EP0115451A2 - Roue pour compresseur centrifuge et procédé pour sa fabrication - Google Patents

Roue pour compresseur centrifuge et procédé pour sa fabrication Download PDF

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EP0115451A2
EP0115451A2 EP84400027A EP84400027A EP0115451A2 EP 0115451 A2 EP0115451 A2 EP 0115451A2 EP 84400027 A EP84400027 A EP 84400027A EP 84400027 A EP84400027 A EP 84400027A EP 0115451 A2 EP0115451 A2 EP 0115451A2
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buckets
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shaft
bundles
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Philippe Marchal
André Koenig
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    • F05D2300/603—Composites; e.g. fibre-reinforced

Definitions

  • the invention relates to a wheel in particular for a high peripheral speed centrifugal compressor made from pre-molded, sector-shaped buckets, juxtaposed and glued to each other in the circumferential direction to form a unitary assembly with high mechanical resistance to rupture.
  • a centrifugal compressor essentially consists of a rotor and a stator.
  • the .rotor has vanes rotating around an axis, responsible for driving the gas at their rotational speed, in order to communicate energy to it.
  • the stator in addition to constituting the casing of the machine, includes a part called a diffuser, responsible for transforming the pressure acquired by the gas into pressure.
  • the casing surrounding the rotor is of a relatively simple design.
  • closed-wheel rotors have the disadvantage of being limited in rotation speed (300 m / s for example), the external surface of revolution being subjected to greater centrifugal stresses than the blades, which leads to cracks between said blades and said outer surface, which increase with the speed of rotation.
  • wheels made of metal (steel, aluminum, titanium) are cast or mechanically welded, the first embodiment (cast) being more common in closed wheels and of small dimensions for reasons of weld accessibility.
  • the invention relates to a new compressor wheel having the originality of having both a high breaking strength, a low specific mass (allowing very high peripheral speeds and larger wheel diameters) without the need for an expensive manufacturing process or machining.
  • This object is achieved by making the wheel from pre-molded, sector-shaped troughs, made of fibers of high mechanical strength, coupled together, in a circumferential direction, by bundles of radiating wires coated with a bonding agent. and taking up the centrifugal forces, whatever the specific speed of the wheel.
  • the fibers used for the manufacture of the buckets and wire bundles are preferably fibers of carbon, boron, aromatic polyamides or glass, and the bonding or sealing agent can be advantageously chosen from epoxy resins, polyimides or phenolic.
  • the invention relates, (deviating from the drawbacks of metal wheels, cast or mechanically welded), a new type of wheel having, for a specifically low mass, a high resistance mechanical at break and therefore at bursting and thereby allowing larger diameters and higher peripheral speeds than those resulting from compressor wheels hitherto known.
  • the wheels of centrifugal compressors are generally formed by a rotor 1 defined by vanes 2, one of the ends 2 1 of which opens onto the front face called the "intake" face, the other end 2 2 communicating with a fixed diffuser 3 itself in relation to a peripheral volute 4.
  • the fluid entering the channel delimited by the blades acquires pressure and speed there, this speed being convertible into pressure in the diffuser.
  • the rotor is obviously rotated by a control shaft 5 to which it is coupled, several wheels can be stepped on the same shaft.
  • the wheel is made from buckets 6 (Fig. 2) having the particularity of being made of fibers having a high mechanical resistance to rupture, each bucket being in the form of a sector to define in itself a channel.
  • the wheel is of modular type, since it consists of a series of buckets 6 juxtaposed in a circumferential direction and made integral with one another, to form a stable unitary assembly, by bundles of radiating wires 9 coated with a liaison officer.
  • the fibers used for making the buckets are preferably carbon fibers, although boron fibers, aromatic polyamides or even glass fibers can also be used. These fibers indeed make it possible to envisage, because of their high mechanical strength, high specific speeds, but it is however necessary, given the unidirectional nature of the fiber, to use specific morphologies so that the centrifugal forces are transmitted in the direction of the fiber and not perpendicular to them.
  • Figs. 3 and 4 show the method of manufacturing a wheel according to the invention. It suffices to place in a star, on a marble 7 the troughs in the shape of a sector, taking care to leave between their lateral flanks 6 1 radial interstices 8,1 placement of the troughs being facilitated by stabilizing pins 6 2 are provided and which come to rest in the heel manner on the flat marble 7. Next, the buckets are coupled and sealed together by a stack of beams of radiating wires 9 previously coated with a bonding agent whose chemical nature is compatible with the material constituting the buckets and that constituting the wires, for example, an epoxy-type resin, if the buckets and the bundles of wires are based on carbon fibers.
  • a bonding agent whose chemical nature is compatible with the material constituting the buckets and that constituting the wires, for example, an epoxy-type resin, if the buckets and the bundles of wires are based on carbon fibers.
  • each radial gap 8 opens onto rods 11, integral with the marble and on which the connecting wires are wound.
  • This carbon fiber wheel can be coupled either to a metal axle, or to an axle also made of carbon fibers.
  • a metal axle or to an axle also made of carbon fibers.
  • axial channels obtained by pins 12 passing right through the wheel and which, when they are removed from the mold, form passages in which the fingers 13 forming the end of the drive shaft 14 will be introduced.
  • These fingers will be made integral with the wheel by a support plate 15 and bolts 16 fixed on the end of each of said fingers 13.
  • the drive shaft is made of carbon fibers, it will include, like the metal shaft, fingers 13, as illustrated in Fig. 5, but these will be positioned, inserted and sealed to the wheel, as the bundles of wires are stacked. It will suffice, in this case, that the plate 7 has a central opening for the passage of the shaft and that the fingers 13 are arranged between the axis 10 of the wheel and the ends of the buckets (as illustrated by the reference 12 in Fig. 3) so that the shaft is coupled to the wheel by coating the wires like the buckets. After cooling and removing the marble 7, the wheel and the drive shaft will form a unitary and homogeneous whole.
  • a cooking operation is then carried out in an oven, the temperature of which is defined by the type of resin used.
  • the buckets can be covered with a continuous tulip-shaped veil also produced from carbon fibers bonded leaving; of course free, the inlet openings of the buckets opening onto the front face of the wheel, the opposite end of said buckets communicating in known manner with a rotor diffuser having the general shape of an annular crown.

