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" Perfectionnements relatifs aux compresseurs Il
La présente invention est relative d'une façon géné- rale à la technique des compresseurs et, plus particulièrement, à un nouveau compresseur à air centrifuge particulièrement utile.
Bien qu'il n'y soit pas limitée.le compresseur suivant la pré- sente invention est conçu pour fonctionner sous des conditions de débit inférieures/cellesauxquelles des compresseurs centri-
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fuges classiques travaillent. Le but principal de la présente invention est d'offrir un compresseur centrifuge qui soit sim- ple et relativement peu onéreux à construire, tout en étant extrêmement durable et sûr en fonctionnement, et capable d'un rendement de degré élevé pour sa dimension.
Un autre but important de la présente invention est d'offrir un compresseur centrifuge capable d'un fonctionnement hautement efficace dans des conditions de débit extrêmement fai- bles .
Sous l'un de ses aspects , un compresseur centrifuge suivant l'invention se caractérise par un arbre monté à ra@@tion autour de son axe longitudinal, un rotor présentant une paire de plaques espacées suivant la direction de l'axe de l'arbre, l'une desdites plaques de rotor étant connectée à l'arbre et assurant le montage du rotor sur l'arbre pour une rotation avec celui-ci, l'autre plaque de rotor présentant une admission ; d'air généralement centrale débouchant dans le rotor , le rotor ; présentant une sortie d'air périphérique débouchant entre les plaques, un stator enserrant le rotor, ledit stator présentant une ouverture d'admission d'air en alignement radial avec l'ou- verture de sortie d'air du rotor et une ouverture de sortie j d'air à partir du stator adjacente à sa périphérie externe.
Sous un autre aspect, un compresseur centrifuge sui- vant l'invention se caractérise par un rotor et un stator montés à la périphérie de celui-ci, comme décrit précédemment, ledit stator comportant une paire d'organes espacés entre eux suivant la direction de l'axe de l'arbre et présentant des parties de couvertures'étendant radialement vers l'intérieur en travers des 1 plaques de rotor en espacement axial avec celles-ci, tandis qu'à la fois les plaques de rotor et les parties de couverture des organes de stator sont de forme tronconique peu profonde convergeant vers la périphérie du rotor,
D'autres détails et particularités de l'invention
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ressortiront de la description ci-après, donnée à titre d'exem- ple non limitatif et en se référant aux dessins annexés,
dans lesquels :
La figure 1 est une vue en coupe longitudinale quel- que peu schématique d'un compresseur à air centrifuge construit
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conformément à lnventio , suivant la ligne i.i de la figure 2.
La figure 2 est une vue en demi-coupe transversale, suivant la ligne 11-II de ;la figure 1.
La figureest une vue en coupe partielle suivant la ligne III-III de la figure 2.
La figure 4 est une vue en quart de coupe longitudinale
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quelque peu schématique d'un autre COJ'lprcSetu' l, air centrifuge>
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construit confm mérncnt à la présente t.nv'ut'-.ii sU1.v :'. la ¯ ligne IV-IV de 1,a figure La figure 5 est une vue : ¯ésiflF;liû c la figure 4,mais illustrant une variante. d-;.-"11:J.WIo La figurc 6 est une v'le Ltts::SL'r itye1'sa.aç de lu forme de réalisation de ta figure 4 , x 3: la ¯ a.=rf. 6-6 (II: la figure 4.
Fn f,:: référant à présent aux x;,;a....3.. de la fume' rt. réalisation représentée à titre d 'cx"1"p.i..c aix s.v,vzes 1-,* èe'" dessins annexer, le compresseur suj-vjnc 11:"....,-,n",io11 eat. dnt d'une enveloppe ou d'un ca....i1. el' cnfcrm,Î1:......t " \/1 forsc qj=Ji::.i= .i:. ment cylindrique avec des organes <i' t'':'-''¯.t':;n1 4- 2 et 3 fiu=
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assurent le tourillonnement d'un art'r!] 4 <.;ns dl.6 pr...3rs ü{.
6, respectivement. Une olw:cl'turc d'aMission d'air est 1--y-évu(C dans l'organe d'extrémité 2 et une ouverture el 1 échappC1md d i 3 8 est prévue dans l'organe d'extrémité 3.
Le compresseur comprend une série de rotors centri- fuges désignés globalement par la référence 10, qui possèdent chacun une paire de plaques il et 12 espacées entre elles sui-
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vant la direction de l'axe de l'arbre 4. La plaque frontale 11 de chaque rotor est dotée d'une ouverture centrale 13, concentrique avec l'arbre 4, et offrant une ouverture d'ad- mission d'air dans le rotor entre les plaques Il,12. Chaque plaque arrière 12 est percée au centre pour recevoir l'arbre 4 et est connectée à ce dernier d'une façon assurant le: me@- tage du rotor 10 sur l'arbre afin de tourner avec celui-ci.
Ceci peut être réalisée par exemple, grâce à l'utilisation d'éléments d'espacement de rotor 14 et d'un é@@ément d'espa- cernent d'extrémité 15, ce dernier s'appuyant contre un épa@- lement 16 sur l'arbre.' Les éléments d'espacement 14 s'étendent entre les rotors 10 adjacents et sont maintenus en place par un écrou de blocage 17, de telle sorte que chaque plaque de rotor 12 est serrée sur l'arbre afin de tourner avec celui-ci, l'élément d'espacement terminal frontal 14 étant claveté sur l'arbre comme indiqué en 18.
Les plaques de rotor frontales 11 sont montées sur les plaques de rotor arrières associées 12 à l'aide des pales de rotor 20 s'étendant généralement radialement, qui peuvent avoir n'importe quelle courbure désirée, suivant les caracté- ristiques que l'on veut obtenir .
