FR3007086A1

FR3007086A1 - Roue centrifuge

Info

Publication number: FR3007086A1
Application number: FR1355696A
Authority: FR
Inventors: Stephane Sgambati
Original assignee: Cryostar SAS
Current assignee: Cryostar SAS
Priority date: 2013-06-18
Filing date: 2013-06-18
Publication date: 2014-12-19
Anticipated expiration: 2033-06-18
Also published as: CN105518307A; KR20160021229A; EP3011185A1; CA2915720C; WO2014202903A1; FR3007086B1; EP3011185B1; JP2016522357A; CA2915720A1; RU2019113490A3; US20160146215A1; RU2015154050A; RU2019113490A

Abstract

Cette roue centrifuge (2) comporte : - un moyeu (10) présentant un axe longitudinal (8), - une entrée (20) de fluide, - un premier flasque dit flasque amont (12) et présentant une ouverture (22) autour du moyeu (10), - un second flasque dit flasque aval (14) séparé du premier flasque par des aubes (16) formant ainsi des canaux délimités chacun par le premier flasque (12), le second flasque (14) et deux aubes (16) et s'étendant depuis l'entrée (20) de fluide jusqu'à une sortie (26) périphérique, à proximité de la sortie (26) périphérique le premier flasque (12) présentant une zone concave (32) orientée vers les canaux tandis que le second flasque (14) présente quant à lui une zone convexe (34) orientée vers les canaux.

Description

La présente invention concerne une roue centrifuge. Le domaine technique de la présente invention est celui de la compression de fluides, liquides ou gazeux. L'invention concerne alors aussi bien des pompes que des compresseurs qui permettent d'amener respectivement un liquide ou un gaz, d'une pression donnée à une pression plus élevée. Il existe de nombreuses techniques pour augmenter la pression d'un fluide. Une technique courante consiste à centrifuger le fluide sur lequel une contrainte est alors exercée provoquant une augmentation de sa pression.

Pour la mise en oeuvre de cette technique, il existe de nombreuses structures différentes de pompes et compresseurs en fonction de nombreux paramètres liés notamment au fluide, à l'environnement (encombrement, etc.) et aux performances souhaitées (taux de compression, etc.). Par la suite, on s'intéressera à des pompes ou compresseurs comportant au moins une roue centrifuge associée à un diffuseur axial. Une roue centrifuge est une roue présentant un axe de rotation. Elle est destinée à comprimer un fluide qui s'écoule selon une direction parallèle à son axe de rotation, le fluide comprimé sortant de la roue selon une direction radiale vers l'extérieur. Lorsque le fluide comprimé doit s'écouler axialement, une solution consiste à orienter le fluide en sortie de roue pour modifier le sens d'écoulement. L'élément utilisé à cet effet est une pièce fixe appelée diffuseur axial et qui comporte au moins un conduit pour orienter le fluide comprimé. L'extrémité aval du conduit, c'est-à-dire l'extrémité opposée à la roue centrifuge, est orientée axialement selon l'orientation que l'on souhaite donner à l'orientation du fluide comprimé. Le diffuseur axial a alors pour but de faire prendre un virage à environ 90° au fluide sortant de la roue centrifuge pour l'orienter axialement. Un problème technique que l'on rencontre avec une telle structure est qu'elle est source de pertes de charge pour le fluide comprimé. Il est en effet connu qu'un fluide, lorsqu'il s'écoule, subit des pertes de charge qui dépendent du conduit dans lequel il se trouve et notamment des changements de direction qu'il subit. Il n'est pas possible de supprimer les pertes de charges qui sont liées notamment à la nature même du fluide (notamment sa viscosité) mais la présente invention a pour but de fournir des moyens pour limiter autant que possible ces pertes de charge. Un but de la présente invention est ainsi, pour un étage de compression donné, comportant une roue centrifuge et un diffuseur axial, d'augmenter les performances de cet étage, c'est-à-dire par exemple pour une puissance donnée obtenir un taux de compression supérieur ou bien pour une compression donnée pouvoir limiter la puissance mécanique nécessaire à exercer sur la roue pour la faire tourner. À cet effet, la présente invention propose une roue centrifuge comportant : - un moyeu présentant un axe longitudinal, - une entrée de fluide, - un premier flasque dit flasque amont et présentant une ouverture 15 autour du moyeu, - un second flasque dit flasque aval séparé du premier flasque par des aubes formant ainsi des canaux délimités chacun par le premier flasque, le second flasque et deux aubes et s'étendant depuis l'entrée de fluide jusqu'à une sortie périphérique. 20 Selon la présente invention, à proximité de la sortie périphérique le premier flasque présente une zone concave orientée vers les canaux tandis que le second flasque présente quant à lui une zone convexe orientée vers les canaux. Grâce à la forme donnée ainsi aux canaux en sortie, le passage d'un 25 flux radial au sein de la roue centrifuge à un flux axial dans le diffuseur en aval de la roue est réalisé moins brusquement permettant de limiter les pertes de charge lorsque le fluide change d'orientation. Pour avoir une roue plus simple à réaliser, le premier flasque et le second flasque présentent avantageusement une forme de révolution autour 30 de l'axe longitudinal. On prévoit par exemple que la surface tangente à la zone concave du premier flasque en sortie de canal forme un angle compris entre 1° et 45°, de préférence entre 10° et 30°, avec un plan radial perpendiculaire à l'axe longitudinal. De même, on peut prévoir que la surface tangente à la zone convexe du second flasque en sortie de canal forme un angle compris entre 1° et 45°, de préférence entre 10° et 30°, avec un plan radial perpendiculaire à l'axe longitudinal.

