Machine pour la transformation de la pression d'un fluide en travail ou inversement. La présente invention se rapporte à une machine pour la transformation du travail en pression ou inversement, dans laquelle la hauteur manométrique utilisée ou produite par urne seule roue est répartie ,sur un ensem- ble de plusieurs couronnes concentriques d'aubes mobiles, disposées sur une des faces du rotor,
et sur plusieurs couronnes concen- triques d'aubes -disposées sur une paroi du stator, s'intercalant -dans les espaces annu laires entre les couronnes d'aubes du rotor, l'écoulement -du fluide étant centrifuge lors que la machine transforme du travail en pression (compression -et pompe à liquides) et centripète lorsque la machine transforme de la pression en travail (turbine à gaz, va peur et hydraulique.
Dans les machines connues de cette espèce, l'équilibrage axial est réalisé par une cham bre comprise entre la face du rotor ne por tant pas d'aubes et une paroi du stator, et dans laquelle règne une pression uniforme -et, en général, égale à la haute pression du fluide. Gela est réalisé par un canal percé à travers le rotor, assurant la communication entre cette chambre d'équilibrage et la haute- pres sion.
L'une des faces -du rotor est donc soumise, par exemple, à une pression uniforme Pi, taudis que l'autre face est -soumise -devant chacune -des :
couronnes .d'aubes fixes et mo biles, selon le fonctionnement de la machine en compresseur, à des pressions -décroissantes Pl, Pz... Pn. s'il y a n couronnes d'aubes (fig. 1).
La pression résultante à l'endroit de la première couronne du rotor est donc <B>Pi -Pi</B> = 0, à l'endroit de la deuxième couronne, la pression résultant -est P,-P,, à l'endroit de la nme couronne, la pression résultante est Pl <I>-</I> P,l.
Ire rotor -est ainsi soumis en chacun .de ses points à -des pressions résultantes axiales qui ne sont pas nulles et qui, pour cette rai son, ne permettent pas un bon équilibrage.
D'autre part, les turbines à couronnes d'aubages concentriques ont généralement des aubes @de, profil tel que deux aubes successives d'une même -couronne forment entre -elles une tuyère curviligne, cette tuyère étant dans le cas d'un compresseur une tuyère .divergente.
Or, cette tuye%re,d verge,n!fe doit jouer clans ce cas le rôle de diffuseur qui, par suite, de son petit rayon de courbure, présente un mau vais rendement; cela provient en majeure partie du phénomène ,suivant: Le fluide: arrivant entre les aubes 30, 31.
d'une couronne fixe est projeté par la, force centrifuge contre la face concave de l'aube 31 (fig. 2); par suite, la, pression le long de cette face concave est beaucoup plus élevée que le long de la face convexe -de l'aube 30. Il peut même se produire en 32 un décollement ,de la veine fluide sur cette face convexe: ce décollement provoque des remous très fâcheux pour le rendement.
Le même phénomène se produit entre les aubes. 33 et 34 de la. couronne mobile suivante qui tourne suivant F,; l<B>à</B> encore la. veine fluide peut décoller en 35 le long de la, face convexe .de l'aube 34.
La présente invention concerne une ma chine :du type décrit, caractérisée par des chambres annulaires ménagées sur la face du rotor non munie de couronnes d'aubes. chaque chambre étant disposée en face d'une Cou- ronned'aubes fixes ou mobiles, la, pression qui règne dans chaque chambre étant égale à la pression qui règne dans la. couronne d'aubes correspondante, ce qui assure un équi librage axial en chaque point de la. surface du rotor.
Deux machines conformes à, l'invention et une variante sont représentées, à titre d'exem ple, aux fig. 3 .à 8 du dessin ci-joint, .dans lequel: La. fi-. 1 montre, en coupe schématique, la répartition des pressions sur Tes deux faces du rotor des machines connues pour la trans formation du travail en pression ou inverse ment.
La fig. 2 montre, schématiquement, les trajets du fluide entre .deux couronnes d'aubes successives et la distribution des pressions entre deux aubes consécutives d'une machine connue pour la transformation du travail en pression ou inversement.
La fi,,-. 3 est une coupe axiale de la ma chine.
La fi* 4 est une coupe axiale partielle de cette machine.
La. fig. 5 représente le diagramme des pressions axiales du turbocompresseur con forme à l'invention.
