CH466492A - Compresseur centrifuge - Google Patents

Description

  Compresseur     centrifuge       La présente invention a pour objet un compresseur       centrifuge    comprenant un rotor monté sur un arbre et  comprenant deux cloisons disposées en regard l'une de  l'autre et dont l'une présente dans sa partie     centrale    une  ouverture d'entrée pour le gaz à comprimer, une série  d'aubes reliées aux cloisons et s'étendant depuis l'ouver  ture d'entrée jusqu'à la périphérie du rotor, un stator  disposé autour du rotor et comprenant deux     cloisons     disposées en regard l'une de l'autre et délimitant entre  elles une ouverture d'entrée pour le     gaz    alignée     radiale-          ment    sur la périphérie du rotor,

   et des aubes     diffuseuses          placées    entre les cloisons du stator et s'étendant depuis  l'ouverture d'entrée du stator jusqu'à son ouverture de  sortie située à sa périphérie.  



  La construction de compresseurs     centrifuges    destinés  à fournir un débit de gaz comprimé relativement faible,  mais sous une pression élevée, présente de nombreuses       difficultés.        En    effet, une première     condition    que doivent  remplir de     tels    compresseurs est d'être d'un prix de  revient relativement faible.     Cependant,    si dans les com  presseurs à débit élevé, il est possible de simplifier la  construction des     diffuseurs,    par exemple en réalisant ces  éléments sans aubes,     cette    solution n'est pas applicable  lorsque le compresseur est dimensionné pour un faible  débit.

   Dans un tel     compresseur,    la     présence    d'aubes     dif-          fuseuses    est essentielle si l'on tient à ce que le rende  ment atteigne une valeur     acceptable.     



  De même, le rotor du compresseur devra être d'une  construction simplifiée,     susceptible    d'être réalisée avec  des moyens rationnels tout en assurant un refoulement  dans des conditions aérodynamiques aussi bonnes que  possible.  



  La présente invention a donc pour but de réaliser  un     compresseur        centrifuge    du genre mentionné ci-des  sus, qui puisse être construit pour des débits réduits par  exemple 2300 à 2800 litres d'air par minute à une pres-         sion    de l'ordre de 7 atm et qui travaille avec un bon ren  dement tout en étant d'un prix de revient très faible.  



  Pour     cela,    le compresseur selon l'invention est     carac-          térisé    en     ce    que le rotor et le stator sont constitués d'élé  ments de tôle et en ce que la largeur de     l'espace    entre  la périphérie du rotor et le stator est inférieure à 1 % du  diamètre du rotor.  



  Plusieurs formes d'exécution du compresseur, objet  de l'invention, seront décrites, à titre d'exemple, en se  référant au dessin annexé, dans lequel  la     fig.    1 est une vue en coupe longitudinale schéma  tique de la première forme d'exécution, selon la ligne       I-I    de la     fig.    2 ;  la     fig.    2 est une vue transversale partiellement en  coupe selon la ligne     II-II    de la     fig.    1 ;  la     fig.    3 est une vue en coupe partielle selon la ligne       III-III    de la     fig.    2 ;

    la     fig.    4 est une vue schématique en     coupe    d'une       seconde    forme d'exécution du compresseur selon la ligne  4-4 de la     fig.    6 ;  la     fig.    5 est une vue semblable à     celle    de la     fig.    4,  montrant une autre modification, et  la     fig.    6 est une vue transversale en coupe par la  moitié selon la ligne 6-6 de la     fig.    4.  



  Le compresseur représenté à la     fig.    1 comprend une  enveloppe 1 en forme de virole     cylindrique    présentant  des fonds 2 et 3 qui assurent le pivotement d'un arbre 4  grâce à des     paliers    5 et 6. Une ouverture d'entrée d'air 7  est pratiquée     dans    le fond 2 et     une    ouverture de sortie 6  équipe le fond 3.  