Ainsi, chaque rotor comprend des paires ,le plaques ou de parois 11,12, avec les plaques 12 reliées à l'arbre et supportant chaque rotor sur celui-ci et avec les plaques 11 maintenues en association axiale espacée vis-à-vis des plaques ! 12 par les séries de pales 20 dans chaque router. Les plaques 11 et 12 peuvent être reliées aux pales directrices 20 par soudage ou par n'importe quel autre procédé de fabrication dé- sire. siré. L'ouverture d'échappement d'air 21 est pratiquée à la périphérie de chaque rotor, entre les plaques espacées 11, 12.
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Ainsi, de l'air pénètre dans chaque rotor par l'ouverture et
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/d'admission centrale 137sévacué périphériqu<"'f!1ont à travers l'ouverture de sortie 21.
Les stators désignes globalement par la référence 22 sont situés à la périphérie du rotor associé. Chaque stator comprend des plaques ou organes de paroi 23 et 24 ,espacées suivant la direction de l'axe de l'arbre.L'organe de stator
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frontal 23 s'étend radialement vers l'extérieur par rapport au carter enveloppant 1, en offrant par conséquent le barrage nécessaire entre les rotors successifs et il est situé de cette façon. L'organe de stator arrière 24 se termine avant le ca rter pour laisser une ouverture d'échappement d'air 25 autour de la périphérie externe du stator,ouverture dirigée vers l'arrière suivant la direction de 1' axe de l'arbre.
Chaque organe de stator 23, 24 possède une partie
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de couverture 26,27, respectivement, s'étendant génçrax i er: !3. radialement ver--, l'intérieur en travers cI.; plaques de rotor fronta1Ey'et al'rlère 11,'*12, point- recouvrir ft enfermer celles-ci. L<;s parties de couvertü'c 26 détendent radialement vers l'intérieur appr'oxin:atL/ :JI{.<nt jusqu'à la périphérie des ouvertures dl admission d'aJt* i= :1, en formant s=3 conséquent un barrage pour l'écoulement d # aljy ('11 sens lnv{H'"', Les parties de couverture de statu!' =rrji<z*= 27 s'étendent vers l'intérieur approximativement jusqu'aux organes d'espacement 14,15 et agissent également en tant que barrage pour un écou- lement d'air inverse.
Ainsi, les prolongements 26 et 27 du
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stator formen-t un ca#rtcr enveloppant pour le rotor asii<cLé;, Les stators 22 sont espacés entre eux par desorganes
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d'espacement de stator 28 gui s'étendent entre .les statures adjacents ,en des points espacés autour de ceux-ci, en étant dotés de brides terminales) @9 dirigées 11 l'opposé, pour la fixation aux organes de stator.
Les parois d'extrémité 2 et 3
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sont amovibles et les structures de stator 22 et les rotors 10 peuvent être retirés du carter 1 à travers l'une ou l'autre extrémité de celui-ci . organes de / Comme indiqué précédemment, les/-,tatar frontaux 23 s'étendent vers l'extérieur jusqu'au carter 1. Les organes de stator arrière 24 sont situés axialement par rapport aux or- ganes frontaux par des pales de stator de décélération dési- gnées globalement par la référence 30. Les pales 30 sont de préférence associées par paires et faites d'une seule pièce de matière afin d'offrir des paires de pale en une pièce avec @ âme de liaison 31.
Les pales 30 sont amenées à diverger vers l'extérieur , en présentant un angle d'admission correspondant à l'angle de l'air alors que celui-ci quitte le rotor. Ceci offre des passages à air avec une superficie croissante en section tranversale à partir de l'admission d'air de stator 32, et situés en association espacée radialement vis-à-vis de l'cu- .verture d'échappement d'air périphérique 21 du rotor associé, vers la sortie de stator 25.Il en résulte que l'air partielle- ment comprimé est suffisamment ralenti pour permettre un passage sans perte à travers l'orifice de sortie 25 vers l'admission 11 du rotor suivant.
En utilisant l'entièreté de la périphérie du carter 1 pour l'évacuation de l'air, l'on offre un passage d'évacuation 25 avec une superficie suffisante pour conduire efficacement l'air à l'étage suivant, le tout dans les limites du carter de compresseur circulaire 1. Les âmes de pales 31 offrent un moyen facile pour fixer les pales aux organesde ou stator 23, par exemple par soudage par points/au moyen de rivets '
31'.
,
Il a été découvert qu'avec une telle construction , l'on peut offrir un compresseur étonnamment efficace et puissant de en une unité/relativement petite dimension capable d'être dis- posée, par exemple, dans l'espace disponible sous le capot
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d'un camion classique. Bien entendu, le compresseur suivant la présente invention n'est pas limité à l'utilisation dans un tel agencement.
Pour la facilité de la fabrication de l'assemblage et l'économie de la construction , l'on préfère façonner à la fois les rotors 10 et les stators 22 en mince tôle métalli- que. Toutefois, l'utilisation d'une telle matière en feuille mince présente un problème de solidité, qui est résolu de la ----' façon suivante.
Chaque plaque de rotor 11,12 est construite avec une forme tronconique peu profonde, convergeant vers la périphérie du rotor, D'une façon analogue, chaque partie de couverture de stator 26 , 27 reçoit une forme tronconique peu profonde, convergeant vers la périphérie du rotor et reliée aux parties de stator actives périphériquement au-delà du rotor, grâce aux parties de connexion 32 convergeait plus fortement, Cette forme tronconique peu profonde ,en forme de cuvette, donne la stabilité structurale requise , tout en permettant l'utilisation d'une matière en feuille mince.