La fig. 6 représente, à grande échelle, une coupe ti ansversale aux aubages avec les parallélogrammes des vitesses.
La fin. 7 est une coupe axiale partielle d'une autre machine.
La. fi-. 8 représente le tracé des aubages d'une machine.
Le turbocompresseur représenté sur les figures de 3 à 6 est monté .sur un arbre mo teur 1. Une roue \? est calée :sur l'arbre moteur 7 ; la roue 2 est profilée à sa partie centrale suivant un cône 3 dont le profil correspond à celui. de la veine gazeuse à l'aspiration de l'appareil.
La. roue 2 porte sur sa face 2' des cou ronnes d'a.u4s 4' 42 4@\ 4' dites aubes mobiles, le profil de ces aubes 4'... 4' ('fi-. 6) varie d'une couronne à l'autre et suivant les carac- t6ristiques de l'appareil (vitesse, débit), mais elles sont toujours réalisées de manière que deux aubes @sueeessives d'une même couronne forment une tuyère curviligne.
La face 22 de la roue, non munie d'aubes, présente des nervures circulaires 51 52... 5'r. Le stator comporte un flasque 6 légère ment conique; Ce flasque porte .des couronnes d'aubes fixes 7' 72 ...<B>T',</B> intercalées entre les couronnes d'aubes mobiles 4'... 4', la. couronne d'aubes fixes 7' étant extérieures à la Cou ronne d'aubes mobiles 4'.
Comme les -aubes mobiles., les aubes fixes sont constituées de manière que,des aubes successives d'une même couronne forment une tuyère curviligne.
Le stator comporte aussi un flasque 8 qui présente sur une de ses faces des nervures circulaire. 91 92... 98, formant avec les ner vures circulaires 5'... 57 de la roue 2, des chambres 101... 108, reliées entre elles par des conduits de faible section 11'... 117. Un con- duit 12 est ménagé entre le :stator et le bord de la roue 2; il relie la chambre<B>10'</B> à la face 21 de, la roue 2.
Les conduits 11 et 12 sont formés par les jeux néees:saires entre parties fixes et mobiles.
Des canaux 17i... 174 :sont percés :dans la roue 2 et font communiquer lesdeux faces :de la, roue en regard de chaque couronne d'aubes fixes 72 7' 74 -et,des chambres annulaires 102 1o4108 et 108.
Des chambres de contre-pression <B>35'</B> 35' 35" 357 sont ménagées entre l'anneau 361 363 36' <B>36'</B> reliant les: :extrémités des aubes de chaque couronne d'aubes mobiles -et le flasque 6 du ,stator.
L'entrée du fluide se fait par un conduit 13 ménagé dans le stator et débouchent dans un collecteur d'entrée 14; de fluide ,sortant des aubes après compression débouche dans un collecteur :de sortie 15 et est évacué par des orifices 16 pratiqués -dans ce collecteur 15.
La machine: ci-dessus :décrite fonctionne en compresseur de la manière suivante: Le rotor tourne dans le sens de la flèche f (fig. 6); on considère une couronne d'aubes mobiles 44 et les couronnes d'aubes fixes <B>7'</B> et 74 situées immédiatement de part et d'autre de celle-ci. Les aubes fixes de la couronne 75, inclinées de façon à réaliser l'entrée correcte -du fluide dans les aubes mobiles,
forment distributeur. Les aubes fixes -de la couronne 74 jouent le rôle de diffuseur pour la cou ronne d'aubes mobiles 44 et le: rôle .de distri- bute@ur pour la couronne d'aubes mobiles 4'.
Chaque couronne 4'... d'aubes mobiles pro duit donc une compression indépendante, ainsi que chaque couronne d'aubes fixes 71... réalisant en série les uns. avec les autres des e êta ges successifs de compression.
Le fluide gazeux ainsi aspiré par le con duit axial 13 est progressivement comprimé par les couronnes mobiles et fixes; avant de s'échapper dans le collecteur 15, il passe à travers une couronne d'aubes fixes 71 où il transforme en pression toute la vitesse circon- fér.entielle acquise dans l'aubage mobile 41, conservant une vitesse juste suffisante pour la nécessité ,du :débit.
Le fluide ainsi com- primé est rassemblé dans le collecteur 15 et refoulé par,des orifices 16.