       Le    compresseur comprend une série de rotors cen  trifuges 10 comprenant chacun deux plaques 11 et 12  espacées dans le sens longitudinal de l'arbre 4. La plaque  frontale 11 de chaque rotor est pourvue d'une ouverture       centrale    13     coaxiale    à l'arbre 4. Une ouverture d'entrée  d'air est ménagée dans le rotor entre les plaques 11 et  12. Chaque plaque postérieure 12 présente une ouver-           ture        centrale    qui reçoit l'arbre 4 et est reliée à     cet    arbre  de façon à assurer la rotation du rotor avec l'arbre.

   On  obtient ce résultat en utilisant des organes     d'espacement          intermédiaires    14 et un organe d'espacement final 15 qui  s'appuie contre un épaulement 16 de l'arbre. Les orga  nes 14 sont logés entre des rotors 10     adjacents    et sont  maintenus en place par un écrou de blocage 17, chaque  plaque 12 étant     pincée    sur l'arbre de façon à tourner  avec lui et l'organe 14 antérieur étant claveté comme on  le voit en 18.  



  Les plaques antérieures 11 sont montées sur les pla  ques 12 qui leur sont associées par     l'intermédiaire    des       aubes    20 qui s'étendent dans le sens radial et dont la  courbure peut être choisie en fonction des     caractéristi-          ques    que l'on     désire    obtenir.  



  Ainsi, chaque rotor comprend des plaques 11 et 12  la     plaque    12 assurant sa     fixation    à l'arbre. Les aubes 20  et     les    plaques 11 et 12 de chaque rotor peuvent être  fixées les unes aux autres par soudage ou par tout autre       procédé    connu.  



       L'ouverture    de sortie 21 est pratiquée à la périphérie  de chaque rotor entre les plaques 11 et 12.     Ainsi,    Pair  entre     dans    le rotor par l'ouverture d'aspiration     centrale     13 et est refoulé à travers l'ouverture 21 à la périphérie  du rotor.  



  Les stators 22 sont placés à la périphérie des rotors  et chacun d'eux comprend des plaques ou cloisons 23 et  24     espacées    dans la direction longitudinale de l'arbre.  L'élément antérieur 23 de chaque stator s'étend     radiale-          ment    vers l'extérieur jusqu'à l'enveloppe 1     formant    ainsi  une cloison d'arrêt entre les disques rotatifs     successifs.     La position est ainsi déterminée.

   La plaque arrière     2 < l.     se     termine    à     courte        distance    de l'enveloppe afin de for  mer une ouverture de sortie 25 autour de la périphérie  du stator, cette ouverture étant dirigée vers l'arrière, en  direction de l'axe du rotor.  



  Chaque élément     statorique    23 et 24 présente une  portion 26 et 27 qui s'étend     radialement    vers l'intérieur  en travers des plaques 11 et 12 de façon à les recouvrir  et les entourer. Les portions 26 s'étendent jusqu'aux  environs des ouvertures d'entrée en formant ainsi des  organes de guidage renversant le sens du flux d'air. Les  portions de recouvrement 27 des     pièces        statoriques     arrière s'étendent jusqu'aux environs des organes d'espa  cement 14 et 15 et fonctionnent donc comme organes  de guidage de retour d'air. Les     prolongements    26 et 27  forment ainsi une enveloppe qui entoure entièrement le  rotor auquel ils sont associés.  



  Les stators 22 sont maintenus à la distance voulue  par des pièces d'espacement 28 qui s'étendent entre les  stators à certains endroits, autour de leur périphérie.  Elles présentent des brides d'extrémités 29 disposées     vis-          à-vis    les unes des autres afin de permettre leur fixation  aux stators. Les parois extrêmes 2 et 3 sont amovibles  et les     stators    22 ainsi que les rotors 10 peuvent être  extraits de l'enveloppe 1 par l'une ou l'autre de ses  extrémités.  



  Les éléments     statoriques    antérieurs 23 s'étendent vers  l'extérieur, vers l'enveloppe 1. Les éléments 24 sont  maintenus en     place    à côté des éléments 23 par des aubes       diffuseuses    30. Ces aubes sont disposées par paires et  fabriquées à partir d'une seule     pièce    de tôle     métallique     formant deux aubes et une languette de raccordement 31.  Les aubes 30 divergent vers l'extérieur, leur angle d'en  trée correspondant à     celui    de l'air qui quitte le rotor.

