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La présente invention concerne un générateur de gaz sous pression pouvant être incorporé dans toute espèce d'installations et machines dans lesquelles un tel générateur peut être utilisé, telles que turbines à gaz ou autres machines fonctionnant suivant le cycle de la turbine à gaz.
Le dispositif conforme à l'invention, compte tenu de sa construc- tion et de son fonctionnement ci-après décrits est désigné dans ce qui suit sous le nom de "turbocompresseur à combustion"o
Ce dispositif comporte fondamentalement un rotor calé sur un ar- bre monté à rotation et enfermé dans une enveloppe étanche aux gaz et mu- nie, à ses extrémités respectives, d'une ouïe d'admission d'air et d'une ouie d'échappement des gaz, ledit rotor comprenant, du côté de l'admission d'air, une roue de compresseur centrifuge à aubages radiaux ou quasi-radiaux et, du côté de l'échappement des gaz, une roue centripète à aubages radiaux ou quasi-radiaux analogue à la roue de compresseur, l'ensemble dudit rotor et de l'enveloppe étanche étant agencé pour que le flux gazeux aspiré par l'ouïe d'admission, sous forme d'air pur,
s'éloigne tout d'abord de l'axe du rotor avec un mouvement de rotation autour de cet axe, sous l'action de la roue de compresseur, puis soit dirigé vers la roue centripète en conser- vant son mouvement de rotation, et en atteignant la roue centripète, retour- ne vers l'axe du rotor pour être refoulé par l'ouïe d'échappement, des moyens étant prévus pour injecter et enflammer un fluide combustible en au moins une région de l'espace compris entre l'entrée de la roue de compres- seur et la sortie de la roue centripète, et d'autres moyens étant prévus pour assurer l'entraînement en rotation du rotor.
La roue de compresseur centrifuge et la roue cenripète peuvent être soit des types centrifuge et centripète simples, soit des types héli- co-centrifuge et hélico-centripèteo L'inclinaison du bord d'attaque des aubages du compresseur est, de préférence calculée de manière à assurer l'entrée correcte de l'air dans la roue dudit compresseur, et ceci plus particulièrement, si la direction moyenne des gaz entrant est la direction axialeo L'inclinaison du bord de fuite des aubages de la roue centripète du côté de la sortie du fluide peut être calculée de manière que ce fluide sorte parallèlement à l'axe.
Dans ce cas, les moyens d'entraînement de l'arbre du rotor doivent être constitués par une source de puissance exté- rieure, par exemple une turbine faisant suite au dispositif conforme à l'invention, dans une installation complète. Ladite inclinaison peut éga- lement être calculée pour que le fluide sorte avec un mouvement de rota- tion inverse de celui du rotor. Ce dernier est alors entraîné par réaction, sans nécessiter une source extérieure de puissance, les moyens d'entraîne- ment du rotor étant alors constitués par la roue centripète elle-même.
L'enveloppe étanche entourant le rotor, constituant de préféren- ce une surface de révolution, peut être solidaire du rotor et, par consé- quent, tourner avec lui, ou être constituée par une enveloppe fixe dans la- quelle le rotor tourne avec un jeu aussi faible que possible entre les ex- trémités des ailettes et la face interne de l'enveloppée Dans le premier cas, l'enveloppe solidaire du rotor peut elle-même être entourée d'une se- conde enveloppe fine, s'ajustant de manière aussi étanche que possible au- tour des ouïes d'admission et d'échappement du rotor, par exemple à l'aide de labyrinthes ou de tous autres joints d'étanchéitéo Une atmosphère ga- zeuse formée d'un gaz peu conducteur de la chaleur et donnant lieu à de faibles pertes par frottements, tels;
que l'hydrogène, peut alors être en- tretenue entre l'enveloppe solidaire du rotor et la seconde envelpppe, soit sous faible pression, de manière à réduire encore davantage les pertes par frottement, soit, au contraire, sous une pression assez forte pour qu'elle puisse équilibrer, au moins en partie, l'effet de la forme centrifuge sur
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la paroi externe du rotor et faciliter par conséquent l'utilisation de pa- rois minces et,, surtout de températures et de vitesses périphériques éle- vées. Au lieu d'un gaz répondant aux conditions ci-dessus précisées, on peut utiliser, pour établir et maintenir une haute pression dans l'interval- le compris entre les deux enveloppes, un gaz quelconque tel que l'air, bien que cette variante soit moins avantageuse que la précédente.