La puissance absorbée par chacun des étages @du compresseur est exprimée par:
EMI0003.0083
Y étant le poids @de fluide traité par seconde, y l'accélération de la pesanteur, Ui la vitesse d'entraînement à la périphérie ,de l'aubage mobile, Tr, la vitesse absolue .du fluide â la sortie de l'.aubage mobile, ai l'angle que font entra :
elles ces deux vi- tesses, Uo la vitesse d'entraînement à l'entrée de l'aubage mobile, Vo la. vitesse absolue du fluide à cette entrée, a, l'angle- que font entre elles ces deux vi tesses.
Le profil des aubes, mobiles :est réalisé ,de manière à :donner à l'angle ao une valeur supé rieure ià 90o;
par suite, le terme -Uo Vo ces ao a une valeur positive et s'ajoute au terme U, Tr., cos ai :dans la formule c-dessusdon- nant la. puissance W.
La légère inclinaison :des aubes mobiles 4 à la sortie en avant du mouvement a pour effet :de faire tendre vers zéro l'angle a,; le cosinus de .cet angle ai tend vers let la valeur du terme U, <I>Y,</I> cos<I>a,</I> augmente en tendant vers Ui 17, qui est sa valeur maximum.
Les valeurs des angles ao et ai peuvent évidemment varier tout en étant limitées par les considérations d'usinage .des aubes.
L'équilibrage axial ,est réalisé de la ma nière suivante: les :canaux 171... 174 mettent les chambres .annulaires 102 104 101 108, en communication avec la face 21 :du rotor en regard :des cubages fixes correspondants 72 73 74 et Vet :
établissent ainsi dans ces, chambres des pressions égales aux pressions exislantes dans -ces cubages fixes et agissant sur la face 21 du rotor. En ces endroits ,du rotor, la pres- sion est donne la même sur la face 21 -et et sur -la face 22 réalisant ainsi l'équilibrage axial.
D'autre part, les canaux 11 font commu niquer entre elles les chambres 101... 108, de telle manière que dans la chambre 10", par exemple, soit établie une pression intermé diaire à celle existante dans les chambres 10= et 104 entre lesquelles elle est intercalée. Cette pression intermédiaire est la même que celle. exercée par la chambre 353 sur l'anneau re liant les extrémités des aubes 363 de la cou ronne @d'aubages mobiles 4. .
Cette pression est intermédiaire entre les pressions existant dans les aubages fixes 72 et 73 entre lesquels les aubages mobiles 42 sont intercalés, de même la pression :dans chacune des chambres 351 35' 35' correspondant aux aubages mobiles 41 43 et 44, .correspond à. une pression équi valente dans l'une des chambres 101 10' 10'r situées vis,-@à-vis de ces aubages mobiles.
Les pressions sont donc égales en tous les points sur chaque face du rotor 2, réali sant ainsi parfaitement l'équilibrage axial.
Cette répartition régulière de l'équili brage ressort nettement .du schéma. de la. fig. 5: à, chaque pression Pl... Pn sur la, face 21 du rotor muni -d'aubes mobiles, correspond une contrepression égale et .de sens contraire Pl... Pn sur -la. face opposée 2\ de ce rotor: on réalise ainsi un équilibrage axial en chaque point de la surface du rotor.
On peut apporter de nombreuses modifi- cations à la machine des fig. 3 à 5 sans sortir pour cela du cadre de l'invention.
Notamment la fi,g. 7 représente une ma chine suivant une variante de l'invention. Le rotor 2 de cette machine présente sur sa face 2'' des chambres annulaires d'équilibrage 181 18û... 18n. Ces chambres annulaires d'équili brage sont reliées entre elles par des canaux 191... <B>19,</B> l'ensemble des chambres 18 et des canaux 19 forme un labyrinthe dans lequel la vitesse du fluide acquise dans un canal 19 s'annule :dans la chambre 18 qui le suit.
D'autre part, dans les anneaux de recou vrement 271 27= .des couronnes -d'aubes mo biles sont creusées des rainures circulaires; formant avec des rainures circulaires de la. paroi 29 du stator des chambres annulaires d'équilibrage, 221 222 223 et 241 242 243, les chambres 24 étant reliées entre elles par les canaux 231 232 23'\, les chambres 22 étant re liées entre elles par les canaux 251<B>252</B> 253.