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Abstract

L'invention concerne une roue de compresseur centrifuge à vitesse périphérique élevée, du type constitué d'augets évidés courbes en forme de secteur, juxtaposés dans le sens circonférentiel pour former un disque associé à un arbre d'entraînement
L'invention est caractérisée en ce que les augets (6) sont constitués de fibres à haute résistance mécanique et sont reliés jointivement, dans un sens circonférentiel, par des empilages de faisceaux de fils rayonnants (9) tendus dans des interstices radiaux ménagés entre les augets, ces fils étant réalisés en un matériau du même type que celui constituant les augets et étant enduits d'un agent de liaison compatible avec le matériau constitutif des augets et des fils pour solidariser, de façon irréversible, les augets entre eux sous la forme d'un ensemble unitaire et stable.
Cette roue présente l'avantage d'être d'une grande légèreté et d'une haute résistance mécanique à la rupture, tout en autorisant des vitesses périphériques élevées.

Description

  • L'invention concerne une roue en particulier pour compresseur centrifuge à vitesse périphérique élevée réalisée à partir d'augets prémoulés, en forme de secteur, juxtaposés et collés les uns aux autres dans le sens circonférentiel pour former un ensemble unitaire à haute résistance mécanique à la rupture.
  • Il existe plusieurs types de compresseurs volumétriques tels les compresseurs à pistons, axiaux, tels les machines à hélice,centrifuges.
  • Un compresseur centrifuge est essentiellement constitué d'un rotor et d'un stator.
  • Le .rotor comporte des aubes tournant autour d'un axe, chargées d'entrainer le gaz à leur vitesse de rotation, afin de lui communiquer de l'énergie.
  • Le stator, outre qu'il constitue le carter de la machine, comporte une partie appelée diffuseur, chargée de transformer en pression la vitesse acquise par le gaz.
  • Il existe deux types de roues, ouvertes ou fermées. Dans les roues fermées, les aubes sont délimitées par deux surfaces de révolution dont l'une, interne, est reliée directement à l'axe de la machine, le parcours du gaz étant tout à fait défini dans le rotor.
  • Dans ce type de réalisation, le carter entourant le rotor est d'une conception relativement simple.
  • Ces rotors à roues fermées présentent l'inconvénient d'être limités en vitesse de rotation (300 m/s par exemple), la surface de révolution externe étant soumise à des contraintes centrifuges plus importantes que les aubes, ce qui conduit à des fissures entre lesdites aubes et ladite surface externe,qui croissent avec la vitesse de rotation.
  • Les roues ouvertes ne comportent quant à elles que la surface de révolution interne, ce qui autorise des vitesses de rotation plus élevées mais nécessite par contre un carter extérieur ajusté, donc de fabrication plus élaborée et, par conséquent, plus onéreux,
  • Ces roues, réalisées en métal (acier, aluminium, titane) sont coulées ou mécano-soudées , le premier mode de réalisation (coulé) étant plus fréquent dans les roues fermées et de petites dimensions pour des raisons d'accessibilité de soudure.
  • Vis-à-vis de ces réalisations antérieures, l'invention se rapporte à une nouvelle roue de compresseur présentant l'originalité de posséder à la fois une haute résistance à la rupture, une faible masse spécifique (autorisant des vitesses périphériques très élevées et des diamètres de roues plus importants) et ce, sans faire appel à un procédé de fabrication ou un usinage coûteux.
  • Ce but est atteint en réalisant la roue à partir d'augets prémoulés, en forme de secteur, constitués de fibres de haute résistance mécanique, accouplés entre eux, dans un sens circonférentiel, par des faisceaux de fils rayonnants enrobés d'un agent de liaison et reprenant les efforts centrifuges, quelle que soit la vitesse spécifique de la roue.
  • Les fibres utilisées pour la fabrication des augets et des faisceaux de fils sont de préférence des fibres de carbone, de bore, de polyamides aromatiques ou de verre, et l'agent de liaison ou de scellement peut être avantageusement choisi dans les résines époxy, polyimides ou phénoliques.