L'arbre 4 est maintenu , de façon relâchable, en position axiale grâce à un épaulement 33 monté entre des l'on... délies 34 maintenues dans le carter 35, avec l'arbre s'étendant au-delà pour la fixation à n'importa quelle source d'entraîne- ment désirée.
Le compresseur suivant la présente invention est con- çu plus particulièrement pour un fonctionnement sous des condi- tions de faible débit, par exemple dans la gamme de 80 à 100 pieds3 par minute et il est capable de fonctionner efficacement dans des gammes de débit pour lesquelles les compresseurs centrifuges classiques ne fonctionnent tout simplement pas. Un facteur essentiel pour obtenir ce'résultat est le fait d-e prévoir un stator avec un grand nombre de minces pales de diffuseur , par exemple 40, situées très près du bout du rotor ,comme repré- senté en 30 aux figures 1. à 3 et 30' aux figures 4 à 6.
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L'on laisse essentiellement uniquement un jeu de travail entre la périphérie du rotor et l'entrée du stator, l'espacement entre ces éléments étant exagéré aux dessins pour une plus grande clarté et la facilité de l'illustration.
Ce dernier facteur est extrêmement important, parcs que la distance que l'air doit parcourir depuis la sortie du rotor jusqu'au diffuseur est critique .
Lorsque l'air quitte le rotor, il a une très grande vitesse. Cette vitesse représente de l'énergie qui doit être capturée par transformation en une pression statique grâce une diffusion. Pour un rendement efficace, pratiquement toute l'énergie de vitesse de l'air sortant doit être retenue dans le diffuseur.
Toutefois, la plus grande partie de cette vitesse est perdue dans les compresseurs à faible débit classique , cause du fait que les pales de diffuseur sont tellement es- pacées de la sortie du rotor que l'énergie représentée par la vitesse de l'air quittant le rotor est dissipée avant d'attein- dre les pales de stator.
La distance qu'un courant d'air peut parcourir avant que son énergie ne soit dissipée est proportionnelle à sa lar- geur. Dans les compresseurs à faible débita la sortie du rotor est nécessairement très étroite, avec pour résultat que l'air quittant le rotor n'est capable que de parcourir une très courte distance sans perte d'énergie appréciable.
L'on évite une telle perte d'énergie en situant les extrémités d'admission des pales de diffuseur aussi près que possible de la sortie du rotor. Suivant la présente invention, le jeu radial entre la sortie du rotor et les pales de diffuseur est tel que le parcours de l'air depuis l'orifice de sortie du rotor jusqu'aux extrémités d'admission des pales du diffuseur n'est essentiellement pas plus grand et de préférence inférieur à la distance que le courant d 'air sortant du rotor parcourera
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sans perte d'énergie appréciable.
Pour arriver à un tel résultat, l'on prévoit un jeu radial qui est inférieur à 1% du diamètre du rotor , par exemple 0,040 pouce avec un rotor ayant un diamètre de 6 pouces,
Une autre caractéristique importante de la présente invention est que le diffuseur possède un grand nombre de minces pales étroitement espacées) .
Un diffuseur sans pales, bien que convenant pour les compresseurs à grand débit: , est totalement impropre pour un compresseur travaillant des conditions de faible débit.Ceci provient du fait que dans un diffuseur sans paies, l'air doit parcourir son parcours naturel dans lequel la vitesse est
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inversement propùrt'ionnel1e à la distance depuis le centre de rotation. Ceci procure un'bon rendement sous des débits élevés.
Dans un compréss"ur à faible débit, la ax y !z du courant d'air est très fortement réduite, comme indiqué Toute-
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fois, l'air doit toujours parcoure! la mGI!16 distante pou" te" même degré de diffusion. Il. en résulte 'lUt. le rapport ftntt'c 1,ce distance parcourue et la largeur du can,il pst, bl":1COUp ptus élevé que dam des compresseurs à fort débit , tf qui intrca- duit des pertes par friction prohibitives,
Par conséquent, des pales sont essentielles pouf un
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diffuseur à faible déb-it. Des diffuSf!UN; à pelles classiques offrent un relativement petit nombre c3 p.xic;s relativement largement espacées.
Dao... un diffuseur a faible débit, la 1 M'- geur du canal est tellement petite par comparaison avec la
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relativement grande distance existant entre les paies a(tjact-titc--i que le passage d'air résultant est inefficace. En outre, l'angle de dilatation offert par un tel système de pales de diffuseu@ classique est d'une nature telle qu'une séparation de l'air survient dans des conditions de faible débit.
Par conséquent, suivant l'invention, lion prévoit un
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grand nombre de pales de diffuseur étroitement espacées,of- frant un passage de proportions efficaces et un angle de dila- tation favorable aux conditions de faible débit. Toutefois; si un trop grand nombre de pales est prévu, une friction peli- culaire excessive est engendrée . Il a été déterminé que l'an- gle de dilatation optimum est de 7 à 10 degrés,ce qui exige
36 à 52 pales. Pour éviter un encombrement des passages à air, l'on fabrique les pales en une matière en feuille mince.
De même, les pales de diffuseur suivant la présente invention sont essentiellement plates et rectilignes , en évitant @ssi les perturbations résultant d'une courbure des pales.
Bien que les pertes dans le compresseur soient principalement celles survenant dans le stator, le rendement! du stator est largement influencé par la conception du rotor.
La production de pression dans le rotor est réalisée par les forces centrifuges qui ne sont pas particulièrement perturbées ' par la séparation ou la turbulence de l'air. Toutefois, la production de pression dans le stator , représentant approxima- tivement la moitié de l'augmentation de pression totale., est réalisée par la transformation de la vitesse en pression.Ceci constitue un processus de diffusion dans lequel il est difficile, de maintenir un écoulement efficace avec de l'air turbulent.
