FR3058481A1 - Compresseur axial comportant des rotors juxtaposes tournant dans des directions inverses - Google Patents
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Abstract
L'invention a pour objet un compresseur axial comportant un premier arbre motorisé (12) disposé suivant un axe, supportant une succession de rotors directs (14, 16) tournant suivant un sens de rotation appelé direct, recevant chacun axialement du côté amont un flux de gaz pour le comprimer en le transférant de l'autre côté, ce compresseur étant remarquable ce qu'il comporte axialement dans le sens du flux après au moins un rotor direct (14, 16), un rotor inverse (22, 24) porté par un deuxième arbre (20) entraîné en rotation dans le sens inverse du sens direct, qui est juxtaposé contre ce rotor direct (14, 16).
Description
Titulaire(s) : L'AIR LIQUIDE, SOCIETE ANONYME POUR L'ETUDE ET L'EXPLOITATION DES PROCEDES GEORGES CLAUDE Société anonyme.
Demande(s) d’extension
Mandataire(s) : L'AIR LIQUIDE.
COMPRESSEUR AXIAL COMPORTANT DES ROTORS JUXTAPOSES TOURNANT DANS DES DIRECTIONS INVERSES.
FR 3 058 481 - A1 tü/) L'invention a pour objet un compresseur axial comportant un premier arbre motorisé (12) disposé suivant un axe, supportant une succession de rotors directs (14, 16) tournant suivant un sens de rotation appelé direct, recevant chacun axialement du côté amont un flux de gaz pour le comprimer en le transférant de l'autre côté, ce compresseur étant remarquable ce qu'il comporte axialement dans le sens du flux après au moins un rotor direct (14, 16), un rotor inverse (22, 24) porté par un deuxième arbre (20) entraîné en rotation dans le sens inverse du sens direct, qui est juxtaposé contre ce rotor direct (14, 16).
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La présente invention concerne un compresseur axial, pouvant fournir notamment un grand débit, en particulier pour la compression d’air ou de gaz dans l’industrie, ainsi qu’une installation équipée d’un tel compresseur axial.
Un type de turboréacteur connu, présenté notamment par le document FR-A12940247, comporte une turbine libre entraînée par les gaz de combustion produits dans une chambre de combustion, comportant une succession de rotors qui sont entraînés alternativement par un train planétaire dans des sens de rotation opposés. Les deux jeux de rotors entraînent chacun une hélice tournant pour l’une dans un premier sens appelé direct par convention, et pour l’autre dans le sens inverse ou contrarotatif, ces deux hélices disposées successivement dans une veine annulaire entourant la turbine, réalisant un flux d’air froid de propulsion.
Ce dispositif résolvant des problèmes particuliers des turboréacteurs, permet d’équilibrer le couple sur les deux hélices, et de générer un flux d’air froid ne comportant pas de giration résiduelle, ce qui réduit notamment les sollicitations mécaniques des systèmes d’accrochage de ce turboréacteur.
Par ailleurs un type de compresseur connu, appelé compresseur axial, présente un flux d’air d’entrée disposée suivant l’axe d’un arbre motorisé, qui passe par une succession d’étages axiaux comprenant chacun successivement un rotor lié à cet arbre puis un stator de redressement, pour ressortir de l’autre côté suivant le même axe.
On peut disposer en sortie du compresseur axial un ou plusieurs compresseurs radiaux comprenant une turbine centrifuge, qui augmentent à leur tour le niveau de pression des gaz de sortie, notamment pour obtenir des taux de compression élevés.
Chaque étage axial comporte d’abord le rotor équipé d’aubes de compression, qui reçoit le débit de gaz axialement et l’accélère en lui impulsant une certaine vitesse tangentielle. On a ensuite le stator équipé d’aubes de redressement, qui donne une vitesse tangentielle inverse afin de redresser le flux en éliminant cette composante tangentielle de sa vitesse, tout en augmentant la pression du gaz.
La section transversale des étages axiaux successifs est décroissante, afin de prendre en compte le volume des gaz qui se réduit en fonction de leur compression.
Dans l’industrie on utilise couramment des compresseurs axiaux comportant trois ou quatre étages de compression, l’ensemble des rotors de ces étages étant entraîné par un arbre à la même vitesse.
Le dessin de ce type de compresseur est généralement optimisé pour obtenir des performances sur un point nominal de fonctionnement, appelé aussi point de design, donnant le meilleur rendement pour un couple particulier débit et taux de compression, avec une vitesse spécifique d’entraînement du rotor.