    On obtient ainsi des passages de sections croissantes à  partir de l'entrée 32 du stator qui est située dans une    position espacée     radialement    par rapport à l'ouverture  de sortie 21 du rotor correspondant jusqu'à l'ouverture  25 de sortie du stator.  



  Il en résulte que l'air partiellement comprimé est  décéléré suffisamment pour que son passage à travers  l'ouverture 25 dans l'entrée 11 du rotor suivant se fasse  sans choc et sans pertes. En utilisant toute la périphérie  de l'enveloppe 2 pour le refoulement de l'air, on obtient  un passage 25 de section suffisante pour conduire l'air       avec    un bon rendement dans l'étage de compression sui  vant à l'intérieur des limites de l'enveloppe du compres  seur circulaire 1. Les languettes 31 constituent un moyen  avantageux pour fixer les aubes aux éléments     statoriques     23, par des points de soudure ou des rivets.  



  Pour simplifier la     fabrication    et l'assemblage, on  peut, de préférence, former les rotors 10 et les stators 22  en tôle     mince.    Mais     l'utilisation    de     cette    matière pose  un problème de résistance qui peut être résolu de la  façon suivante:  Chaque plaque de rotor 11, 12 présente une zone  périphérique de faible hauteur de forme tronconique.  Les zones relevées des plaques correspondantes 11 et 12  convergent vers la périphérie du rotor.

   De même, chaque  plaque de recouvrement de stator 26, 27 présente une  forme tronconique de faible hauteur convergeant vers la  périphérie du rotor et reliée aux portions actives du sta  tor au-delà de la périphérie du rotor par des languettes  de     liaison    32 qui convergent plus fortement. Cette forme  d'assiette assure le raidissement nécessaire pour permet  tre l'utilisation de tôle mince.  



  L'arbre 4 est maintenu de     facon    amovible dans sa  position axiale par un épaulement 33 disposé entre des  rondelles d'appui 34 retenues dans une enveloppe 34,  l'arbre     s'étendant    au-delà de l'enveloppe et présentant à  l'extérieur une portée de prise de     force.     



  Le compresseur décrit est plus spécialement prévu  pour opérer dans des conditions de débit faibles par  exemple de l'ordre de     2300-28001/mn.    Il peut fonction  ner avec un rendement satisfaisant dans un domaine où  les compresseurs usuels ne peuvent absolument pas fonc  tionner. Une des     caractéristiques    importantes qui assu  rent l'obtention de ce résultat est le fait que le stator  présente un grand nombre d'aubes diffusantes     minces     par exemple 40 aubes, disposées très près du rotor       comme    on le voit en 30 aux     fig.    1 à 3 et en 30'     dans    les       fig.    4 à 6.

   Il ne subsiste que les espaces     nécessaires    aux  jeux de fonctionnement entre la périphérie du rotor et  l'entrée du stator,     l'espacement    entre     ces        pièces    est exa  géré dans le dessin pour     faciliter    la représentation.  



       Le    jeu radial entre la sortie du rotor et les aubes du       diffuseur    est tel que le chemin depuis     la    sortie du rotor  jusqu'à l'entrée du stator n'est pas plus grand, et même  de     préférence    inférieur à la distance que le flux d'air  sortant du rotor parcourt sans perte notable d'énergie.  Pour atteindre ce résultat, le jeu radial doit être infé  rieur à 1 % du diamètre du rotor. Il sera par exemple  0,1 mm pour un rotor ayant un diamètre de 150 mm.  



  On prévoit un     grand        nombre    d'aubes très rappro  chées, ce qui donne une section de passage bien propor  tionnée, à haut rendement et un angle d'expansion favo  rable même à faible débit. Cependant, si on dispose un  trop grand nombre d'aubes, il en résulte des frottements       excessifs        dans    les couches     limites.    L'angle d'expansion  optimum est de l'ordre de 7 à 100,     ce    qui exige 36 à 52  aubes. Pour éviter les remous dans le flux d'air, on forme  les aubes dans de la tôle mince. Les aubes sont, en prin-           cipe    plates et droites, ce qui évite les perturbations dues  à une courbure des aubes.  