  • Le procédé pour l'obtention d'une telle roue est illustré à titre d'exemple non limitatif sur les dessins annexés dans lesquels :
    • - la Fig. 1 est une vue schématique d'une roue connue de compresseur ;
    • - la Fig. 2 est une vue en perspective d'un des augets entrant dans la constitution de la roue de compresseur selon l'invention ;
    • - la Fig. 3 est une vue de dessus de la roue en cours de réalisation ;
    • - la Fig. 4 est une section diamétrale selon la ligne II-II de la Fig. 3 ;
    • - la Fig. 5 est une vue en perspective, selon un mode de réalisation préférentiel, de l'arbre d'entrainement de la roue ;
    • - la Fig. 6 est une section selon la ligne III-III de la Fig. 3 montrant l'accouplement de la roue avec un arbre du type illustré en Fig. 5 ;
    • - la Fig. 7 est une vue en coupe illustrant l'accouplement de la roue avec un arbre de type métallique.
  • Comme indiqué dans le préambule de la demande, l'invention concerne,(s'écartant en cela des inconvénients des roues en métal, coulé ou mécano-soudé), un nouveau type de roues présentant, pour une masse spécifiquement faible, une haute résistance mécanique à la rupture et donc à l'éclatement et autorisant, de ce fait, des diamètres plus importants et des vitesses périphériques plus élevées que ceux résultant des roues de compresseurs jusqu'alors connues.
  • Comme illustré schématiquement sur la Fig. 1, les roues de compresseurs centrifuges sont généralement formées d'un rotor 1 défini par des aubes 2 dont une des extrémités 21 débouche sur la face avant dite "d'admission", l'autre extrémité 22 communiquant avec un diffuseur fixe 3 lui-même en relation avec une volute périphérique 4. Le fluide pénétrant dans la canal délimité par les aubes y ac- quiert de la pression et de la vitesse, cette vitesse étant transformable en pression dans le diffuseur. Le rotor est évidemment entrainé en rotation par un arbre de commande 5 auquel il est accouplé, plusieurs roues pouvant être étagées sur un même arbre.
  • Selon l'invention, et comme cela résultera du mode de réalisation préférentiel ci-après décrit, la roue est réalisée à partir d'augets 6 (Fig. 2) présentant la particularité d'être constitués de fibres ayant une grande résistance mécanique à la rupture, chaque auget étant en forme de secteur pour définir en soi un canal. La roue est de type modulaire, puisqu'elle est constituée d'une série d'augets 6 juxtaposés dans un sens circonférentiel et rendus solidaires les uns des autres, pour former un ensemble unitaire stable,par des faisceaux de fils rayonnants 9 enrobés d'un aaent de liaison.
  • Les fibres utilisées pour la fabrication des augets sont de préférence des fibres de carbone, bien que l'on puisse également utiliser des fibres de bore, de polyamides aromatiques ou même des fibres de verre. Ces fibres permettent en effet d'envisager, en raison de leur haute résistance mécanique, des vitesses spécifiques élevées, mais il faut toutefois, étant donné le caractère unidirectionnel de la fibre, utiliser des morphologies spécifiques pour que les efforts centrifuges soient transmis dans la direction de la fibre et non perpendiculairement à celles-ci.
  • Les Fig. 3 et 4 montrent le procédé de fabrication d'une roue selon l'invention. Il suffit de placer en étoile,sur unmarbre 7 les augets en forme de secteur, en prenant soin de laisser subsister entre leurs flancs latéraux 61 des interstices radiaux 8,1 mise en place des augets étant facilitée par des pions stabilisateurs 62 dont ils sont pourvus et qui viennent reposer à la manière de talon sur le marbre plan 7. On réalise ensuite l'accouplement et le scellement des augets entre eux par un empilage de faisceaux de fils rayonnants 9 préalablement enduits d'un agent de liaison dont la nature chimique est compatible avec le matériau constituant les augets et celui constituant les fils, par exemple, une résine de type époxy, si les augets et les faisceaux de fils sont à base de fibres de carbone. Le fil 9 est continu et est fortement tendu entre deux paires opposées d'augets, sa direction étant parallèle aux bords latéraux des augets mais s'écartant légèrement du centre 10 de la roue pour permettre un empilage acceptable des fils qui vont ainsi se croiser légèrement en-dehors de ce centre et s'empiler sous la forme de faisceaux sur la hauteur des augets. Comme visible en Fig. 4, chaque interstice radial 8 débouche sur des tiges 11,solidaires du marbre et sur lesquelles s'enroulent les fils de liaison.