Toutefois la conception d’un compresseur axial pour l’industrie pose des problèmes particuliers, qui sont différents de ceux rencontrés pour la motorisation d’aéronef, en particulier les motorisations présentées par l’art antérieur cité cidessus.
De part et d’autre du point nominal de fonctionnement, le rendement diminue généralement plus ou moins rapidement en fonction du dessin retenu. On n’a alors pas de flexibilité importante pour opérer sur une large plage de fonctionnement tout en préservant un bon rendement proche de celui délivré par le point nominal, ce qui pose des problèmes pour un certain nombre d’applications industrielles.
Ce type de compresseur pose aussi des problèmes d’encombrement axial, qui est défini notamment par le nombre d’étages comportant chacun un rotor et un stator disposés successivement, présentant une certaine longueur.
La présente invention a notamment pour but d’éviter ces inconvénients de la technique antérieure.
Elle propose à cet effet un compresseur axial comportant un premier arbre motorisé disposé suivant un axe, supportant une succession de rotors directs tournant suivant un sens de rotation appelé direct, recevant chacun axialement du côté amont un flux de gaz pour le comprimer en le transférant de l’autre côté, ce compresseur étant remarquable ce qu’il comporte axialement dans le sens du flux après au moins un rotor direct, un rotor inverse porté par un deuxième arbre entraîné en rotation dans le sens inverse du sens direct, qui est juxtaposé contre ce rotor direct.
Un avantage de ce compresseur axial est qu’en calculant les aubes de chaque rotor inverse et la vitesse de rotation pour donner au gaz une impulsion tangentielle sensiblement opposée à celle du rotor direct précédent, on obtient dans le compresseur un flux qui reste sensiblement axial, avec des possibilités de rendement élevé sur une large plage d’utilisation.
De plus chaque rotor inverse générant une compression tout en redressant la vitesse de giration axiale du flux, constitue un étage de compression. On supprime les stators intermédiaires des compresseurs suivant l’art antérieur, ce qui permet avec un même nombre d’étages de compression de gagner leur encombrement axial. On réalise un compresseur beaucoup plus court.
Le compresseur axial selon l’invention peut comporter de plus une ou plusieurs des caractéristiques suivantes, qui peuvent être combinées entre elles.
Avantageusement, chaque rotor direct comporte après lui un rotor inverse. On redresse ainsi à chaque fois le flux d’air dans la direction tangentielle.
Selon un mode de réalisation, le premier arbre et le deuxième arbre sont entraînés chacun par une motorisation indépendante de l’autre motorisation.
Selon un autre mode de réalisation, le premier arbre et le deuxième arbre sont reliés par un système d’engrenages inversant le sens de rotation. De cette manière le compresseur axial nécessite une seule motorisation pour entraîner les deux arbres.
Dans ce cas, en particulier le système d’engrenages peut comporter un train planétaire.
En complément, les rotors peuvent comporter des pales présentant une inclinaison variable. On peut ajuster de cette manière suivant l’évolution des paramètres de fonctionnement du compresseur, l’inclinaison des pales pour optimiser le rendement.
En complément, le compresseur axial peut comporter en entrée ou en sortie de l’ensemble des rotors, un stator comprenant des aubes directrices orientables par pivotement autour de leur axe.
L’invention a aussi pour objet une installation de compression équipée d’un compresseur axial comprenant l’une quelconque des caractéristiques précédentes, comportant en sortie de ce compresseur axial au moins un compresseur radial.
L’invention a également pour objet un appareil de séparation d’air par distillation cryogénique comprenant un compresseur tel que décrit ci-dessus ou une installation de compression d’air telle que décrite ci-dessus, le compresseur ou l’installation de compression étant reliée à un système de colonnes de distillation pour alimenter au moins une colonne du système en air comprimé.
L’appareil de séparation peut comprendre un compresseur et/ou un ventilateur en amont de l’installation de compression d’air. L’installation de compression peut comprimer l’air à partir de la pression atmosphérique ou à partir d’une pression au moins 2 bars au-dessus de la pression atmosphérique.
Selon l’art antérieur, les compresseurs d’air d’un appareil de séparation d’air comprimant tout l’air d’alimentation à partir de la pression atmosphérique ont un très mauvais rendement quand le débit d’air est réduit à une valeur en dessous de 70% du débit nominal. De plus il est nécessaire de maintenir la pression de sortie constante. La technologie contra-rotative permet au compresseur de mieux s’adapter en cas de débit variable.