  La turbulence de l'air résulte de la séparation qui  peut se produire dans le rotor. Elle se produit sur le  bord arrière et les surfaces arrière des aubes 20. L'air  tend à se décoller et se séparer des     surfaces    des aubes  sur le côté où se produit la succion, pendant qu'il suit le  canal entre deux aubes du rotor. Il se forme une couche  limite d'air stagnant le long de la     surface    arrière des  aubes 20. Cet air stagnant produit la turbulence de l'air  quittant le rotor.  



  La séparation de l'air peut également se produire sur  la surface interne de la plaque<B>11.</B> L'air qui entre dans le  rotor tend à se séparer et s'écarter de la surface interne  de la paroi 11 en créant une couche limite non     contrôlée     d'air stagnant qui induit une     turbulence    supplémentaire  de l'air qui quitte le rotor.  



  Ces perturbations du courant d'air venant du rotor  influencent défavorablement le rendement du stator dans  des conditions de fonctionnement à faible débit. Une  amélioration des conditions dans le rotor, bien qu'elle  n'améliore pas directement le rendement de     cette    pièce,  améliore en revanche le fonctionnement du stator de  sorte qu'on obtient une augmentation inattendue du ren  dement à faible débit.  



  La séparation de l'air dans le rotor est évitée, dans  le compresseur décrit de la façon suivante  Le compresseur représenté aux     fig.    4, 5 et 6 est sem  blable d'une façon     générale    à celui des     fig.    1 à 3. Il com  prend une série de rotors 10' composés chacun d'une  paire de     p1.        ques    11' et 12' parallèles dans le sens de  l'arbre 4. La paroi avant 11' de     chaque    rotor présente  une ouverture d'entrée centrale coaxiale à l'arbre 4'.

    Les parois 11' sont montées sur les parois correspon  dantes 12' par     l'intermédiaire    des aubes radiales qui  peuvent être incurvées selon les besoins afin d'obtenir  les caractéristiques de fonctionnement désirées. Les cloi  sons 12' sont fixées à l'arbre 4 comme indiqué précé  demment.  



  Cependant, contrairement à ce qui était représenté  aux     fig.    1 à 3, les rotors ne comprennent pas des aubes  20 qui s'étendent     radialement    depuis l'entrée jusqu'à la  sortie du rotor d'une façon     continue    et ininterrompue,  du fait que l'air passant sur les surfaces arrière des aubes  a tendance à se décoller des aubes 20. En revanche,  l'exécution des     fig.    4-6 comprend des aubes segmen  tées, chaque aube étant composée d'une série d'éléments  20' qui s'étendent depuis l'entrée jusqu'à la sortie du  rotor, en se recouvrant, ces segments 20' étant décalés       radialement    et sur la périphérie du rotor.

   Les extrémités  internes des segments extérieurs recouvrent les extrémi  tés externes des segments intérieurs sur leurs faces amont  à des endroits où normalement il se présenterait des ris  ques de décollement.  



  Il résulte de     cette    construction     segmentée    des aubes  que l'air passant à travers le rotor le long des     faces     amont des segments d'aubes sont les segments adjacents  sur leurs     surfaces    arrière. L'air sortant ainsi du rotor  passe de l'espace     compris    entre une paire de segments  à     l'espace    compris entre les paires suivantes. De ce fait,  l'air est dirigé sur les surfaces arrière des segments exté  rieurs de façon à éviter la formation de zones de remous.  On maintient ainsi la formation des couches limites  stagnantes.  



  Cependant, le problème du décollement de l'air sub  siste sur la cloison antérieure 11' du rotor. Il n'en est    même que plus important. Dans l'exécution selon les       fig.    4 à 6     ce    problème est résolu par des déflecteurs  annulaires 36 et 37 situés dans l'ouverture d'entrée de  l'air dans le rotor. Les déflecteurs 36 et 37 sont coaxiaux  à l'arbre 4. Leur     forme    en coupe est semi-circulaire.