  • Lorsque l'empilage des faisceaux de fils est ainsi réalisé, on fait une polymérisation en étuve, de manière à obtenir un disque unitaire stable et homogène.
  • Il suffit ensuite de procéder au sectionnementdesfils et à l'ébavurage rapide de ce disque pour obtenir une roue de compresseur prête à l'emploi, sans autre opération d'usinage ou d'arasage autre qu'un équilibrage effectué avant ou après accouplement sur l'arbre de transmission. Le sectionnement des fils se fait sur la périphérie de la roue et sur sa face d'admission en suivant le profil concave 63 des augets (fig.4) pour obtenir 13 roue telle qu'illustrée en fig.6.
  • On peut accoupler cette roue en fibres de carbone soit à un axe métallique, soit à un axe également en fibres de carbone. Dans le premier cas, comme illustré en Fig. 7, il est possible de ménager, au cours de la fabrication de la roue, c'est-à-dire pendant l'empilage des faisceaux de fils de liaison, des canaux axiaux obtenus par des broches 12 traversant la roue de part en part et qui, au démoulage, forment des passages dans lesquels seront introduits les doigts 13 formant l'extrémité de l'arbre d'entrainement 14. Ces doigts seront rendus solidaires de la roue par une plaque d'appui 15 et des boulons 16 fixés sur l'extrémité de chacun desdits doigts 13.
  • Si l'arbre d'entrainement est en fibres de carbone, il comprendra, à l'instar de l'arbre métallique, des doigts 13, comme illustré en Fig. 5, mais ceux-ci seront positionnés, insérés et scellés à la roue, au fur et à mesure de l'empilage des faisceaux de fils. Il suffira, dans ce cas, que le marbre 7 comporte une ouverture centrale pour le passage de l'arbre et que les doigts 13 soient disposés entre l'axe 10 de la roue et les extrémités des augets (comme illustré par la référence 12 en Fig. 3) pour que l'arbre soit accouplé à la roue par l'enduction des fils à l'image des augets. Après refroidissement et retrait du marbre 7, la roue et l'arbre d'entrainement formeront un ensemble unitaire et homogène.
  • Pour obtenir une résistance thermique appropriée de l'ensemble, on procède ensuite à une opération de cuisson dans une étuve, dont la température est définie par le type de résine employée. En outre, si l'on désire obtenir une roue fermée, on pourra recouvrir les augets d'un voile continu en forme de tulipe réalisé également à partir de fibres de carbone collées en laissant; bien entende libres, les ouvertures d'admission des augets débouchant sur la face avant de la roue, l'extrémité opposée desdits augets communiquant de façon connue avec un diffuseur rotorique ayant la forme générale d'une couronne annulaire. En outre, on peut également éviter des turbulences et améliorer l'aérodynamisme en collant sur la face arrière de la roue un disque en fibres de carbone ceinturant l'arbre d'entrainement qui, s'il est également en fibres, sera avantageusement chemisé à l'aide d'un fourreau métallique pour servir simultanément d'axe.
  • Ainsi, grâce à la légèreté et à la haute résistance des fibres de carbone constituant les augets, on obtient, par une reprise et un report des forces centrifuges sur les faisceaux de fils de liaison, une roue d'une masse spécifique faible autorisant des vitesses périphériques élevées et des diamètres plus importants qu'avec les roues de compresseurs connus en métal, le procédé pour l'obtention de ces roues perfectionnées étant simple et réduisant au minimum l'usinage qui grèvait jusqu'alors le coût de production des roues de compresseurs.

