CH338545A - Centrifugal wheel compressor - Google Patents

Centrifugal wheel compressor

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CH338545A
CH338545A CH338545DA CH338545A CH 338545 A CH338545 A CH 338545A CH 338545D A CH338545D A CH 338545DA CH 338545 A CH338545 A CH 338545A
Authority
CH
Switzerland
Prior art keywords
axial
wheel
impeller
compressor
speed
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Application number
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French (fr)
Inventor
Georges Schwaar Pierre
Original Assignee
Snecma
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Publication date
Application filed by Snecma filed Critical Snecma
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Classifications

    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F04POSITIVE - DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS FOR LIQUIDS OR ELASTIC FLUIDS
    • F04DNON-POSITIVE-DISPLACEMENT PUMPS
    • F04D21/00Pump involving supersonic speed of pumped fluids

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • General Engineering & Computer Science (AREA)
  • Structures Of Non-Positive Displacement Pumps (AREA)

Description

  

  Compresseur à roue     centrifuge       Le débit-masse des     compresseurs    à écoulements  radiaux dépend de leur diamètre extérieur que l'on  ne peut augmenter     au-delà    de     certaines        limites,    en  particulier dans les machines d'aéronautiques où il  est important de réduire autant que possible le  maître-couple et le poids.  



  Pour pallier     cet        inconvénient,        c'est-à=dire    pour  augmenter le débit-masse sans augmenter le dia  mètre extérieur du compresseur, tout en conservant  le même rapport de pression, on a cherché à aug  menter le diamètre extérieur de la section d'admis  sion de la roue mobile à écoulement radial (rouet).  



  Toutefois, si     l'écoulement    absolu à l'entrée du  rouet est entièrement axial, la vitesse relative au  diamètre     extérieur    de la section     d',admission    attein  dra, dans     ces    conditions, des valeurs prohibitives,  compte     tenu    de la     déflection    à réaliser dans la partie  axiale du rouet.  



  Si l'on veut augmenter le diamètre extérieur de  la section axiale d'admission, il faut engendrer un  écoulement à moments cinétiques positifs au dia  mètre extérieur d'entrée du rouet. Mais cela entraîne  une diminution du taux de     compression        réalisable     pour les filets     fluides    situés dans la partie extérieure  de la veine. Si l'on tient à     conserver    l'entrée axiale  absolue au diamètre intérieur, donc à réaliser le  taux de compression maximum pour les filets flui  des     correspondants,    il est     nécessaire    de     fournir    un  travail de compression égalisateur en amont du  rouet.  



  Ce travail préparatoire sera d'autant plus néces  saire que le diamètre extérieur de la section d'ad  mission du rouet sera grand.  



  Pour atteindre un débit     spécifique        intéressant,     le     rapport    du travail préparatoire au rayon extérieur    et du     travail    préparatoire au rayon intérieur,     sera     de l'ordre de 1,5 à 2,0. Une telle     variation    radiale  du taux de compression n'est pas     réalisable    dans un  étage axial classique.  



  Toutefois, si l'on ajoute, en amont du rouet du  compresseur radial, un étage axial dit   transsoni  que  , les conditions d'écoulement dans     ce    dernier  permettent, précisément, de     réaliser    la variation re  quise du travail de compression en même temps  qu'un débit     spécifique    très élevé.  



  Dans     cette    roue     mobile    axiale transsonique, cha  que aube travaille avec de grands rapports de pres  sion et des nombres de Mach élevés au sommet, et  à de plus faibles rapports de pression et nombres  de Mach au pied.  



  En intercalant entre cette roue axiale transsoni  que et la roue radiale une couronne d'aubes direc  trices fixes convenablement adaptée, on aura l'écou  lement requis à l'entrée de la roue     mobile    à écoule  ment radial, pour un diamètre extérieur de section  d'admission augmenté.  



  Une telle disposition permet donc d'augmenter  le débit-masse du     compresseur    centrifuge sans aug  menter son diamètre     extérieur,    et de réaliser une  machine à taux de compression voisin de 6.  



  Le compresseur objet de l'invention est caracté  risé en     ce    que l'entrée     axiale    de la roue centrifuge  est     précédée    d'une roue axiale transsonique, tra  vaillant avec des rapports de pression et des nom  bres de Mach plus élevés au sommet des aubes qu'à  leur pied.  