Pour un meilleur guidage du fluide dans une roue centrifuge selon l'invention, il est avantageusement prévu que les aubes s'étendent jusqu'au bord périphérique extérieur du premier flasque et/ou du second flasque. Pour créer localement une accélération du fluide sortant de la roue centrifuge, le premier flasque présente avantageusement un bord périphérique extérieur adjacent aux canaux de diamètre supérieur à celui d'un bord périphérique extérieur adjacent aux canaux du second flasque. Au niveau du bord de grand diamètre, qui correspond à l'extérieur de la forme incurvée donnée à la roue centrifuge en sortie de celle-ci, la vitesse est ainsi plus élevée. Ceci est préférable car la trajectoire à parcourir à l'extérieur d'un virage est plus grande que celle à l'intérieur d'un virage. De la sorte, on favorise une répartition de vitesse plus homogène lorsque le fluide se déplace ensuite selon une direction essentiellement longitudinale. La présente invention concerne en outre également un compresseur centrifuge et/ou une pompe centrifuge qui comporte une roue centrifuge telle que décrite ci-dessus. Des détails et avantages de la présente invention apparaitront mieux de la description qui suit, faite en référence au dessin schématique annexé sur lequel : La figure 1 illustre une roue centrifuge de l'art antérieur par une vue en 25 coupe d'une demie roue montée dans un compresseur, La figure 2 est une vue similaire à celle de la figure 1 pour une roue centrifuge selon une première forme de réalisation selon la présente invention, et La figure 3 est une vue similaire aux précédentes pour une seconde 30 forme de réalisation de la présente invention. L'homme du métier reconnaît sur la figure 1 une roue centrifuge 2 montée à l'intérieur d'un corps 4, par exemple un corps de compresseur, et sur un arbre 6 qui présente un axe longitudinal 8. La description qui suit sera faite en référence à un compresseur travaillant avec de l'air (ou plus généralement des fluides gazeux) mais la présente invention peut également s'appliquer à des pompes destinées à des liquides. Lorsque la roue centrifuge 2 est entrainée en rotation par l'arbre 6, de l'air (ou tout autre fluide gazeux) est aspiré à l'intérieur de la roue centrifuge 2 selon une direction longitudinale par rapport à l'axe longitudinal 8, est entrainé dans un mouvement hélico-centrifuge dans la roue centrifuge 2 en rotation et ressort radialement par rapport à l'axe longitudinal 8. La roue centrifuge 2 est réalisée d'une seule pièce et comporte un moyeu 10, un premier flasque ou flasque amont 12, un second flasque ou flasque aval 14 et des aubes 16. Le moyeu 10 permet de réaliser une liaison entre l'arbre 6 et la roue centrifuge 2. Il présente une forme globale tubulaire cylindrique circulaire et est muni de moyens permettant de le solidariser avec l'arbre 6. On peut ainsi classiquement prévoir par exemple une rainure longitudinale dans le moyeu 10 et dans l'arbre 6 pour recevoir une clavette longitudinale ou bien des cannelures ou tout autre type de liaison. Le flasque aval 14 est raccordé directement au moyeu 10 et s'étend radialement par rapport à l'axe longitudinal 8. L'orientation amont/aval est définie par rapport au sens de circulation de l'air dans la roue centrifuge 2. En effet, sur la figure 1 (ainsi que sur les autres figures) l'air est aspiré à droite de la roue puis se déplace longitudinalement vers la gauche avant d'être entrainé dans une direction radiale pour être enfin orienté, après être sorti de la roue centrifuge 2 dans une direction longitudinale à nouveau vers la gauche de la figure. Ainsi les éléments amont sont disposés à droite des éléments aval sur les figures. Le flasque amont 12 fait face au flasque aval 14 et est relié à celui-ci par les aubes 16 définissant ainsi des canaux pour l'air entre les deux flasques. L'air est ainsi conduit entre les faces internes des flasques et les aubes de manière radiale centrifuge. Le flasque amont 12 ne s'étend pas jusqu'au moyeu 10 mais reste à distance de celui-ci. Il présente face au moyeu 10 un palier d'étanchéité 18 avant. Vers l'intérieur de la roue centrifuge 2, le palier d'étanchéité 18 avant définit avec le moyeu 10 une chambre d'entrée 20 avec une ouverture 22 annulaire en amont de la chambre d'entrée 20. Vers l'extérieur, le palier d'étanchéité 18 avant est usiné pour permettre de réaliser une étanchéité de la roue centrifuge 2 en rotation dans le corps 4. On utilise par exemple un joint d'étanchéité, tel par exemple une bague labyrinthe 24, comme interface entre la roue centrifuge 2 et le corps 4. Comme on peut le voir sur les figures, la roue centrifuge 2 comporte également du côté aval un autre palier d'étanchéité 18, ou palier d'étanchéité arrière, qui s'étend à partir du flasque aval 14 et reçoit une autre bague labyrinthe 24.