Le rotor et son enveloppe, dans la région comprise entre la roue de compresseur centrifuge et la roue centripète peut être agencé pour que la direction générale de déplacement du flux gazeux de la roue de compres- seur vers la roue centripète, soit sensiblement parallèle à 1 axe du rotor ou bien pour que ledit flux s'écarte d'abord de cet axe pour s'en rappro- cher ensuiteo
Les aubages ou cloisons des roues centrifuge et centripète du ro- tor peuvent être prolongés sans discontinuité le long de toute la partie du rotor comprise entre ces deux roues, (auquel cas le flux gazeux en cir- culation se trouve entraîné en rotation forcée) ou bien ladite partie du rotor comprise entre les deux roues peut être dépourvue d'aubages ou cloi- sons radiales,
sur tout ou partie de sa longueur (auquel cas le flux gazeux évolue plus ou moins librement entre les deux roues, tout en conservant un moment cinétique à peu près constant).
L'injection et l'inflammation du combustible dans le turbocompres- seur à combustion conforme à l'invention peut avoir lieu, soit dans la roue de compresseur centrifuge, (ce qui permet de réaliser une combustion sous pression croissante), soit dans la région comprise entre ladite roue centri- fuge et la roue centripète, (la combustion ayant alors lieu sous pression à peu près constante), soit dans la roue centripète, (auquel cas la combus- tion s'effectue à pression décroissante, par exemple d'une manière plus ou moins isotherme), soit, enfin, simultanément dans deux des régions ci-des- sus mentionnées ou dans les trois,
L'injection du combustible peut être réa- lisée à 1 aide d'injecteurs ou ajutages portés par le rotor lui-même et ali- mentés par une ou plusieurs conduites disposées dans l'arbre du rotor ou le long de ce dernier, (cette disposition devant obligatoirement être adoptée lorsque l'enveloppe du rotor est solidaire de ce dernier), soit à l'aide' d'injecteurs fixes montés dans l'enveloppe du rotor, dans le cas où cette dernière ne fait pas corps avec le rotoro L'inflammation du combustible peut être obtenue initialement à 1 aide de tous dispositifs d'allumage connus, tels que des bougies électriques, la combustion s'entretenant ensuite d'el- le-même,
Grâce à la constitution particulière du turbocompresseur à combus= tion conforme à l'invention,
la phase d'amortissement de la vitesse tangen- tielle acquise par le fluide à la sortie de la roue du compresseur, qui cons- titue la principale cause de pertes dans les compresseurs centrifuges clas- siques, est supprimée ou considérablement réduite, de même que la phase de création de la vitesse tangentielle qui précède obligatoirement le passage du fluide dans la roue des turbines centripètes ordinaireso Pour ces deux raisons, l'évolution du fluide dans le turbocompresseur à combustion confor- me à l'invention se fait avec un minimum de pertes aérodynamiques, donc avec un maximum de rendement.
Pour les mêmes raisons, les risques de "pom- page" dans l'ensemble compresseur centrifuge=roue centripète peuvent être rendus nuls ou tout au moins très réduitso Enfin, dans le cas où. l'envelop- pe du rotor est solidaire de ce dernier, les pertes par fuites entre rotor et stator se trouvent complètement suppriméeso
En outre, l'existence d'un seul rotor permet d'assurer le refroi- dissement de la partie de ce rotor exposée à 1 action des gaz chauds à par- tir de la région de la roue centrifuge qui est refroidie par l'admission
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d'air frais, soit par conductibilité, soit par convexion d'un fluide, ga- zeux ou liquide,
contenu à l'intérieur du rotoro
Suivant la ou les régions du rotor dans laquelle a lieu l'injec- tion du combustible et où se produit la combustion;, l'apport de chaleur s'effectue ainsi qu'il a été indiqué plus haut, suivant des lois très diffé- rentes, mais, de toutes manières, la densité moyenne des gaz dans la partie centrifuge étant plus grande que celle de ces mêmes gaz dans la partie cen- tripète, le flux gazeux peut être évacué sous une pression plus grande que celle sous laquelle il est admis et ce, sans dépense appréciable du travail mécanique.