  Le dessin annexé représente, à titre d'exemple,  une forme d'exécution du compresseur objet de  l'invention.      La     fig.    1 représente schématiquement, en     demi-          coupe    axiale,     cette    forme     d'exécution.     



  La     fig.    2a représente schématiquement une  coupe d'un     aubage    d'une roue     centrifuge    du type  usuel, la coupe étant faite par un plan parallèle à  l'axe de rotation au rayon intérieur de     l'aubage    ;  cette figure montre, en outre, le triangle des vites  ses     correspondant.     



  La     fig.    2b est analogue mais correspond au  rayon extérieur de     l'aubage.     



  Les     fig.    3a, 3b, 4a, 4b, 5a, 5b concernent le  cas du compresseur représenté à la     fig.    1, mais sans  aubes     directrices    d'entrée ;     celles    de ces figures dont  les numéros portent     l'indice      a       correspondent    au  rayon intérieur des divers     aubages    et celles portant       l'indice      b   au rayon extérieur;

   avec cette nota  tion, les     fig.    3a et 3b     concernent    l'étage transsoni  que, les fia. 4a et 4b les aubes     directrices    intermé  diaires et les     fig.    5a et 5b la roue     centrifuge.     



  Le     compresseur    représenté sur la     fig.    1     comporte          successivement    dans la     direction    de l'écoulement  une couronne d'aubes     directrices        fixes    1 solidaire  des deux parties coaxiales 2,3 du stator, une     cou-          ronne    d'aubes axiales mobiles 4 solidaires du rotor  5, d'axe     a-a,    et formant une roue axiale transsoni  que (à titre d'exemple, le taux de compression des  aubes mobiles de     cette    roue     peut    être:

   1,3 au pied  de     ces    aubes et 1,8 à leur     extrémité),    une couronne  d'aubes     directrices    fixes 6 et,     finalement,    une cou  ronne d'aubes mobiles radiales 7 dont l'entrée axiale  fait suite aux aubes     directrices    6. Le passage com  pris entre le carter extérieur 3 et le moyeu     des    aubes  4 et 6 est     convergent    vers la roue centrifuge.  



  Sur la     coupe    de l'aube 7, la zone 7a munie de  hachures     pointillées    est     celle    qui correspond à l'aug  mentation du diamètre d'entrée de la roue     radiale.     Les nombres     portés    verticalement donnent à titre  d'exemple diverses valeurs du diamètre en centimè  tres et les nombres portés horizontalement indiquent  les vitesses périphériques     correspondant    à     ces    dia  mètres.  



  La comparaison de la     fig.    2, d'une part, et des       fig.    3 à 5, d'autre part, illustre le fonctionnement  du     compresseur    représenté et l'avantage technique  que l'on peut en tirer.  



  Sur     ces    diverses figures, on a adopté les nota  tions suivantes : u pour les vitesses de rotation,  v pour les vitesses absolues     (v.        étant    la valeur de  cette     vitesse        dans    le plan méridien),     Mu,    pour le  nombre de Mach     correspondant    à la vitesse relative.  



  Sur les     fig.    2, on a     considéré    le cas d'une roue       centrifuge    de modèle habituel ayant, à titre d'exem  ple, un     diamètre    extérieur d'entrée de 40 cm pour    un diamètre intérieur de 18,5 cm. La valeur de la  vitesse relative d'entrée au rayon extérieur de     l'au-          bage    correspond à un nombre de Mach de 0,9 pour  une vitesse     périphérique    u = 260     m/s    .  



  Les     fig.    3a et 3b montrent que, en     conservant     les mêmes vitesses de rotation et le même diamètre  intérieur     d'entrée,    dans le compresseur     représenté,     l'étage transsonique 4 réalise un travail de compres  sion préparatoire plus grand au rayon extérieur  qu'au rayon intérieur.     Il    résulte en     effet    du triangle  des     vitesses    de la fi-. 3a que l'on a au rayon inté  rieur un produit u .