Les canaux conduisant l'air entre le flasque amont 12 et le flasque aval 14 présentent chacun une sortie 26 (figure 1) orientée radialement au niveau du plus grand diamètre des flasques. L'air entre ensuite dans un diffuseur 28 dans lequel il est guidé de manière à avoir un flux d'air non plus radial mais longitudinal. Des canaux 30 dans le diffuseur 28 permettent en outre de transformer le mouvement hélicoïdal du flux d'air en un mouvement sensiblement droit. La figure 2 illustre une première forme de réalisation d'une roue centrifuge selon la présente invention. Comme il ressort du dessin, la structure globale est sensiblement la même sur la figure 1 et sur les figures 2 et 3. De ce fait, on utilise sur les figures 2 et 3 les références de la figure 1 pour désigner des éléments similaires. On retrouve ainsi une roue centrifuge 2 montée en rotation dans un corps 4 autour d'un arbre 6 d'axe longitudinal 8, l'étanchéité de la roue centrifuge 2 par rapport au corps 4 étant assurée notamment par des paliers d'étanchéité 18 coopérant avec des bagues labyrinthes 24 (ou autre type de joint d'étanchéité). Un moyeu 10 permet une liaison entre la roue et l'arbre 6, par exemple par l'intermédiaire d'une clavette non représentée. La roue centrifuge 2 comporte par ailleurs un flasque amont 12 et un flasque aval 14 reliés entre eux par des aubes 16. Le flasque amont 12 présente un palier d'étanchéité 18 qui définit avec le moyeu 10 une chambre d'entrée 20 d'ouverture 22 annulaire. Ici aussi, lorsque la roue centrifuge 2 tourne autour de l'axe longitudinal 8, de l'air (ou tout autre fluide) est aspiré par l'ouverture 22 (aspiration longitudinale) pour être comprimé dans un mouvement hélicocentrifuge puis être à nouveau orienté longitudinalement au sein d'un diffuseur 28 muni éventuellement de canaux. Les différences entre une roue de l'art antérieur et une roue centrifuge 2 selon la présente invention se situent essentiellement au niveau des sorties 26, c'est-à-dire au niveau de la zone de plus grand diamètre du flasque amont 12, du flasque aval 14 et des aubes 16. Par rapport aux roues centrifuges connues de l'art antérieur d'un compresseur (ou d'une pompe), la présente invention propose de fournir en sortie de roue centrifuge un flux d'air (ou autre fluide) présentant un vecteur vitesse amélioré pour entrer dans le diffuseur longitudinal. À cet effet, il est prévu d'incurver légèrement les canaux d'air (définis par les flasques et les aubes) dans la roue centrifuge 2 à proximité des sorties 26. On réalise ainsi une courbure en sortie de la roue centrifuge qui permet d'augmenter la vitesse de l'air vers l'extérieur de la courbure. Alors que dans la forme de réalisation de la figure 1 on remarque que la face intérieure du flasque amont 12 et la face du flasque aval 14 sont sensiblement planes (et légèrement convergentes), la face intérieure du flasque amont 12 présente à proximité de la sortie 26 une zone concave 32 et la face intérieure du flasque aval 14 présente à proximité de la sortie 26, en vis-à-vis de la zone concave 32, une zone convexe 34.