Une turbulence est produite par la séparation de l'air dans le rotor. Une telle séparation survient sur les surfaces arrières traînantes des pales de rotor 20, en regardant dans le sens de la rotation du rotor. L'air tend à se séparer et à s'écarter du côté de succion des pales, alors qu'il se déplace progressivement vers l'extérieur le long de celles-ci. Il en résulte qu'une couche limite d'air relativement stagnant tend à se former le long de la surface arrière des pales de rotor 20.Cet air stagnant produit une turbulence dans l'air qui quitte le rotor.
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Une séparation d'air survient également sur la surface interne de la plaque de rotor 11. L'air pénétrant dans le rotor tend à se séparer et à s'écarter de la surface interne dans la paroi de rotor 11, avec pour résultat une couche limite incontrôlée d'air relativement stagnante de cette surface, qui produit une turbulence supplémentaire dans l'air quittant le rotor.
Cette perturbation dans l'écoulement de l'air à par- tir du rotor gêne particulièrement le rendement du stator dans des conditions de faible débit et il a été découvert qu'' une amélioration de l'écoulement de l'air dans le rotor , bien qu'elle ne contribue pas particulièrement à améliorer le rende--- ment durotor, augmente de façon appréciable le rendement du ce stator,/qui a pour résultat une augmentation inattendue dans l'efficacité du fonctionnement dans des conditions de faible débit.
La séparation de }'air dans le rotor et ses effets perturbateurs sur le phénomène de compression du stator ou
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diffuseur, sont évités d4.n: le i..OmlH'es.s,<u !!ivan 1' !.nvnt.iuii- de la façon suivante, en se ré±cxa.t à 1:' For"xe de réalisation représentée à titre d'illustration aux figuras 4,5 et 6.
Le compresseur des figures 4 à 6 est généralement analogue à celui des figures 1 à 3, car ilcomprend une série
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de rotors centrifuges 10t présentant chacun une paire de pla<#u=.. ou parois 11',12' espacées dans la direction de l'axe de l'ar- bre 4.
La paroi frontale 11'de chaque rotor est dotée d'une ouverture d'admission d'air centrale, concentrique avec l'arbre 4 et débouchant dans le .rotor entre les parois il',12' . Les
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parois frontales 11' du rotor sontmontées sur le;{ parois ar- - rières associées 12' du rotor par des pales d@@@otor s'étendant généralement radialement qui peuvent avoir n'imperte quelles courbures désirées, suivant les caractéristiques requises et les
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parois arrières 12' du rotor sont fixées à l'arbre 4 ,comme décrit précédemment.
Toutefois, tandis que dans la forme de réalisation : des figures 1 à 3, les rotors possèdent des pales propul- sives 20 s'étendant généralement radialement depuis l'ad- mission vers la sortie du rotor d'une façon continue et inin- terrompue, cette construction n'est pas utilisée dans la forme de réalisation des figures 4 à 6, à cause de la tendance de l'air traversant le rotor à se séparer des surfaces tr@ïnentes des pales de rotor 20.
Au contraire, la forme de réalisation des figures 4 à 6 utilise une construction de pales de rotor en segments, dans laquelle chaque pale s'étendant radialement comprend en fait une série de segments de pales 20' s'étendant ' depuis!'admission du rotor vers sa sortie avec une disposition étagée radialement, chevauchante et espacée périphériquement, comme illustré clairement aux figures 4 et 6.
Les extrémités internes des segments externes chevauchent les extrémités externes des segments internes, sur leur face menante, en des emplacements le long de celles*. ci où la séparation de l'air commencerait normalement à sur- venir,
A cause de cette construction de pales propulsives en segments, l'air traversant le rotor le long des faces me- nantes des segments de pales sort entre les segments adjacents sur les surfaces traînantes de ceux-ci .Cet air s'échappant passe par conséquent de l'espace situé entre une paire de pales en segments dans l'espace entre la paire suivante.Ce faisant,
il est dirigé sur les surfaces traînantes des segments exter- nes d'une façon évitant la couche limite stagnante d'air qui tend à s'y former.Ceci offre une commande de la couche limite
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sur les pales propulsives
Toutefois, le problème de la séparation de l'air à partir des parois frontales 11' du rotor subsiste et il est peut être encore pJus grave. Ce problème est évité , dans la forme de réalisation des figures 4 à 6 en prévoyant des déflecteurs à air angulaires 36 et 37 dans l'ouverture d'admission d'air du rotor.
Les déflecteurs 36,37 sont concen- triques l'un avec l'autre et avec l'arbre 4. De même,ils sont de forme ea section transversale semi-circulaire, en étant in- curvés autour de leurs. axes annulaires, comme indiqué clairement aux figures 4 et 5.
Les anneaux déflecteurs 36 sont montés le long de leurs côtés supérieurs externes sur l'extrémité inférieure des jupes frontales 261%du stator et s'incurvent vers le bas ,vers l'intérieur et ensuite vers le haut, en se terminant en association étroitement espacée avec le bord inférieur de la paroi frontale 11' du rotor, en ne laissant par rapport à celle-ci q'un jeu de travail, Les anneaux dé- ±lecteurs 37 seront situés , dans la forme de réalisation re- présentée , approximativement à mi-distance entre les déflec- teurs 36 et les colliers d'espacement 14 ,
avec des extrémités s'incurvant vers le haut situées l'une au voisinage du bord inférieur des segments de pales internes 20' en association étroitement espacée avec ceux-ci et en laissant pratiquement uniquement un jeu de travail avec eux , et l'autre entre les paires adjacentes de stators 22', comme représenté à la .figure 4.