L’invention sera mieux comprise et d’autres caractéristiques et avantages apparaîtront plus clairement à la lecture de la description ci-après donnée à titre d’exemple, en référence aux dessins annexés dans lesquels :
la figure 1 est un schéma présentant une installation comportant un compresseur axial selon l’invention équipé de deux motorisations, et un compresseur radial ; et la figure 2 est un schéma présentant une installation comportant un compresseur axial suivant une variante équipé d'une unique motorisation, et deux compresseurs radiaux.
La figure 1 présente une installation de compression d’air comportant un compresseur axial comprenant du côté amont une entrée 2 recevant l’air ambiant, qui rentre axialement dans ce compresseur, et du côté aval une sortie d’air 4.
La sortie 4 délivre l’air porté à un premier niveau de compression, à un compresseur radial comportant une turbine radiale 6 qui augmente encore le niveau de compression pour fournir une pression élevée.
Le compresseur axial comporte quatre rotors 14, 16, 22, 24 alignés sur un même axe principal, nommés successivement du premier au quatrième en partant du côté aval, qui se succèdent directement avec un jeu axial intercalaire réduit.
Un premier moteur électrique 10 disposé sur l’axe dans le flux d’air en amont de l’ensemble des rotors, entraîne par son arbre 12 tourné vers l’aval avec un sens de rotation appelé sens direct, le premier 14 et le troisième rotor 16, appelés rotors directs.
Un deuxième moteur électrique 18 disposé sur l'axe dans le flux d'air en aval de l’ensemble des rotors, entraîne par son arbre 20 tourné vers l’amont avec un sens de rotation contrarotatif ou inverse, le deuxième 22 et le quatrième rotor 24, appelés rotors inverses. L’arbre 20 du deuxième moteur électrique 18 traverse librement le troisième rotor 16, afin d’atteindre le deuxième rotor 22 en amont pour l’entraîner.
Le deuxième moteur électrique 18 entraîne aussi par un arbre 26 tourné vers l’aval, sortant de la veine d’air du compresseur axial, la turbine 6 du compresseur radial.
On obtient pour le compresseur axial une série de rotors 14, 16, 22, 24 juxtaposés axialement, qui tournent successivement dans des sens opposés, donnant chacun une augmentation du niveau de compression de l’air.
Avantageusement on détermine l’inclinaison des aubes de chaque rotor ainsi que les vitesses de rotation des deux arbres 12, 20, afin d’obtenir à la sortie de chaque rotor inverse 22, 24 une vitesse giratoire de l’air qui est sensiblement nulle. Pour cela chaque rotor inverse 22, 24 donne au débit d’air reçu une impulsion tangentielle qui est sensiblement opposée à celle donnée par le rotor direct précédent 14, 16.
On notera que de manière connue l’inclinaison des pales des rotors est variable suivant le rayon de ces pales, afin d’adapter en chaque point son angle en fonction de la vitesse tangentielle pour obtenir le vecteur vitesse recherché.
On peut disposer des pales à calage variable afin d’obtenir une plus grande flexibilité, notamment pour l’ajustement des vitesses de rotation, comportant un système d’actionnement intégré dans le moyeu de chaque rotor permettant de faire tourner les aubes autour de leur axe radial.
De cette manière on obtient en sortie du compresseur axial un débit d’air sensiblement axial ne présentant pas de giration, ce qui limite les pertes et augmente le rendement.
On peut en complément, notamment pour éviter des pales à calage variable, ajouter à l’entrée du premier rotor 14 ou à la sortie du dernier rotor 24, un stator comportant des aubes directrices orientables automatiquement par pivotement autour de leur axe, qui dirigent en tout point le vecteur vitesse du flux d’air pour adapter son angle. De cette manière on améliore le rendement quel que soit le débit.
Par ailleurs des calculs et des essais ont montré que le rendement intrinsèque de la succession de rotors directs et inverses, est bon sur une plage d’utilisation assez large. En particulier on peut s’écarter plus fortement du point nominal de fonctionnement donnant le meilleur rendement pour un couple particulier débit et taux de compression, avec un rendement qui diminue peu.
On peut notamment régler de manière indépendante la vitesse des moteurs électriques 10, 18 suivant les conditions de fonctionnement, en particulier le débit et le taux de compression recherchés, avec une optimisation du rendement. Pour cela on peut utiliser des moteurs à vitesse variable.
Le nombre d’étages du compresseur axial n’est pas limité. La figure 1 présente quatre étages, mais on peut en disposer par exemple six ou huit.