Si l'on considère alors une surface tangente 36 à la face intérieure du flasque aval 14 au niveau de la sortie 26, cette surface sera sensiblement conique (cône d'axe l'axe longitudinal 8) et forme avec un plan radial illustré par une ligne en trait mixte un angle a. Dans la forme de réalisation de la figure 2, cet angle vaut environ 15° et il vaut environ 30° dans la forme de réalisation de la figure 3. De préférence, cet angle sera compris entre 10° et 45°. Dans les roues centrifuges de l'art antérieur, comme illustré par la figure 1, cet angle est sensiblement nul. Pour ne pas surcharger les figures, la surface tangente à la face intérieure du flasque amont 12 n'a pas été illustrée. On trouverait ici aussi une surface sensiblement conique, autour de l'axe longitudinal 8, qui forme avec le plan radial illustré un angle inférieur de préférence à 45°, par exemple compris entre 10 et 45°. Sur la figure 3, on a référencé par H la ligne de plus grand diamètre de la face intérieure du flasque aval 14 et par S la ligne de plus grand diamètre de la face intérieure du flasque amont 12. S et H sont des cercles, dont le centre se trouve sur l'axe longitudinal 8, respectivement de rayon Rs et RH. Comme il ressort de la figure 3 (c'est également visible sur la figure 2 mais légèrement moins prononcé), Rs > RH. Ainsi, pour une même vitesse moyenne sur la surface de sortie de l'air hors de la roue centrifuge 2, la vitesse périphérique de l'air à proximité du point S est supérieure à celle de l'air à proximité du point H. Il en va de même pour la vitesse tangentielle absolue. L'air est ainsi accéléré du côté amont (extérieur du "virage" en sortie de roue) permettant alors d'avoir une vitesse plus homogène à l'entrée d'une section sensiblement longitudinale du diffuseur. De ce fait, les pertes de charges, ne serait-ce qu'au sein du diffuseur, sont réduites et permettent donc d'augmenter le rendement du dispositif. La forme de la roue centrifuge selon la présente invention permet ainsi un passage plus progressif d'un flux d'air radial vers un flux longitudinal. La répartition des vitesses du fluide au travers d'une section de passage du diffuseur est plus homogène et plus régulière. Les pertes de charge sont ainsi limitées et un gain en termes de rendement est ainsi obtenu à la fois lorsque le fluide passe d'un flux essentiellement radial à un flux axial et lors de son écoulement dans le diffuseur axial. On remarque que les canaux dans la roue centrifuge 2 présente un passage dans lequel le flux est sensiblement radial. Les faces intérieures du flasque amont et du flasque aval présentent chacune une inversion de courbure. Ainsi la face intérieure du flasque amont 12 présente une zone convexe à proximité de la chambre d'entrée 20 puis en s'éloignant du moyeu 10 après une zone d'inflexion, ladite face intérieure présente une zone concave comme décrit précédemment. À l'inverse, la face intérieure du flasque aval 14 présente une zone concave à proximité de la chambre d'entrée 20 puis en s'éloignant du moyeu 10 après une zone d'inflexion, ladite face intérieure présente une zone convexe comme décrit précédemment. La trajectoire du fluide dans les canaux définis par les flasques et les aubes au sein de la roue centrifuge 2 présente ainsi une inflexion. Pour mieux guider le fluide dans la roue incurvée, les aubes 16 s'étendent au moins jusqu'à la zone incurvée (c'est-à-dire jusqu'à la zone concave de la face intérieure du flasque amont et jusqu'à la zone convexe de la face intérieure du flasque aval) et guident le fluide de préférence jusqu'à la sortie 26. Les aubes 16 sont donc elles aussi incurvées. Elles s'étendent de préférence à partir de la chambre d'entrée 20 jusqu'à la ligne H et à la ligne S, ou par exemple jusqu'à proximité de ces lignes (à moins de 10 mm de ces lignes). Bien entendu, la présente invention ne se limite pas à les formes de réalisation préférées décrites ci-dessus à titre d'exemples non limitatifs mais elle concerne également les variantes de réalisation à la portée de l'homme du métier dans le cadre des revendications ci-après.