Les déflecteurs 37 sont portés par les déflecteurs 36, en étant montés sur ceux-ci par des plaques d'âme de liai- son 38 espacées autour de l'arbre 4, par exemple au nombre de 4 et s'étendant axialemen- par rapport à l'arbre 4 afin d'of- frir une interférence minimum avec l'écoulement de l'air à travers l'admission du rotor.
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Ainsi, les déflecteurs 36,37 offrent des passages d'admission de rotor présentant des entrées dirigées radia- lement recevant l'air passant entre les assemblages adjacents de rotor et de stator et des sorties dirigées radialement dans les rotors, A cause de cette déviation et de cette direction donnée à l'air d'admission vers les rotors 10',cet air d'ad- mission est commandé et l'on forme un courant d'air dirégé le long de la face interne des parois de rotors 11'. Ceci permet une commande de la couche unique évitant la formation d'une couche dtair stagnant qui tendrait sans cela à se former sur cette surface.
Bien que la séparation de l'air le long des païen propulsives et la séparation de l'air le long de la paroi
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du rotor aienusté considéréindividuel1ement,elles ne sont pas distinctes et séparées, mais sont au contraire en rapport mutuel. La construction de pales en segments et l'agencement de déflecteurs d'entrée pour le rotor, plus particulièrement, ce dernier, en combinaison avec le stator suivant l'invention permettent un rendement de fonctionnement élevé même sous des conditions de faible débit où les compresseurs centrifuges classiques ne travaillent pas convenablement , si même ils le font.
La commande de l'air pénétrant dans le rotor, lors- qu'elle est combinée avec un stator suivant l'invgention, produit une augmentation extraordinairement élevée de l'effi- cacité, de l'ordre de 10%, afin d'offrir un compresseur cen- trifuge pouvant travailler à 80-100 pieds cubes par minute, avec un rendement de l'ordredde 70%.
Comme dans la forme de réalisation des figures 1 à 3, celles des figures 4 à 6 peut être fabriquée en tôle mé- tallique. Les parois de rotor convergentes offrent une su- perficie de passage d'air pratiquement constante, pour une vitesse pratiquement constante dans le rotor. Une diffusion est par conséquent pratiquement limitée au stator, qui est
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conçu de façon à produire une augmentation de compression grâce à une diffusion ,tandis que le rotor n'est pas dans ce cas,
Lorsque la puissance fournie et le diamètre du corps ne sont pas des facteurs de limitation, un débit plus efficace et une augmentation de pression supérieure peuvent êtro obtenus en prolongeant les parois du rotor au delà des pales propulsives, comme représenté en 39 à la figure 5.
Ceci permet une diffusion partielle dans des conditions d'absence pratique de vitesse relative.La distance parcourue par l'air par rapport à ses parois ambiantes 39 est relative- ment courte, Par conséquent,l'efficacité de la diffusion est très élevée,
En conséquence, l'on se rend compta que la présente invention atteint parfaitement les buts prévus. Des compres- seurs centrifuges prévus pour un fonctionnement à faible t débit présentent des problèmes très différents de ceux rencon- trés dans les compresseurs à fort débit et exige des solution--; différentes.
La présenta invention résout ce problème et offre un compresseur centrifuge capable d'une rendement extrêmement. élevé, en produisait par exemple 100 livre par pouce carré à 80-100 pieds cubes par minute en utilisant des rotors n'ayant que six pouces de diamètre et construits en tôle métallique peu onéreuse.
Il doit être entendu que la présente invention n'est en aucune façon limitée aux formes de réalisation ci-avant et que bien des modifications peuvent y être apportées sans sortir du cadre du présent brevet.
REVENDICATIONS.
**ATTENTION** fin du champ DESC peut contenir debut de CLMS **.
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"Improvements relating to compressors
The present invention relates generally to compressor art and, more particularly, to a novel and particularly useful centrifugal air compressor.
Although not limited thereto, the compressor according to the present invention is designed to operate under lower flow conditions than those of central compressors.
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Conventional fuges work. The main object of the present invention is to provide a centrifugal compressor which is simple and relatively inexpensive to construct, while being extremely durable and safe in operation, and capable of high efficiency for its size.
Another important object of the present invention is to provide a centrifugal compressor capable of highly efficient operation under extremely low flow conditions.
In one of its aspects, a centrifugal compressor according to the invention is characterized by a shaft mounted ra @@ tion around its longitudinal axis, a rotor having a pair of plates spaced in the direction of the axis of the rotor. shaft, one of said rotor plates being connected to the shaft and providing for mounting of the rotor on the shaft for rotation therewith, the other rotor plate having an inlet; generally central air opening into the rotor, the rotor; having a peripheral air outlet opening between the plates, a stator enclosing the rotor, said stator having an air inlet opening in radial alignment with the air outlet opening of the rotor and an outlet opening j air from the stator adjacent to its outer periphery.
In another aspect, a centrifugal compressor according to the invention is characterized by a rotor and a stator mounted at the periphery thereof, as described previously, said stator comprising a pair of members spaced from one another in the direction of axis of the shaft and having cover portions extending radially inwardly across the rotor plates axially spaced therewith, while both the rotor plates and the cover portions stator members are shallow frustoconical shape converging towards the periphery of the rotor,
Other details and features of the invention
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will emerge from the description below, given by way of non-limiting example and with reference to the accompanying drawings,
wherein :
Figure 1 is a somewhat schematic longitudinal sectional view of a centrifugal air compressor constructed
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according to lnventio, following line i.i of figure 2.
Figure 2 is a cross-sectional half view, taken along line 11-II of; Figure 1.
The figure is a partial sectional view taken along the line III-III of figure 2.
