désiré est élevé et que le compresseur absorbe par conséquent une puissance considérable.
La con sommation de puissance du compresseur peut être réduite dans de grandes proportions aux vitesses élevées en mettant les étages d'entrée du compresseur en fonctionnement, de sorte que le compresseur fonctionne selon la courbe ca ractéristique C,. Aux faibles vitesses, la courbe C., se trouve toutefois au-dessous de la ligne de charge T de la turbine, de sorte que le débit du compresseur à ces vitesses n'est pas appro prié. En conséquence, il est alors désirable de faire fonctionner le compresseur selon la courbe caractéristique<I>Cl,</I> jusqu'au point x. par exemple, et de passer alors à la courbe caractéristique C.,, au point y de cette courbe.
On remarquera que, du fait que ce passage d'une courbe caracté ristique à l'autre a lieu à une vitesse déterminée, les points x et y se trouvent tous deux sur la même ligne de vitesse constante S. Afin de réduire encore le travail de compression lors de la mise en route, on pourrait faire fonction ner le compresseur selon la courbe caractéris tique<I>CI</I> jusqu'à une plus faible vitesse, par exemple jusqu'au point z de la courbe carac téristique<I>CI</I> et, de là, jusqu'au point y, le réglage du débit pourrait être obtenu par un réglage approprié des aubes de guidage 12 et 13.