Les dispositifs conformes à l'invention peuvent donc être consi- dérés indifféremment comme des générateurs de gaz potentiels sous pression, à haut rendement, ou comme des chambres de combustion génératrices de pres- siono Ils peuvent, en conséquence, être associés indifféremment, soit, si l'on ne désire pas réaliser un cycle à rapport de pression élevé, à un sim- ple dispositif de détente, tel qu'une turbine ou un capsulisme rotatif ou alternatif quelconque, soit à la fois à un dispositif de compression, tel qu'un compresseur dynamique ou volumétrique précédant le dispositif confor- me à l'invention, et à un dispositif de détente du type ci-dessus mentionné, faisant suite au dispositif conforme à l'invention.
Le compresseur et la turbine interposés sur le circuit gazeux, respectivement en amont et en aval du turbocompresseur à combustion peuvent avantageusement être constitués par un compresseur centrifuge et une turbi- ne centripète, éventuellement montés sur le même arbre que le rotor du tur- bocompresseur à combustion, de manière à réaliser avec ce dernier une ma- chine à un seul rotor, de conception homogène.
L'invention a donc également pour objet toutes les installations comportant, en combinaison, un turbocompresseur à combustion conforme à l'invention et un ou plusieurs engins dans lesquels le fluide admis dans le- dit turbocompresseur peut être comprimé plus ou moins adiabatiquement avant d'y pénétrer et/ou un ou plusieurs engins dans lesquels le fluide peut être au contraire, détendu plus ou moins adiabatiquement après en être sorti; et même, éventuellement, un ou plusieurs engins tels qu'échangeurs, récupéra- teurs ou réfrigérants, dans lesquels le fluide peut être réchauffé ou refroi- di en vue d'une récupération de chaleur ou pour diminuer le travail de com- pression, ainsi qu'il est usuellement réalisé dans certaines turbines à gaz.
Le turbocompresseur à combustion conforme à l'invention peut être agencé de telle sorte que le combustible ne soit pas mélangé, tout au moins dès son injection, à la totalité de l'air circulant dans le dispositif, soit dans le but de réaliser de meilleures conditions de combustion, soit en vue d'assurer un meilleure refroidissement, soit encore parce que le flux d'air dérivé est utilisé dans un autre but, telle que l'obtention d'air sur- pressé, ou la réalisation d'un deuxième cycle.
C'est ainsi que, dans le cas où l'injection du combustible est pré- vue dans la roue centrifuge, celle-ci peut comporter des cloisons de guidage se présentant soit sous forme de surfaces de révolution coaxiales au rotor, soit sous forme de groupes d'aubages radiaux rapprochés, adaptés pour canali- ser une partie relativement peu importante (par exemple 1/4 à 1/10) du flux d'air circulant dans ladite roue, pour former des veines fluides annulaires ou orientées sensiblement suivant des plans diamétraux, les injecteurs de combustible étant disposés pour que ce dernier soit injecté plus ou moins ra- dialement dans la partie du flux d'air ainsi canalisée, la quantité de combus- tible injecté étant suffisamment élevée pour former, avec cette partie du flux d'air, un mélange riche dans lequel la combustion ne risque pas de se propager en sens inverse du flux gazeux.
L'air ainsi canalisé, mélangé de combustible, débouche ainsi de la roue centrifuge entre deux nappes plus im-
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portantes d'air pur, de sorte qu'une fois enflammé, la combustion du mélange puisse se poursuivre et s'achever par mélange avec cet air pur, sans que la flamme risque jamais de remonter à 1 intérieur du système d'aubages de la roue centrifugée La forme des rebords aval desdites cloisons de canalisa= tion d'air peut être prévue de manière que la flamme obtenue ne risque pas de rencontrer les parois internes du dispositif et de les surchauffer loca- lement, tout en réalisant une combustion complète sur une longueur de par- cours suffisamment faible.