   0     VZ,    (où     V,4    est la     composante     tangentielle de la vitesse absolue V et 0     V.,,    la     diffé-          rence    des     composantes    tangentielles des vitesses ab  solues d'entrée et de sortie)     égal    à 14 400 et du tri  angle des vitesses de la     fig.    3b qu'au rayon extérieur  de l'étage transsonique     ce    produit passe à<B>31000,</B>  soit un peu plus du double.  



  Les     fig.    4a et 5a montrent qu'au rayon intérieur  les aubes     directrices    fixes 6 redressent     axialement     la vitesse du fluide avant son     entrée    dans la roue  centrifuge.  



  Les     fig.    4b et 5b montrent qu'au rayon extérieur  ces     aubes        directrices    6 ne redressent pas complète  ment la vitesse absolue du fluide sortant de l'étage  transsonique, de     sorte    que l'obliquité de     cette    vitesse  composée avec la vitesse     périphérique    permet d'ob  tenir un nombre de Mach du même ordre que     celui     de la     fig.    2b, mais avec un     diamètre    extérieur d'en  trée de la roue quia passé de 40 cm à 45,4 cm, la  vitesse périphérique étant     augmentée    de façon cor  respondante.



  Centrifugal wheel compressor The mass flow rate of radial flow compressors depends on their outside diameter which cannot be increased beyond certain limits, in particular in aeronautical machines where it is important to reduce the pressure as much as possible. master torque and weight.



  To overcome this drawback, that is to say to increase the mass flow without increasing the external diameter of the compressor, while maintaining the same pressure ratio, attempts have been made to increase the external diameter of the section of admission of the radial flow moving impeller (impeller).



  However, if the absolute flow at the inlet of the impeller is entirely axial, the speed relative to the external diameter of the inlet section will reach, under these conditions, prohibitive values, taking into account the deflection to be achieved in the axial part of the spinning wheel.



  If we want to increase the outer diameter of the axial inlet section, it is necessary to generate a flow with positive angular moments at the outer diameter of the impeller inlet. But this leads to a reduction in the compression ratio achievable for the fluid threads located in the outer part of the vein. If one wishes to keep the absolute axial entry at the inside diameter, and therefore to achieve the maximum compression ratio for the corresponding threads flui, it is necessary to provide equalizing compression work upstream of the impeller.



  This preparatory work will be all the more necessary as the outside diameter of the entry section of the impeller will be large.



  To achieve an interesting specific flow, the ratio of the preparatory work to the outer radius and the preparatory work to the inner radius will be of the order of 1.5 to 2.0. Such a radial variation in the compression ratio is not possible in a conventional axial stage.



  However, if we add, upstream of the impeller of the radial compressor, an axial stage called transsoni that, the flow conditions in the latter allow, precisely, to achieve the required variation of the compression work at the same time as a very high specific flow.



  In this transonic axial moving wheel, each vane works with large pressure ratios and high Mach numbers at the top, and at lower pressure ratios and Mach numbers at the foot.



  By interposing between this transonic axial wheel and the radial wheel a suitably adapted ring of fixed directional vanes, there will be the required flow at the inlet of the radial flow moving wheel, for an outer diameter of section d. 'increased admission.



  Such an arrangement therefore makes it possible to increase the mass flow rate of the centrifugal compressor without increasing its external diameter, and to produce a machine with a compression ratio close to 6.



  The compressor object of the invention is characterized in that the axial inlet of the centrifugal impeller is preceded by an axial transonic impeller, working with higher pressure ratios and Mach numbers at the top of the blades than 'at their feet.



  The appended drawing represents, by way of example, an embodiment of the compressor which is the subject of the invention. Fig. 1 schematically shows, in axial half-section, this embodiment.



  Fig. 2a schematically shows a section through a blade of a centrifugal wheel of the conventional type, the section being made by a plane parallel to the axis of rotation to the internal radius of the blade; this figure also shows the corresponding speed triangle.



  Fig. 2b is similar but corresponds to the outer radius of the blade.



  Figs. 3a, 3b, 4a, 4b, 5a, 5b relate to the case of the compressor shown in FIG. 1, but without inlet guide vanes; those of these figures whose numbers bear the index a correspond to the interior radius of the various blades and those bearing the index b to the exterior radius;

   with this notation, figs. 3a and 3b relate to the transsonic stage, the fia. 4a and 4b the intermediate guide vanes and FIGS. 5a and 5b the centrifugal wheel.