Claims

REVENDICATIONS1. Roue centrifuge (2) comportant : - un moyeu (10) présentant un axe longitudinal (8), - une entrée (20) de fluide, - un premier flasque dit flasque amont (12) et présentant une ouverture (22) autour du moyeu (10), - un second flasque dit flasque aval (14) séparé du premier flasque par des aubes (16) formant ainsi des canaux délimités chacun par le premier flasque (12), le second flasque (14) et deux aubes (16) et s'étendant depuis l'entrée (20) de fluide jusqu'à une sortie (26) périphérique, caractérisée en ce que à proximité de la sortie (26) périphérique le premier flasque (12) présente une zone concave (32) orientée vers les canaux tandis que le second flasque (14) présente quant à lui une zone convexe (34) orientée vers les canaux.
2. Roue centrifuge selon la revendication 1, caractérisée en ce que le premier flasque (12) et le second flasque (14) présentent une forme de révolution autour de l'axe longitudinal.
3. Roue centrifuge selon l'une des revendications 1 ou 2, caractérisée en ce que la surface tangente à la zone concave du premier flasque (12) en sortie de canal forme un angle compris entre 1° et 45° avec un plan radial perpendiculaire à l'axe longitudinal (8).
4. Roue centrifuge selon la revendication 3, caractérisée en ce que la surface tangente 36 à la zone concave du premier flasque en sortie de canal forme un angle compris entre 10° et 30° avec un plan radial perpendiculaire à l'axe longitudinal.
5. Roue centrifuge selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisée en ce que la surface tangente (36) à la zone convexe (34) du second flasque (14) en sortie de canal forme un angle compris entre 1° et 45° avec un plan radial perpendiculaire à l'axe longitudinal (8).
6. Roue centrifuge selon la revendication 5, caractérisée en ce que la surface tangente (36) à la zone convexe (34) du second flasque (14) en sortie de canal forme un angle compris entre 10° et 30° avec un plan radial perpendiculaire à l'axe longitudinal (8).
7. Roue centrifuge selon l'une des revendications 1 à 6, caractérisée en ce que les aubes (16) s'étendent jusqu'au bord périphérique (H, S) extérieur du premier flasque (12) et/ou du second flasque (14).
8. Roue centrifuge selon l'une des revendications 1 à 7, caractérisée en ce que le premier flasque (12) présente un bord périphérique (S) extérieur adjacent aux canaux de diamètre (Rs) supérieur à celui (RH) d'un bord périphérique (H) extérieur adjacent aux canaux du second flasque (14).
9. Compresseur centrifuge, caractérisé en ce qu'il comporte une roue centrifuge (2) selon l'une des revendications 1 à 8.
10. Pompe centrifuge, caractérisée en ce qu'elle comporte une roue centrifuge (2) selon l'une des revendications 1 à 8.