L'injection peut aussi être effectuée dan une partie seulement des canaux limités par les aubages radiaux du rotor. A cet effet, les in- jecteurs placés symétriquement sur le rotor débouchent dans les seuls ca- naux en questiono L'air qui circule dans les canaux intermédiaires sert alors à refroidir les parois, en autorisant une température de combustion plus élevée sans risque de détérioration desdites paroiso
Selon une autre forme de réalisation, utilisable plus particulier rement dans le cas où la combustion a lieu dans la région comprise entre la roue de compresseur et la roue centripète, la zone de combustion comporte des doubles parois s'étendant, d'une part, le long de la partie axiale du rotor et le long de l'enveloppe externe de celui-ci, d'autre part,
le long des cloisons radiales sus-mentionnées, en ménageant entre elles et, respec= tivementg ladite partie axiale du rotor, l'enveloppe extérieure et les cloi- sons radiales, un passage, ouvert au moins à son extrémité amont, les ori- fices des injecteurs de combustible ainsi que les moyens d'allumage étant disposés alors dans l'espace compris entre ces doubles paroiso De cette façon, il se forme à l'extérieur des doubles parois un courant d'air pur qui isole thermiquement la partie axiale du rotor et l'enveloppe de ce dernier, le dispositif conforme à l'invention jouant alors le rôle d'une chambre de combustion réalisant un accroissement de pression et la température des gaz qui en sortent pouvant alors, en principel,
être aussi élevée que le permet la tolérance des appareils tels que turbine centripète ou turbine axiale dans lesquels ces gaz doivent circuler ultérieurement, Les doubles parois ci-dessus mentionnées peuvent être interrompues avant l'entrée de la roue centripète ou immédiatement à cette entrée, et être éventuellement munies de perforations permettant à 1 air circulant à l'extérieur de ces parois de pénétrer entre ces dernières, 1 air pur se mélangeant alors aux gaz brûlés avant de pénétrer dans la roue centripète On peut également prolonger les doubles parois dans la partie centripète, 1 air pur continuant, même dans cette partie, à assurer l'isolement thermique du flux principal de gaz, échauffé par combustion,
et ne se mélangeant avec ce flux de gaz qu'à la sortie du rotor ou après cette sortie.
Enfin, lorsque la combustion a lieu dans la zone comprise entre la roue centrifuge et la roue centripète et que cette zone comporte des au- bages radiaux, ladite zone peut comporter des aubages radiaux supplémentai- res créant des canaux dans lesquels ne débouchent pas d'injecteurs, ces ca- naux permettant la circulation d'air de refroidissement et pouvant être pro= longés éventuellement dans la roue centripète et/ou dans la roue centrifuge.
Enfin conformément à un mode particulier de réalisation de l'invention, on peut prévoir des moyens pour interrompre périodiquement l'in- jection de combustible dans la zone de combustion, en réalisant ainsi une combustion intermittente et fluctuante, de telle sorte que les parois échauf= fées pendant la phase de combustion intense se trouvent refroidies par les gaz qui s'écoulent pendant les phases intermédiaires.
Dans les modes de réalisation ci=dessus prévus, l'air pur, qui suit un cycle partiellement ou totalement indépendant du cycle principal des gaz, s'échauffe aux dépens de la chaleur cédée aux doubles parois par la
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combustion, le refroidissement ainsi obtenu constituant une source de calo- ries qui alimente un cycle secondaire à air chaud, en sorte que lesdites calories se trouvent partiellement récupéréeso
On a représenté aux dessins annexés, sous une forme très schéma- tique, divers exemples de réalisation de turbocompresseurs à combustion conformes à l'invention, et d'application de tels turbocompresseurs dans des installations de production de puissance mécanique.
Dans ces dessins s
Fige 1 est une vue en coupe axiale d'un premier exemple de réali- sation ; figo 2 en est une vue en bout, côté ouïe d'admission; figo 3 en est une vue analogue, côté ouïe d'échappement; figo 4 est une vue en coupe axiale d'un deuxième exemple de réa- lisation; figo 5 est une vue analogue d'un troisième exemple; fig. 6 est une vue en coupe par VI-VI de figo 5 ; figo 7, 8, 9 et 10 sont des vues en élévation latérale ou en cou- pe axiale de diverses installations dans lesquelles est incorporé un turbo- compresseur à combustion conforme à l'invention.