On notera qu’un compresseur axial selon l’art antérieur comporte pour chaque rotor un stator disposé après, ce qui double sensiblement sa longueur axiale par rapport au compresseur selon l’invention.
La figure 2 présente une installation de compression d’air comportant un compresseur axial qui délivre à sa sortie 4 de l’air porté un premier niveau de compression, successivement à un premier compresseur radial équipé d’une première turbine 6, puis à un deuxième compresseur radial équipé d’une deuxième turbine 32 afin d’augmenter fortement le niveau de compression.
Le compresseur axial comporte le deuxième moteur électrique 18 qui entraîne de la même manière par le deuxième arbre 20 tourné vers l’amont, le deuxième 22 et le quatrième rotor 24.
Un boîtier d’engrenages 30 comportant un système planétaire, disposé entre le troisième 16 et le quatrième rotor 24, reçoit le mouvement du deuxième arbre 20, ainsi qu’un appui du carter formant une réaction, non représenté, pour délivrer un mouvement de rotation inversé ou contrarotatif sur le premier arbre 12 tourné vers l’amont, portant le premier 14 et le troisième rotor 16.
Le premier arbre 12 se prolonge vers l’amont en sortant de la veine d’air du compresseur axial, pour entraîner la turbine 32 du deuxième compresseur radial.
On obtient de la même manière des rotations successives inversées pour chaque rotor, présentant un écart de vitesse qui est réglé par les rapports des engrenages du train planétaire disposé dans le boîtier 30.
Le compresseur axial présenté figure 2 comportant un seul moteur électrique 18 avec un seul système de commande, est plus simple et plus économique que celui présenté figure 1. Toutefois il présente moins de flexibilité pour optimiser son fonctionnement à cause de la dépendance des rapports de vitesse entre les deux jeux de rotors.
L’installation de compression d’air des deux figures peut être utilisée pour fournir de l’air à un système de colonnes de distillation cryogénique afin de séparer l’air pour former un fluide enrichi en oxygène et/ou un fluide enrichi en azote. L’installation de compression peut comprimer l’air à partir de la pression atmosphérique ou à partir d’une pression au moins 2 bars au-dessus de la pression atmosphérique. Elle peut donc correspondre un compresseur d’air principal ou à un surpresseur d’air.
Claims (10)
- REVENDICATIONS1. Compresseur axial comportant un premier arbre motorisé (12) disposé suivant un axe, supportant une succession de rotors directs (14, 16) tournant suivant un sens de rotation appelé direct, recevant chacun axialement du côté amont un flux de gaz pour le comprimer en le transférant de l’autre côté, caractérisé en ce qu’il comporte axialement dans le sens du flux après au moins un rotor direct (14, 16), un rotor inverse (22, 24) porté par un deuxième arbre (20) entraîné en rotation dans le sens inverse du sens direct, qui est juxtaposé contre ce rotor direct (14, 16).
- 2. Compresseur axial selon la revendication 1, caractérisé en ce que chaque rotor direct (14, 16) comporte après lui un rotor inverse (22, 24).
- 3. Compresseur axial selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que le premier arbre (12) et le deuxième arbre (20) sont entraînés chacun par une motorisation (10, 18) indépendante de l’autre motorisation.
- 4. Compresseur axial selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que le premier arbre (12) et le deuxième arbre (20) sont reliés par un système d’engrenages (30) inversant le sens de rotation.
- 5. Compresseur axial selon la revendication 4, caractérisé en ce que le système d'engrenages (30) comporte un train planétaire.
- 6. Compresseur axial selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que les rotors (14, 16, 22, 24) comportent des pales présentant une inclinaison variable.
- 7. Compresseur axial selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu’il comporte en entrée ou en sortie de l’ensemble des rotors (14, 16, 22, 24), un stator comprenant des aubes directrices orientables par pivotement autour de leur axe.
- 8. Installation de compression équipée d’un compresseur axial selon l’une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce qu’elle comporte en sortie de ce compresseur axial au moins un compresseur radial (6, 32).5
- 9. Appareil de séparation d’air par distillation cryogénique comprenant un compresseur selon l’une des revendications 1 à 7 ou une installation de compression d’air selon la revendication 8, le compresseur ou l’installation de compression étant reliée à un système de colonnes de distillation pour alimenter au moins une colonne du système en air comprimé.
- 10. Appareil selon la revendication 9 comprenant un compresseur et/ou un ventilateur en amont de l’installation de compression d’air ou du compresseur.1/1
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