   Ils  sont     incurvés    autour d'un axe semi-circulaire comme on  le voit aux     fig.    4 et 5.     Les    anneaux déflecteurs 36 sont       reliés    par leurs côtés extérieur, supérieur, à l'extrémité  inférieure de la ligne de stator 26' antérieure et s'incur  vent vers le bas et l'intérieur puis vers le haut pour se  terminer à     proximité        immédiate,    mais non au contact  du bord     inférieur    de la paroi antérieure 11' du rotor.  Seuls subsistent entre     ces    pièces les jeux qui assurent le  fonctionnement.  



  Les     anneaux    déflecteurs 37 sont placés approxima  tivement au milieu entre les déflecteurs 36 et des     colliers          d'espacement    14' dont les     extrémités    recourbées vers le  haut sont     placées,    l'une à proximité du bord inférieur  des segments 20' et l'autre entre des paires adjacentes de  stator 22' comme on le voit à la     fig.    4. Les déflecteurs 37  sont portés par les déflecteurs 36. Ils sont montés sur  eux par     l'intermédiaire    de languettes 38 réparties autour  de l'arbre 4.

   Ces languettes sont par exemple au nombre  de 4 et s'étendent     axialement    par     rapport    à l'arbre 4       afin    de ne créer qu'un minimum     d'interférences    avec  le flux d'air traversant le rotor.  



  Ainsi, les déflecteurs 36 et 37 forment des passages  d'entrée au rotor qui présentent une disposition radiale  et guident l'air entre les étages     successifs    du compres  seur et des passages de sortie dirigés     radialement    vers  les rotors. Ces moyens permettent de régler     l'entrée    d'air  dans les rotors 10'. Il se produit un flux d'air dirigé selon  la face interne des cloisons 11'. On maîtrise ainsi la for  mation de la couche limite qui, autrement, se formerait  sur ces     surfaces.     



  Le contrôle de Pair entrant dans le rotor assure, lors  qu'on utilise le stator décrit, un rendement qui atteint  des valeurs inattendues supérieures de 10 % environ aux  valeurs usuelles, de sorte qu'un compresseur bâti pour       comprimer    un débit d'air de 2300 à     28001/mn    à 7 atm  présente un rendement de l'ordre de 70 %.  



  Dans l'exécution de la     fig.    5, les parois du rotor sont  prolongées au-delà des aubes comme on le voit en 39.  Ceci assure une diffusion partielle dans des conditions  qui     correspondent    pratiquement à une     absence    de vitesse  relative. La     distance    parcourue par l'air par rapport aux  parois 39 qui l'environnent est relativement courte. Le  rendement de la diffusion est donc très élevé. On obtient  ainsi un rendement meilleur et une pression de refoule  ment supérieure.

Claims (1)

1. REVENDICATION Compresseur centrifuge comprenant un rotor monté sur un arbre et comprenant deux cloisons disposées en regard l'une de l'autre et dont l'une présente dans sa partie centrale une ouverture d'entrée pour le gaz à comprimer, une série d'aubes reliées aux cloisons et s'étendant depuis l'ouverture d'entrée jusqu'à la péri phérie du rotor, un stator disposé autour du rotor et comprenant deux cloisons disposées en regard l'une de l'autre et délimitant entre elles une ouverture d'entrée pour le gaz alignée radialement sur la périphérie du rotor,

   et des aubes diffuseuses placées entre les cloisons du stator et s'étendant depuis l'ouverture d'entrée du stator jusqu'à son ouverture de sortie située à sa péri phérie, caractérisé en ce que le rotor et le stator sont constitués d'éléments de tôle, et en ce que la largeur de l'espace entre la périphérie du rotor et le stator est inférieure à 1 % du diamètre du rotor. SOUS-REVENDICATIONS 1. Compresseur selon la revendication, caractérisé en ce que les cloisons du rotor sont formées de deux plaques métalliques dont l'une présente l'ouverture d'en trée au rotor et dont l'autre est fixée à l'arbre.

   2. Compresseur selon la revendication, caractérisé en ce que les cloisons qui constituent les éléments du rotor ont une forme tronconique et convergent vers la périphérie du rotor. 3. Compresseur selon la revendication, caractérisé en ce que les cloisons statoriques s'étendent radiale- ment vers l'intérieur à travers les cloisons du rotor, dans des positions décalées axialement par rapport à elles. 4.

