Procédé de compression d'un gaz, et compresseur centrifuge pour la mise en aeuvre de ce procédé Les compresseurs centrifuges comportent habi tuellement autour du rotor et à son voisinage immé diat un diffuseur fixe à ailettes destiné à assurer la transformation en pression de l'énergie cinétique que possède le gaz à sa sortie du rotor.
Le taux de compression d'une roue centrifuge étant proportionnel au carré de la vitesse périphéri que sur cette roue, on a été amené à faire tourner les compresseurs à des vitesses de plus en plus éle vées, notamment afin de réduire le nombre de roues nécessaires pour obtenir un taux de compression donné. Mais une limite (en dehors de toute considé ration de résistance mécanique des organes) s'est immédiatement imposée dans cette voie ; avec la disposition habituelle à diffuseur adjacent à la roue, le rendement de la compression diminue rapidement quand le gaz atteint une vitesse voisine de celle du son en raison d'un décollement des veines de gaz par rapport aux parois des ailettes du diffuseur qui, ainsi, ne joue plus son rôle comme il le devrait.
Il a été, en conséquence, de règle jusqu'ici dans la construction des compresseurs centrifuges de se limiter à des vitesses inférieures à la vitesse du son.
L'invention a pour but de s'affranchir des incon vénients ci-dessus dus à un comportement déficient du diffuseur et de tiret parti intégralement, au point de vue de l'amélioration du taux de compression, c'est-à-dire de la réduction du nombre d'étages de compression nécessaires pour une pression finale de sortie donnée, des vitesses de rotation élevées.
Elle a pour objet un procédé de compression d'un gaz qui, à cet effet, est caractérisé en ce que l'on utilise un rotor centrifuge agencé et entraîné de façon que la vitesse absolue du gaz à la sortie de ce rotor soit supersonique et ait une direction inclinée par rapport à la direction radiale, en ce qu'on pro voque une expansion du gaz après sa sortie du rotor dans un espace annulaire libre entourant ce dernier afin d'accroître sa vitesse et ainsi réduire l'in clinaison de cette vitesse par rapport à la direction radiale,
et en ce qu'on porte ensuite le gaz à une pression finale plus élevée que la pression de fin d'expansion d'abord au moyen d'ondes de choc et ensuite en le faisant passer à travers un diffuseur à ailettes.
L'invention a également pour objet un compres seur centrifuge pour la mise en oeuvre de ce procédé, qui est caractérisé en ce qu'il comporte un espace d'expansion annulaire libre limité par des parois fixes entourant le rotor et dont la section croît avec le rayon et par un diffuseur fixe à ailettes entourant cet espace.
Le dessin représente, à titre d'exemple, une forme d'exécution du compresseur selon l'invention.
La fig. 1 est une coupe verticale diamétrale de cette forme d'exécution ; la fig. 2 en est une coupe perpendiculaire à l'axe suivant 2-2 de la fig. 1 ; la fig. 3 est un graphique qui donne, en abscis ses, en traits pleins et en traits mixtes, les vitesses du gaz respectivement pour cette forme d'exécution du compresseur et pour un compresseur classique en dif férents points de la machine, les ordonnées représen tant les distances de ces points à l'axe de rotation ;
la fig. 4 est un graphique analogue, dans lequel les ordonnées sont les mêmes que dans le graphique précédent, tandis que les abscisses donnent, en traits pleins et en traits pointillés, respectivement les pres sions dans cette forme d'exécution du compresseur et dans un compresseur classique, aux différents points précités de la machine.
Le compresseur représenté comporte un stator formé de deux parties 1 et 2, la partie 1 comportant un socle 3 et un orifice 4 de sortie du gaz comprimé, cependant que la partie 2 formant couvercle comporte un orifice 5 d'entrée du gaz.
La partie 1 du corps du compresseur comporte un fût cylindrique 6, dans lequel est emmanchée une douille 7. Dans cette douille tourillonne, par l'inter médiaire de roulements 8, l'arbre 9 du compresseur. En 10 est prévue une boîte d'étanchéité.
En bout de l'arbre 9, à l'intérieur du corps du compresseur, est claveté le rotor centrifuge A, formé d'un corps 11 pourvu d'ailettes 12 ménageant entre elles des canaux 13 dont l'entrée est axiale, cepen dant que la sortie est radiale.
L'étanchéité autour de cette roue est assurée par des labyrinthes 14 et 15 et le gaz est infléchi, vers l'entrée de la roue, par un noyau central fixe 16.
Autour du rotor est disposé un espace d'expan sion annulaire libre B et autour de ce dernier un dif fuseur à ailettes C.
L'espace annulaire B est de section radiale tra pézoïdale et sa section annulaire va en croissant du centre vers la périphérie. Cet espace B est compris entre deux flasques 17 et 18 rapportés sur la partie 1 du stator. L'entrée de cet espace est précédé par un espace annulaire 19, de très courte longueur radiale, légèrement convergent.