Figure 4 is a longitudinal quarter sectional view
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somewhat schematic of another COJ'lprcSetu 'l, centrifugal air>
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built according to the present t.nv'ut '-. ii sU1.v:'. the ¯ line IV-IV of 1, a figure Figure 5 is a view: ¯ésiflF; liû c figure 4, but illustrating a variant. d -; .- "11: J.WIo Figure 6 is a v'le Ltts :: SL'r itye1'sa.aç of the embodiment of your figure 4, x 3: the ¯ a. = rf. 6-6 (II: figure 4.
Fn f, :: now referring to x;,; a .... 3 .. smoke 'rt. realization shown as cx "1" pi.c aix sv, vzes 1 -, * èe '"accompanying drawings, the compressor suj-vjnc 11:" ...., -, n ", io11 eat. dnt d 'an envelope or a ca .... i1. el' cnfcrm, Î1: ...... t "\ / 1 forsc qj = Ji ::. i = .i :. cylindrical with members <i 't' ':' - '' ¯.t ':; n1 4- 2 and 3 fiu =
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ensure the journaling of an art'r!] 4 <.; ns dl.6 pr ... 3rs ü {.
6, respectively. An olw: cl'turc air intake is 1 - y-evu (C in the end member 2 and an opening el 1 escapeC1md d i 3 8 is provided in the end member 3.
The compressor comprises a series of centrifugal rotors generally designated 10, each having a pair of plates 11 and 12 spaced apart from each other.
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direction of the axis of the shaft 4. The faceplate 11 of each rotor is provided with a central opening 13, concentric with the shaft 4, and providing an opening for the admission of air into the rotor. rotor between plates II, 12. Each rear plate 12 is drilled in the center to receive the shaft 4 and is connected to the latter in a way ensuring the: metering of the rotor 10 on the shaft in order to rotate with the latter.
This can be achieved, for example, through the use of rotor spacer elements 14 and an end spacer element 15, the latter resting against a shoulder. 16 on the tree. ' The spacers 14 extend between the adjacent rotors 10 and are held in place by a locking nut 17, so that each rotor plate 12 is clamped on the shaft to rotate therewith. 'front end spacer 14 being keyed to the shaft as shown at 18.
The front rotor plates 11 are mounted on the associated rear rotor plates 12 with the aid of the generally radially extending rotor blades 20, which can have any desired curvature, depending on the characteristics one has. wants to get.
Thus, each rotor comprises pairs, the plates or walls 11,12, with the plates 12 connected to the shaft and supporting each rotor thereon and with the plates 11 held in axial association spaced apart from the sides. plates! 12 by the sets of blades 20 in each router. The plates 11 and 12 can be connected to the guide vanes 20 by welding or by any other manufacturing method desired. sire. The air exhaust opening 21 is made at the periphery of each rotor, between the spaced plates 11, 12.
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Thus, air enters each rotor through the opening and
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/ central inlet 137 peripheral evacuated through the outlet opening 21.
The stators generally designated by the reference 22 are located at the periphery of the associated rotor. Each stator comprises plates or wall members 23 and 24, spaced in the direction of the axis of the shaft.
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front 23 extends radially outwards with respect to the enveloping casing 1, thus providing the necessary barrier between the successive rotors and it is located in this way. The rear stator member 24 terminates before the frame to leave an air exhaust opening 25 around the outer periphery of the stator, opening directed rearwardly in the direction of the axis of the shaft.
Each stator member 23, 24 has a part
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of cover 26,27, respectively, extending generally:! 3. radially ver--, the interior crosswise cI .; rotor plates fronta1Ey'et al'rlère 11, '* 12, point- cover ft enclose these. The cover portions 26 expand radially inward appr'oxin: atL /: JI {. <Nt to the periphery of the inlet openings of aJt * i =: 1, forming s = 3 therefore a dam for the flow of # aljy ('11 direction lnv {H '"', The cover parts of statu! '= Rrji <z * = 27 extend inward approximately to the organs of 'spacing 14,15 and also act as a barrier for reverse air flow.
Thus, the extensions 26 and 27 of
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stator form an enveloping ca # rtcr for the rotor asii <key;, the stators 22 are spaced from each other by organs
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stator spacers 28 which extend between the adjacent statures, at spaced points around them, being provided with end flanges facing away from them, for attachment to the stator members.
End walls 2 and 3
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are removable and the stator structures 22 and the rotors 10 can be withdrawn from the housing 1 through either end thereof. / As indicated above, the / -, front tatar 23 extend outwardly to the housing 1. The rear stator members 24 are located axially with respect to the front organs by deceleration stator blades Designated generally by the reference 30. The blades 30 are preferably associated in pairs and made from a single piece of material to provide pairs of one-piece blades with a connecting web 31.
The blades 30 are caused to diverge outwardly, presenting an intake angle corresponding to the angle of the air as it leaves the rotor. This provides air passages with increasing cross-sectional area from the stator air intake 32, and located in association spaced apart radially from the exhaust air opening. peripheral 21 of the associated rotor to the stator outlet 25. As a result, the partially compressed air is sufficiently slowed down to allow lossless passage through the outlet port 25 to the inlet 11 of the next rotor.
By using the entire periphery of the casing 1 for the air discharge, an exhaust passage 25 is provided with sufficient area to efficiently conduct the air to the next stage, all within the Limits of Circular Compressor Housing 1. The blade cores 31 provide an easy way to secure the blades to the stator or member 23, eg by spot welding / rivets.
31 '.
,
It has been found that with such a construction one can offer a surprisingly efficient and powerful compressor in a relatively small unit / size capable of being arranged, for example, in the space available under the hood.
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of a classic truck. Of course, the compressor according to the present invention is not limited to use in such an arrangement.
For ease of manufacture of the assembly and economy of construction, it is preferred to fashion both the rotors 10 and the stators 22 from thin sheet metal. However, the use of such a thin sheet material has a problem of strength, which is solved in the following way.