Tel qu'il est représenté très schématiquement par les figures 1 à 3, le turbocompresseur conforme à 1 invention comprend un rotor compre- nant un corps de révolution 1 calé sur un arbre 2 monté à rotation dans des paliers 3, corps sur lequel sont fixés des aubages radiaux 4 constituant, en 5, une roue de compresseur centrifuge et en 6 une roue de turbine centri- pète, séparées par une région 7 dans laquelle le flux gazeux s'écoule en restant plus ou moins parallèle à 1 axe longitudinal du rotor, une enveloppe 8 présentant une surface de révolution étant solidaire de la partie périphé- rique de ces aubages et assurant le guidage du flux gazeux qui pénètre par une ouïe d'admission 9 et sort par une ouïe d'échappement 10.
Pour éviter de surcharger les figures, seuls quelques uns des aubages 4 ont été repré- sentés aux figures 2 et 3.
Au lieu d'être solidaire du rotor, 1 enveloppe extérieure peut être fixe et par conséquent séparée dudit rotor, ainsi qu'il est représenté en 11 à la figure 4, un jeu aussi réduit que possible étant ménagé entre la partie périphérique des aubages et l'enveloppe fixe 11 au moins dans les régions centrifuge 5 et centripète 6.
Comme il est représenté aux figures 5 et 6, qui concernent un exemple dans lequel, au lieu de s'étendre de façon continue sur toute la longueur du rotor, les aubages radiaux 4 sont limités à la roue centrifuge 5 et à la roue centripète 6 et sont, par contre, interrompu dans la région 7, 1 enveloppe extérieure 8 du rotor solidaire de ce dernier est entourée d'une seconde enveloppe 12 qui s'ajuste en 13 et 14 de façon aussi étanche que possible sur les ouïes d'admission 9 et d'échappement 10.
L'espace 15 ménagé entre l'enveloppe 8 solidaire du rotor et la seconde enveloppe fixe 12 peut, ainsi qu'il a été précisé plus haut, être rempli d'un gaz peu con- ducteur de la chaleur et donnant lieu à de faibles pertes par frottement, par exemple d'hydrogène, soit sous faible pression, soit, au contraire, sous pression élevée.
Des injecteurs de combustible ainsi que des moyens d'allumage tels que des bougies sont disposés, soit dans le corps 1 du rotor, soit dans l'enveloppe extérieure de ce dernier, dans le cas où cette enveloppe est fixe, comme il est représenté à la figure 4. Dans le premier cas, l'alimen-
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tation des injecteurs et des moyens d'allumage est assurée par 1 intérieur de 1 age 2. Ces dispositions n'ont pas été représentées aux dessins mais sont à la portée de tout homme de 1'art.
Ainsi qu'il a été précisé, les injecteurs peuvent déboucher dans tous les canaux formés entre les aubages radiaux 4 ou dans certains de ces canaux seulement, par exemple un sur deux de ces canauxo
Dans tous les cas, des cloisons intermédiaires constituées soit par des aubages radiaux, soit par des surfaces de révolution suivant un parcours moyen entre la surface du corps 1 du rotor et celle de 1 enveloppe externe 8 ou 11 peuvent être disposées soit sur une partie de la longueur du rotor, soit sur toute cette longueur.
L'entraînement en rotation de l'arbre 2 du rotor peut être assuré soit par une machine auxiliaire telle qu'une turbine calée sur cet arbre, soit en donnant aux aubages, à la sortie de la roue centripète 6 une forme telle que le flux gazeux soit dirigé en sens inverse du mouvement de rota- tion du rotor, celui-ci étant alors entraîné par réaction.
Ainsi qu'il a été indiqué ci-dessus, le turbocompresseur à combus- tion conforme à l'invention peut être incorporé dans toute installation réa- lisant tout ou partie d'un cycle de turbines à gaz.
Dans 1 n exemple représenté à la figure 7, l'ouïe d'échappement 10 du turbocompresseur à combustion 16 est raccordée par une conduite 17 à l'admission d'une turbine 18 dont 1 arbre 19 actionne un récepteurici re- présenté schématiquement par une hélice 20.