   Compresseur selon la sous-revendication 3, carac térisé en ce qu'au moins une des cloisons du rotor et la portion de cloison statorique correspondante sont de forme légèrement tronconique, les cloisons statoriques et rotoriques correspondantes convergeant vers la péri phérie du rotor. . 5. Compresseur selon la revendication, caractérisé par des aubes diffuseuses délimitant des passages dont l'angle d'entrée est sensiblement égal à celui de l'air quittant le rotor. 6.

   Compresseur selon la sous-revendication 5, carac- térisé en ce que les aubes font un angle de 7 à 100 par rapport à la périphérie du rotor. 7. Compresseur selon la revendication, caractérisé en ce qu'il comprend une enveloppe extérieure, en ce que les cloisons statoriques comprennent pour chaque stator une paire de plaques métalliques dont une s'étend à l'extérieur jusqu'à l'enveloppe et dont l'autre se termine à distance de celle-ci de façon à délimiter une ouverture de sortie du stator. 8.

   Compresseur selon la sous-revendication 7, carac térisé en ce que l'ouverture de sortie de chaque élément statorique est continue sur toute la périphérie de l'élé ment. 9. Compresseur selon la sous-revendication 7, carac térisé en ce que l'enveloppe est formée d'une virole cylin drique dans laquelle le rotor est disposé de façon que son axe coïncide avec celui de la virole, et en ce que des cloisons d'extrémité ferment l'enveloppe, l'une d'elles présentant une ouverture d'admission d'air et les deux cloisons portant des paliers supportant rarbre. 10.

   Compresseur selon la sous-revendication 9, caractérisé en ce que l'assemblage statorique est engagé dans la virole de l'enveloppe et fixé de façon amovible, cet assemblage pouvant être démonté par une des extré mités de l'enveloppe. 11.

   Compresseur selon la sous-revendication 9, caractérisé en ce que l'arbre porte au moins deux élé ments rotoriques, et en ce que le stator comprend au moins deux éléments statoriques, chaque élément stato- rique étant formé de pièces démontables assemblées l'une sur l'autre et en ce que des organes d'espacement répartis sur la circonférence des stators, entre eux, main tiennent ces derniers dans la position requise. 12.

   Compresseur selon la sous-revendication 11, caractérisé en ce que les organes d'espacement sont en contact avec la face interne de la virole. 13. Compresseur selon la revendication, caractérisé en ce que les aubes diffuseuses sont assemblées par paires formées chacune d'une pièce avec une cloison de liaison, cette cloison étant fixée à une des plaques de stator afin d'assurer l'assemblage. 14.

   Compresseur selon la revendication, caractérisé par des organes déflecteurs de forme annulaire situés dans l'ouverture d'entrée de chaque élément de rotor et agencés de façon à diriger l'air radialement dans le rotor. 15. Compresseur selon les sous-revendications 3 ou 4, caractérisé en ce qu'il comprend des aubes d6flectri- ces concentriques et annulaires portées par une cloison statorique à distance de l'ouverture d'entrée d'air de façon à diriger l'air radialement dans l'élément de rotor. 16.

   Compresseur selon la revendication, caractérisé par des aubes directrices situées entre les cloisons de chaque rotor, entre l'ouverture d'entrée et l'ouverture de sortie du rotor, réparties autour de l'axe. 17. Compresseur selon la sous-revendication 16, caractérisé en ce. que chacune de ces aubes est formée de segments espacés dans le sens radial dont les extré mités se recouvrent et sont réparties sur la périphérie du rotor. 18. Compresseur selon la sous-revendication 17, caractérisé en ce que les parties internes des segments extérieurs recouvrent les parties externes des segments intérieurs afin de diriger l'air sur les faces arrière des segments extérieurs. 19.

   Compresseur selon l'une des sous-revendications 17 ou 18, caractérisé en ce que les cloisons des rotors s'étendent à l'extérieur au-delà des aubes directrices.