  The compressor shown in fig. 1 successively comprises in the direction of flow a ring of fixed guide vanes 1 integral with the two coaxial parts 2, 3 of the stator, a crown of movable axial vanes 4 integral with the rotor 5, of axis aa, and forming a transsonic axial wheel (by way of example, the compression ratio of the moving vanes of this wheel can be:

   1.3 at the foot of these blades and 1.8 at their end), a ring of fixed guide vanes 6 and, finally, a crown of radial movable blades 7 whose axial entry follows the guide vanes 6. The passage comprised between the outer casing 3 and the hub of the vanes 4 and 6 converges towards the centrifugal wheel.



  On the section of the blade 7, the zone 7a provided with dotted hatching is that which corresponds to the increase in the inlet diameter of the radial wheel. The numbers carried vertically give by way of example various values of the diameter in centimeters and the numbers carried horizontally indicate the peripheral speeds corresponding to these diameters.



  The comparison of fig. 2, on the one hand, and FIGS. 3 to 5, on the other hand, illustrates the operation of the compressor shown and the technical advantage that can be derived from it.



  In these various figures, the following notations have been adopted: u for the rotational speeds, v for the absolute speeds (v. Being the value of this speed in the meridian plane), Mu, for the Mach number corresponding to the relative speed.



  In fig. 2, we have considered the case of a centrifugal wheel of the usual model having, by way of example, an inlet outer diameter of 40 cm for an inner diameter of 18.5 cm. The value of the relative entry speed to the outer radius of the blade corresponds to a Mach number of 0.9 for a peripheral speed u = 260 m / s.



  Figs. 3a and 3b show that, while retaining the same rotational speeds and the same internal inlet diameter, in the compressor shown, the transonic stage 4 performs a preparatory work of compression greater at the outer radius than at the inner radius. It results in fact from the triangle of speeds of the fi-. 3a that there is a product u in the interior radius.

   0 VZ, (where V, 4 is the tangential component of the absolute speed V and 0 V. ,, the difference between the tangential components of the absolute input and output speeds) equal to 14,400 and the tri angle of the speeds of fig. 3b that at the outer radius of the transonic stage this product passes to <B> 31000, </B> that is to say a little more than double.



  Figs. 4a and 5a show that at the inner radius the fixed guide vanes 6 axially straighten the speed of the fluid before it enters the centrifugal wheel.



  Figs. 4b and 5b show that at the outer radius these guide vanes 6 do not completely rectify the absolute speed of the fluid leaving the transonic stage, so that the obliquity of this compound speed with the peripheral speed makes it possible to obtain a Mach number of the same order as that of FIG. 2b, but with an outside diameter of the input of the wheel which has increased from 40 cm to 45.4 cm, the peripheral speed being correspondingly increased.

 

Claims (1)

REVENDICATION Compresseur à roue centrifuge à débit-masse élevé, caractérisé en ce que l'entrée axiale de la roue centrifuge est précédée d'une roue axiale transsoni que, travaillant avec des rapports de pression et des nombres de Mach plus élevés au sommet des aubes qu'à leur pied. CLAIM High mass flow centrifugal impeller compressor, characterized in that the axial inlet of the centrifugal impeller is preceded by an axial transsonic impeller, working with higher pressure ratios and Mach numbers at the top of the blades than at their feet. SOUS-REVENDICATION Compresseur selon la revendication, caractérisé en ce qu'une couronne d'aubes directrices est inter calée entre la roue transsonique et la roue centri- fuge, les aubes de cette couronne étant disposées pour laisser subsister au rayon extérieur une com posante de vitesse du fluide dirigée dans le même sens que la vitesse rotative. SUB-CLAIM Compressor according to Claim, characterized in that a ring of guide vanes is interposed between the transonic wheel and the centrifugal wheel, the vanes of this ring being arranged to leave a component of the outer radius. speed of the fluid directed in the same direction as the rotational speed.
CH338545D 1956-06-11 1957-06-04 Centrifugal wheel compressor CH338545A (en)

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