Les anneaux de recouvrement 28 des cou ronnes d'aubes fixes sont également creusés de rainures annulaires formant, avec des rai nures annulaires de la paroi 2' du rotor, des chambres annulaires d'équilibrage 201 20= 203 204 reliées entre elles par des canaux 211 2 1= 213 214.
De.s canaux 261<B>262</B> sont percés dans la roue 2 et font communiquer les deux faces du rotor 2. Le canal<B>26'</B> fait communiquer les deux faces du rotor 2 à l'endroit. des chambres annulaires d'équilibrage \304 et 188. Certains de ce, caveaux 261 sont toujours dis posés entre le centre du rotor et le premier aubage mobile, afin de mettre le centre du rotor en communication avec l'aspiration -du compresseur et doivent être de section suffi sante pour évacuer la. fuite du fluide de la face<U>92</U> vers la- face 21.
Dans les chambres annulaires, par exem ple 201 20" 203, un courant de fluide va s'éta blir par les canaux 211 21= 213 de telle ma nière que la pression régnant dans ces cham bres soit; la. même que la pression régnant à l'intérieur de l'auba.ge 72.
En somme, ce dis positif établit une pression ,dans l'espace com- p:ris entre l'anneau reliant les extrémités des aubes et le stator s'il s'agit d'un auba.ge mo bile ou l'anneau reliant les extrémités des aubes et le retor s'il s'agit d'un aubabe fixe qui est égal, d'une part, à la pression régnant à. l'intérieur de l'aubage considéré et, d'autre part, à la pression qui règne -dans les cham bres correspondantes de la face 22 du rotor, réalisant ainsi un équilibrage axial en tous points du rotor.
Cette machine présente divers avantages et notamment ,les suivants: n) on obtient -Lui équilibrage parfait si le nombre des chambres et leurs dimensions sont les mêmes pour chacune des faces de la roue.
on améliore l'étanchéité entre deux cou ronnes successives d'a.ubages; de ce fait, on réduit les fuites et on accroit le rendement. Lorsque la machine est un compresseur, on peut éviter les inconvénients -des aubages connus (fig. 2) en créant une forme particu lière d'aubages (fig. 8).
Ces aubages des couronnes fixes et mo biles présentent une épaisseur accrue 37 à partir de la région du coude jusqu'à leur bord de sortie; par ,suite, la veine fluide reste tou jours en contact avec la surface convexe 38 de .l'aube -et on supprime ainsi .le décollement ,dû à l'effet centrifuge comme expliqué pré cédemment.
Les aubes présentent également sur leurs faces de sortie une surface cylindrique 39 réalisée de telle manière que la veine de fluide 40 sortant d'un aubage laisse une zone de dépression 41 dans l'aubage suivant.
Ces aubages présentent les avantages sui vants: a) le rendement de la tuyère curviligne constitué par deux aubes successives d'une même couronne est augmenté puisque la veine fluide ne décolle pas -de la surface .convexe 38, ce qui évite la formation de remous dans cette veine.
b) l'effet de la force centrifuge clans un auberge curviligne (fig. 2) fait que la pression en A (fig. 8) est très supérieure à la pression du point B.
La face concave d'une aube mobile e dé plaçant suivant la flèche reçoit donc du fluide à pression plus élevée puis l'arête de cette aube mobile se trouve subitement en face de l'arête arrière de l'aube fixe (position de la fi-g. 8). Ensuite, pendant le temps mis par l'aube mobile pour parcourir le segment e, sa face concave ne reçoit pa;s de fluide.
De cette manière, la pression le long de cette face concave s'abaisse (par inertie du fluide qui s'y trouvait et qui était animé d'une Per- taine vitesse, ainsi que par frottement de la veine qui s'écoule le long de la face convexe de l'aube précédente.
Lorsque la face concave de l'aube mobile arrive en face :du point B (arête ,avant de l'aube fixe), la pression qui règne le long de cette face concave est plus voisine :de celle qui règne e n B.
La tendance au retour en arrière -de la veine fluide qui .se produit périodiquement dans les aubages conformes à la technique habituelle, chaque fois qu'une .aube mobile passe devant une aube fige, se trouve :dans le cas de la fig. 8, diminuée, sinon supprimée. Les remous sont donc moins violents et le rendement interne s'en trouve amélioré.