Each rotor plate 11,12 is constructed with a shallow frustoconical shape, converging towards the periphery of the rotor. Similarly, each stator cover portion 26, 27 receives a shallow frustoconical shape, converging towards the periphery of the rotor. rotor and connected to the active stator parts peripherally beyond the rotor, thanks to the connecting parts 32 converged more strongly, This shallow, cup-shaped frustoconical shape gives the required structural stability, while allowing the use of a thin sheet material.
The shaft 4 is releasably held in the axial position by means of a shoulder 33 mounted between on ... unties 34 held in the housing 35, with the shaft extending beyond for attachment to the shaft. It does not matter which training source you want.
The compressor according to the present invention is more particularly designed for operation under low flow conditions, for example in the range of 80 to 100 cubic feet per minute, and it is capable of operating efficiently in ranges of flow rates for which conventional centrifugal compressors simply do not work. An essential factor in obtaining this result is to provide a stator with a large number of thin diffuser blades, eg 40, located very close to the tip of the rotor, as shown at 30 in Figures 1 to 3 and. 30 'in Figures 4 to 6.
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Essentially only a working clearance is left between the periphery of the rotor and the inlet of the stator, the spacing between these elements being exaggerated in the drawings for greater clarity and ease of illustration.
This last factor is extremely important, since the distance the air must travel from the outlet of the rotor to the diffuser is critical.
When the air leaves the rotor, it has a very high speed. This velocity represents energy that must be captured by transformation into static pressure through diffusion. For efficient performance, virtually all of the exhaust air velocity energy must be retained in the diffuser.
However, most of this speed is lost in conventional low flow compressors, because the diffuser blades are so far apart from the outlet of the rotor that the energy represented by the speed of the air leaving the rotor is dissipated before reaching the stator blades.
The distance an air stream can travel before its energy is dissipated is proportional to its width. In low flow compressors the outlet of the rotor is necessarily very narrow, with the result that the air leaving the rotor is only able to travel a very short distance without appreciable loss of energy.
Such loss of energy is avoided by locating the inlet ends of the diffuser blades as close as possible to the outlet of the rotor. According to the present invention, the radial clearance between the outlet of the rotor and the diffuser blades is such that the path of the air from the outlet of the rotor to the inlet ends of the blades of the diffuser is essentially not not greater and preferably less than the distance the air flow from the rotor will travel
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without appreciable loss of energy.
To achieve such a result, a radial clearance is provided which is less than 1% of the diameter of the rotor, for example 0.040 inch with a rotor having a diameter of 6 inches,
Another important feature of the present invention is that the diffuser has a large number of thin, closely spaced blades.
A bladeless diffuser, although suitable for high flow compressors :, is totally unsuitable for a compressor working in low flow conditions. This is because in a non-payroll diffuser the air must travel its natural path in which the speed is
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inversely proportional to the distance from the center of rotation. This provides good efficiency at high flow rates.
In a low flow rate compressor, the axis y! Z of the air stream is very much reduced, as indicated.
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times, the air must always travel! the distant mGI! 16 for the same degree of diffusion. He. the result is' lUt. the ratio ftntt'c 1, this distance traveled and the width of the can, it pst, bl ": 1 COUP higher than for high flow compressors, tf which leads to prohibitive friction losses,
Therefore, blades are essential for a
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low flow diffuser. DiffuSf! UN; Conventional shovels offer a relatively small number of relatively widely spaced c3 p.xic; s.
Dao ... a low flow diffuser, the 1 M'- channel size is so small compared to the
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The relatively large distance existing between these pays a (tjact-titc - i that the resulting air passage is inefficient. Moreover, the angle of expansion offered by such a conventional diffuser blade system is of such a nature. air separation occurs under low flow conditions.
Therefore, according to the invention, lion provides a
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large number of closely spaced diffuser blades, providing effective ratio passage and a favorable expansion angle for low flow conditions. However; if too many blades are provided, excessive skin friction is generated. The optimum angle of expansion has been determined to be 7-10 degrees, which requires
36 to 52 blades. To avoid cluttering the air passages, the blades are made from a thin sheet material.
Likewise, the diffuser blades according to the present invention are essentially flat and rectilinear, avoiding the disturbances resulting from a curvature of the blades.
Although the losses in the compressor are mainly those occurring in the stator, the efficiency! of the stator is largely influenced by the design of the rotor.
The pressure generation in the rotor is achieved by centrifugal forces which are not particularly disturbed by the separation or turbulence of the air. However, the production of pressure in the stator, representing approximately half of the total pressure increase, is achieved by the transformation of velocity into pressure. This is a diffusion process in which it is difficult to maintain. efficient flow with turbulent air.
Turbulence is produced by the separation of air in the rotor. Such separation occurs on the trailing rear surfaces of the rotor blades 20, looking in the direction of rotation of the rotor. The air tends to separate and move away from the suction side of the blades as it gradually moves outward along them. As a result, a boundary layer of relatively stagnant air tends to form along the rear surface of the rotor blades 20. This stagnant air produces turbulence in the air leaving the rotor.
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Air separation also occurs on the inner surface of the rotor plate 11. Air entering the rotor tends to separate and move away from the inner surface in the rotor wall 11, resulting in a layer. uncontrolled limit of relatively stagnant air from this surface, which produces additional turbulence in the air leaving the rotor.
This disturbance in the flow of air from the rotor particularly hinders the performance of the stator under low flow conditions and it has been found that an improvement in the flow of air through the rotor, although it does not particularly contribute to improving the efficiency of the rotor, appreciably increases the efficiency of this stator, / which results in an unexpected increase in the efficiency of operation under low flow conditions.