Le diffuseur C comprend deux couronnes 20 et 21, rapportées sur le stator et réunies par des ailettes 22 d'une longueur, dans le sens radial du compres seur, relativement réduite, et d'une courbure égale ment relativement peu prononcée, de telle sorte que les canaux 23 ménagés entre ces ailettes et les parois 20 et 21 ont, compte tenu des vitesses élevées du gaz, une section relativement peu croissante de leur extrémité centrale à leur extrémité périphérique.
Pour mieux montrer la différence entre la dis position qui vient d'être décrite et la disposition clas sique, on a représenté en traits mixtes, sur la fig. 2, quelques ailettes 22d du diffuseur d'un compresseur usuel, ne comportant pas la chambre annulaire B et dont le rotor tourne à une vitesse telle que la vitesse v1 d'entrée dans le diffuseur est inférieure à la vitesse du son.
On remarquera que ces ailettes se terminent au voisinage immédiat du rotor A, en h.
La ligne I du graphique de la fig. 3 montre que dans le compresseur classique la vitesse décroît pro gressivement de la valeur v1 à l'entrée correspondant au point d dans le diffuseur jusqu'à la valeur finale v." à la sortie du diffuseur et que, par conséquent, dans le compresseur classique, la vitesse reste cons tamment inférieure à la vitesse v1 et, par suite, à la vitesse V,s du son.
La ligne<B>111</B> du graphique de la fig. 4 donne les variations correspondantes de la pression p obtenue. Elle ne croît que très légèrement de l'entrée à la sortie du diffuseur.
Le rotor du compresseur décrit est entraîné à une vitesse telle que la vitesse absolue Vl du gaz à la sortie du rotor soit supersonique (valeur Vl supérieure à VS, vitesse du son). La direction de cette vitesse absolue Vl fait un angle considérable avec la direc tion radiale.
Du fait que la vitesse absolue du gaz Vl à la sortie du rotor est supérieure à celle VS du son, l'es pace annulaire d'expansion B provoque une augmen tation de vitesse et donc une détente. De d à e la vitesse passe de Vl à V., tandis que la pression tombe (courbe IV, fig. 4 de il à P.).
Cette augmentation de la vitesse du gaz dans l'espace libre B réduit l'incli naison de la direction de cette vitesse par rapport à la direction radiale du moment que l'espace annu laire B étant libre, l'écoulement qui s'établit dans cet espace est tel que la projection de la vitesse sur la normale au rayon varie en raison inverse du rayon.
Sur la fig. 2, les vitesses tangentielles absolues Tl et T:., sont telles que l'on a T_> < Tl puisque r,, est plus grand que r1 et comme, d'autre part, V., est plus grand que Vl, puisqu'on a créé une détente, on voit clairement sur la fig. 2 que l'on a a> > al .
On choisira de préférence pour a. une valeur allant de 50 à 700.
En fin d'expansion, à l'entrée du diffuseur, il se produit en e des ondes de choc O qui, compte tenu du fait que la vitesse V, est nettement supersonique, sont détachées des profils, de sorte qu'il ne se pro duit pas de décollement de la veine, comme dans les cas des compresseurs classiques, où les ondes de choc éventuelles, montrées en O' à la fig. 1, sont attachées aux profils des ailettes 22 du diffuseur de ces compresseurs.
La vitesse V3 après l'onde de choc fait le même angle avec la normale au rayon. La conséquence du redressement angulaire (a#,-al) se traduit par une forme beaucoup plus droite des ailettes 21 du diffu seur ; ces ailettes sont beaucoup moins incurvées que les ailettes 21u des diffuseurs classiques qui sont très inclinées à l'entrée en h et presque radiales à la sor tie en i, d'où une variation moins importante de la section des canaux 2 du diffuseur C que de celle des canaux desdits diffuseurs classiques et du même coup une diminution des causes de décollement des veines gazeuses dans le diffuseur C.
En fait, le décollement est pratiquement supprimé en raison, d'une part, du redressement précisé ci-dessus de la vitesse et, d'au tre part, de la création des ondes de choc O dans l'espace annulaire B, en amont du diffuseur. De préférence, la vitesse V., en fin d'expansion, est limitée dans l'espace libre S entre une valeur maximum inférieure à 2,3 fois la vitesse V, du son pour avoir un bon rende ment de compression de l'onde ;
et une valeur inférieure supérieure à 1,5 fois la vitesse V, du son pour que la vitesse V.; (courbe II, fig. 3) derrière l'onde O soit suffi samment inférieure à la vitesse du son de façon à avoir un bon rendement du diffuseur.
La chute de vitesse V.,-V3 à la traversée de l'onde de choc est accompagnée d'une forte hausse de pres sion P3-P. (courbe IV, fig. 4) et, finalement, à la sortie du diffuseur (en g) on obtient une pression P.,, supérieure à P3, qui correspond à un taux de compression élevé. Au moyen du compresseur décrit, il est possible d'obtenir des taux de compression pouvant atteindre 5 et même 7, alors que la roue classique subsonique, à un maximum de vitesse com patible avec un bon rendement, donne le taux de compression de l'ordre de 2.
Il en résulte que la compression réalisée dans le compresseur décrit au moyen d'un seul étage exigerait trois étages succes sifs de compression dans un compresseur classique.