Claims (7)

1. Roue de compresseur centrifuge à vitesse périphérique élevée, du type constitué d'augets évidés courbes en forme de secteur, juxtaposés dans le sens circonférentiel, pour former un disque associé à un arbre d'entrainement, caractérisée en ce que les augets (6) sont constitués de fibres à haute résistance mécanique et so.nt reliés jointivement,dans ce sens circonférentiel,par des empilages de faisceaux de fils rayonnants (9) tendus dans des interstices radiaux ménagés entre les augets, ces fils étant réalisés en un matériau du même type que celui constituant les augets et étant enduits d'un agent de liaison compatible avec le matériau constitutif des augets et des fils pour solidariser, de façon irréversible, les augets entre eux sous la forme d'un ensemble unitaire et stable.
2. Roue selon la revcndication 1, caractérisée en ce que les augets (6) sont en fibres de carbone, en fibres de bore, de polyamides aromatiques ou de verre.
3. Roue selon la revendication 1, caractérisée en ce que les faisceaux de fils (9) sont constitués de fibres de carbone, de bore, de polyamides aromatiques ou autres, l'agent de liaison enrobant ces fils étant choisi dans la famille des résines, par exemple époxy, polyimides ou phénoliques.
4. Roue selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisée en ce qu'elle est fixée sur un arbre métallique (14) ou un arbre en fibres de carbone.
5. Procédé pour l'obtention d'une roue de compresseur conforme à l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que l'on dispose en étoile les augets (6) sur un marbre (7) en ménageant entre eux des interstices rayonnants que l'on remplit progressivement de couches superposées de faisceaux de fils enrobés (9), ceux-ci étant rendus dans lesdits interstices selon une direction sensiblement parallèle aux bords latéraux (61) des augets, puis, après séchage et durcissement, on sectionne et on arase les faisceaux de fils d'une part, sur la périphérie du disque continu ainsi formé, et d'autre part, sur la face avant des augets, afin d'obtenir une roue finie, sans usinage ultérieur, la face arrière de cette roue pouvant être obturée par un disque de fibres de carbone rapporté.
6. Procédé selon la revendication 5, caractérisé en ce que l'on fixe la roue sur un arbre de carbone dont l'extrémité est pourvue de doigts (13) que l'on insère et que l'on noit dans la roue au cours de sa fabrication, l'arbre ainsi solidaire de la roue étant, si nécessaire, chemisé à l'aide d'un fourreau métallique.
7. Procédé selon la revendication 6, caractérisé en ce que, si l'arbre est métallique, on ménage dans la roue, au cours de sa fabrication, des canaux axiaux (12) la traversant de part en part, ceux-ci étant destinés à recevoir les doigts (13) formant l'extrémité de l'arbre, après quoi on solidarise l'ensemble par des organes de blocage (15-16) fixés sur la face avant de la roue.
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FR8301162A FR2539824A1 (fr) 1983-01-26 1983-01-26 Roue pour compresseur centrifuge et procede pour sa fabrication

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Publication Number Publication Date
EP0115451A2 true EP0115451A2 (fr) 1984-08-08
EP0115451A3 EP0115451A3 (en) 1984-08-22
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EP84400027A Expired EP0115451B1 (fr) 1983-01-26 1984-01-06 Roue pour compresseur centrifuge et procédé pour sa fabrication

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US (1) US4676722A (fr)
EP (1) EP0115451B1 (fr)
JP (1) JPS59150997A (fr)
KR (1) KR840007267A (fr)
AT (1) ATE23211T1 (fr)
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