The separation of air in the rotor and its disturbing effects on the phenomenon of stator compression or
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diffuser, are avoided d4.n: the i..OmlH'es.s, <u !! ivan 1 '! .nvnt.iuii- as follows, re ± cxa.t to 1:' For "xe embodiment shown by way of illustration in figures 4, 5 and 6.
The compressor of Figures 4 to 6 is generally similar to that of Figures 1 to 3, since it comprises a series
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centrifugal rotors 10t each having a pair of pla <# u = .. or walls 11 ', 12' spaced in the direction of the axis of the shaft 4.
The front wall 11 ′ of each rotor is provided with a central air intake opening, concentric with the shaft 4 and opening into the .rotor between the walls 11 ′, 12 ′. The
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rotor front walls 11 'are mounted on the associated rotor rear walls 12' by generally radially extending rotor blades which can have any desired curvatures, depending on the required characteristics and
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rear walls 12 'of the rotor are fixed to the shaft 4, as described above.
However, while in the embodiment of Figures 1 to 3, the rotors have propelling blades 20 extending generally radially from the inlet to the outlet of the rotor in a continuous and uninterrupted fashion. This construction is not used in the embodiment of Figures 4 to 6, due to the tendency of the air passing through the rotor to separate from the tr @ ïnent surfaces of the rotor blades 20.
In contrast, the embodiment of Figures 4-6 utilizes a segmented rotor blade construction, wherein each radially extending blade effectively comprises a series of blade segments 20 'extending from the inlet of the blade. rotor towards its exit with a radially, overlapping and peripherally spaced staged arrangement, as clearly illustrated in Figures 4 and 6.
The inner ends of the outer segments overlap the outer ends of the inner segments, on their driving face, at locations along those *. where air separation would normally start to occur,
Due to this construction of propellant blades in segments, the air passing through the rotor along the leading faces of the blade segments exits between the adjacent segments on the trailing surfaces thereof. This escaping air therefore passes from the space between a pair of segmented blades into the space between the next pair.
it is directed onto the trailing surfaces of the outer segments in a manner which avoids the stagnant boundary layer of air which tends to form there. This provides boundary layer control
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on the propellant blades
However, the problem of air separation from the front walls 11 'of the rotor remains and may be even more serious. This problem is avoided in the embodiment of Figures 4-6 by providing angular air deflectors 36 and 37 in the air intake opening of the rotor.
The baffles 36,37 are concentric with each other and with the shaft 4. Likewise, they are semi-circular in cross-sectional shape, being curved around them. annular axes, as clearly shown in Figures 4 and 5.
Deflector rings 36 are mounted along their outer upper sides on the lower end of the stator front skirts 261% and curve downward, inward and then upward, terminating in closely spaced association. with the lower edge of the front wall 11 'of the rotor, leaving only a working clearance in relation thereto. The decider rings 37 will be located, in the embodiment shown, approximately at halfway between the deflectors 36 and the spacers 14,
with upwardly curving ends located one adjacent to the lower edge of the inner blade segments 20 'in closely spaced association therewith and leaving substantially only one working clearance with them, and the other between the adjacent pairs of stators 22 ', as shown in .figure 4.
The deflectors 37 are carried by the deflectors 36, being mounted thereon by connecting web plates 38 spaced around the shaft 4, for example 4 in number and extending axially relative to the shaft 4. to shaft 4 in order to provide minimum interference with air flow through the rotor inlet.
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Thus, the deflectors 36,37 provide rotor intake passages with radially directed inlets receiving air passing between adjacent rotor and stator assemblies and radially directed outlets in the rotors, because of this deflection. and from this direction given to the intake air towards the rotors 10 ', this intake air is controlled and a direct air stream is formed along the internal face of the walls of the rotors 11' . This allows control of the single layer avoiding the formation of a layer of stagnant air which would otherwise tend to form on this surface.
Although the separation of the air along the propellant pagans and the separation of the air along the wall
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of the solid rotor considered individually, they are not distinct and separate, but are on the contrary in mutual relation. The construction of blades in segments and the arrangement of inlet deflectors for the rotor, more particularly the latter, in combination with the stator according to the invention allow a high operating efficiency even under low flow conditions where the compressors Conventional centrifuges do not work properly, if they even do.
The control of the air entering the rotor, when combined with a stator according to the invention, produces an extraordinarily high increase in efficiency, of the order of 10%, to provide a centrifugal compressor capable of working at 80-100 cubic feet per minute, with an efficiency of around 70%.
As in the embodiment of Figures 1 to 3, those of Figures 4 to 6 can be made of sheet metal. Converging rotor walls provide nearly constant air passage area, for nearly constant speed in the rotor. Diffusion is therefore practically limited to the stator, which is
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designed to produce an increase in compression through diffusion, while the rotor is not in this case,
When the power supplied and the body diameter are not limiting factors, a more efficient flow rate and a higher pressure increase can be obtained by extending the walls of the rotor beyond the propellant blades, as shown at 39 in figure 5. .
This allows partial diffusion under conditions of practical lack of relative velocity. The distance traveled by air from its ambient walls 39 is relatively short. Therefore, the diffusion efficiency is very high,
Accordingly, it is appreciated that the present invention fully achieves the intended objects. Centrifugal compressors designed for low flow t operation present very different problems from those found in high flow compressors and require solutions; different.
The present invention solves this problem and provides a centrifugal compressor capable of extremely efficient. high, for example produced 100 pounds per square inch at 80-100 cubic feet per minute using rotors only six inches in diameter and constructed of inexpensive sheet metal.
It should be understood that the present invention is in no way limited to the above embodiments and that many modifications can be made thereto without departing from the scope of the present patent.
CLAIMS.
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