La turbine 18 est, dans ce cas, mécaniquement indépendante du turbocompresseur à combustion 16 qui peut, par exemple, être entraîné par réaction, grâce à la forme donnée aux aubages de sa roue centripète, ladite turbine 18 étant aussi susceptible de tourner à des vitesses complètement indépendantes de celle qui anime le turbocompres= seur 160
Dans le cas ou.l'on souhaite un faible prix d'installation et où l'on peut se contenter d'un rendement thermique relativement faible, l'ins- tallation (figo 8) peut se composer d'un turbocompresseur à combustion 21, conforme à l'invention, dans lequel l'injection du combustible et la combus- tion ont de préférence lieu dans la partie 7 intermédiaire entre la roue centrifuge 5 et la roue centripète 6,
ledit turbocompresseur débouchant di- rectement dans une turbine centripète 22 calée sur l'arbre 2 du rotor du turbocompresseur La turbine 22 sert à la fois à entraîner le rotor du tur- bocompresseur et à fournir la puissance motrice au récepteur 230
Dans le cas où l'on désire obtenir un rendement élevé, le turbo- compresseur 24 conforme à l'invention peut être associé d'une partà un compresseur axial ou centrifuge 25 qui débouche dans l'ouïe d'admission du turbocompresseur et d'autre part, à une turbine 26 dont l'admission est re- liée directement à 1 échappement du turbocompresseur;
le compresseur 25, le turbocompresseur 24 et la turbine 26 étant calés sur le même arbreLa turbine 26 qui assure la détente des gaz sortant du turbocompresseur jusqu'à la pression ambiante entraîne à la fois le turbocompresseur 24 et le compres- seur 25 ét fournit la puissance motrice au récepteur 27. Ladite turbine peut être axiale ou centripète et comporter un ou plusieurs étages Elle peut même se décomposer en deux machines indépendantes dont 1 une assure l'entraînement du compresseur 25 et du turbocompresseur 24 tandis que l'au- tre fournit la puissance motrice au récepteur 27.
Dans le cas où l'on désire atteindre un rendement thermique très élevé, une installation conforme à l'invention peut comprendre un ou plusieurs compresseurs 28 centrifuges ou axiaux à un ou plusieurs étages séparés ou non par des échangeurs de réfrigération, un turbocompresseur à combustion
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29 conforme à 1 invention et une ou plusieurs turbines 30, centripètes ou axiales à un ou plusieurs étages éventuellement séparés par des chambres de combustion 31 assurant le réchauffage des gaz en cours de détente, l'une au moins des turbines 30 assurant l'entraînement des compresseurs 28 et du turbocompresseur 29, et les autres turbines ou l'ensemble actionnant le ré- cepteur 32.
Le tore d'échappement 33, de la dernière turbine est relié par une canalisation 34 à un échangeur de chaleur 35 disposé par ailleurs sur la conduite 36 reliant les compresseurs 28 au turbocompresseur 29, cet échan- geur réchauffant 1 air fourni par le ou les compresseurs 28 au turbocompres- seur 29.
REVENDICATIONS.
1. - Turbocompresseur à combustion caractérisé en ce qu'il com- porte 8 une enveloppe étanche aux gaz formée par une surface de révolution et munie à ses extrémités respectives d'une ouïe d'admission d'air et d'une ouïe d'échappement des gaz, un arbre monté à rotation dans des paliers sui- vant l'axe de révolution de l'enveloppe, un rotor comprenant un corps de ré- volution calé sur ledit arbre à l'intérieur de ladite enveloppe, des aubages radiaux fixés sur ledit corps de révolution constituant une roue de compres- seur centrifuge du côté de l'ouïe d'admission de 1 enveloppe et une roue de turbine centripète du côté de l'ouïe d'échappement de l'enveloppe,
des moyens pour injecter et enflammer un fluide combustible en au moins une ré- gion de l'espace compris entre l'ouïe d'admission et l'ouïe d'échappement des moyens pour assurer l'entraînement en rotation du rotor, 1 ensemble dudit rotor et de l'enveloppe étanohe étant agencé pour que le flux gazeux, aspiré par l'ouïe d'admission sous forme d'air pur s'éloigne tout d'abord de 1 axe du rotor avec un mouvement de rotation autour dudit axe sous l'ac- tion de la roue de compresseur puis soit dirigé vers la roue centripète en conservant le mouvement de rotation et, en atteignant la roue centripète, retourne vers l'axe du rotor pour être refoulé par l'ouïe d'échappement.