[0001] La présente invention concerne les compresseurs et, notamment, les compresseurs centrifuges.
Elle se rapporte plus particulièrement au contrôle de la stabilité aérodynamique des
compresseurs, à faible débit.
[0002] Les compresseurs comportent généralement un moteur électrique et un groupe compresseur,
par exemple à plusieurs étages, qui comporte un ensemble de roues à aube portées par
un arbre. Le moteur entraîne en rotation un rotor qui est accouplé à l'arbre du compresseur.
En fonctionnement, le gaz manipulé est admis en entrée du compresseur puis est transmis
aux étages successifs de compression du groupe compresseur pour être refoulé en sortie
du compresseur.
[0003] La courbe caractéristique de la compression fournie par un compresseur, qui représente
la pression de refoulement en fonction du débit, est fonction d'une série de paramètres,
tels que la pression d'aspiration, la vitesse de rotation du rotor, la nature du gaz
comprimé, ...
[0004] Il a été constaté que, à de faibles débits, c'est-à-dire à des débits inférieurs
à la plage de stabilité du compresseur, il apparaît des instabilités aérodynamiques
correspondant à une apparition d'un décollement du flux de gaz manipulé par le compresseur
et au phénomène connu par le terme de « pompage ».
[0005] De telles instabilités, en aval de la roue à aube, sont susceptibles d'entraîner
des vibrations, voire des altérations des éléments constitutifs du compresseur et
limitent, dans tous les cas, la plage de fonctionnement de la machine.
[0006] C'est la raison pour laquelle il a été proposé, pour des applications à basse pression,
de doter les compresseurs et, notamment les diffuseurs prévus en aval des roues, d'aubages
à calage variable, en ce qui concerne les diffuseurs aubés ou de parois mobiles, en
ce qui concerne les diffuseurs lisses. Toutefois, des tels aubages sont généralement
déplacés par des dispositifs mécaniques qui nécessitent des perçages dans le corps
de la machine tournante et, en conséquence, de prévoir des dispositifs additionnels
pour assurer l'étanchéité.
[0007] De telles solutions limitent dès lors leur utilisation à des pressions généralement
inférieures à 20 bars.
[0008] Il a par ailleurs été proposé de doter les compresseurs de dispositifs de protection
antipompage, assurant une mise en communication entre le refoulement et l'aspiration,
afin d'augmenter artificiellement le débit d'alimentation du compresseur.
[0009] De tels dispositifs nécessitent l'utilisation d'une instrumentation permettant de
mesurer le débit traversant le compresseur, ainsi que les pressions d'aspiration et
de refoulement, ainsi que des dispositifs de contrôle pilotant une vanne de commande
de recirculation des gaz.
[0010] De telles solutions sont dès lors relativement coûteuses, difficiles à mettre en
oeuvre et susceptibles d'être le siège de dysfonctionnements.
[0011] Le but de l'invention est donc de pallier les inconvénients liés aux solutions selon
l'état de la technique et de réduire les risques d'apparition des phénomènes de pompage
et, en particulier, les phénomènes d'instabilité des gaz circulant dans le diffuseur
du compresseur.
[0012] L'invention a donc pour objet, selon un premier aspect, un diaphragme pour étage
de compression d'un compresseur, comprenant un ensemble d'au moins un passage traversant
s'étendant entre deux faces mutuellement opposées du diaphragme, de manière à créer
un flux de gaz entre lesdites faces selon la différence de pression régnant de part
et d'autre du diaphragme.
[0013] Selon une autre caractéristique, ce diaphragme comporte un ensemble de passages régulièrement
disposés dans le diaphragme et s'étendant chacun, sur l'une des faces du diaphragme,
entre deux aubes fixes prévues sur le diaphragme.
[0014] L'invention a également pour objet, selon un deuxième aspect, un étage de compression
de compresseur, comprenant un diaphragme recevant un gaz fourni en entrée dudit étage,
une roue aubée assurant une compression du gaz issu du diaphragme et un diffuseur
de sortie.
[0015] Le diaphragme comprend un ensemble d'au moins un passage traversant s'étendant entre
une première face du diaphragme tournée vers l'aspiration de gaz dans l'étage de compression
et une deuxième face tournée vers le diffuseur de manière à créer un flux de gaz entre
le diffuseur et la zone d'admission de gaz dans le diaphragme.
[0016] Selon une autre caractéristique, cet étage de compression comporte un ensemble de
passages régulièrement disposés dans le diaphragme et s'étendant chacun, sur l'une
des faces du diaphragme, entre deux aubes fixes prévues sur le diaphragme.
[0017] L'invention a encore pour objet un compresseur, notamment un compresseur centrifuge,
comprenant un diaphragme par étage de compression tel que défini ci-dessus.
[0018] D'autres buts, caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront à la lecture
de la description suivante, donnée uniquement à titre d'exemple non limitatif, et
faite en référence aux dessins annexés sur lesquels :
- la figure 1 est une vue schématique en coupe d'un étage de compression d'un compresseur
centrifuge selon l'invention ;
- la figure 2 est une vue de profil de l'étage de compression de la figure 1, montrant
les passages de gaz en entrée de l'étage de compression ;
- la figure 3 est une vue de profil de l'étage de compression de la figure 1, montrant
les passages de gaz au niveau du diffuseur ; et
- la figure 4 est une courbe caractéristique de compression d'un compresseur illustrant
les avantages liés à l'invention.
[0019] Sur la figure 1, on a représenté une vue en coupe d'un étage de compression d'un
compresseur multi-étagé conforme à l'invention.
[0020] Dans l'exemple de réalisation représenté, le compresseur est un compresseur centrifuge
et est destiné à assurer la compression d'un gaz prélevé en amont de l'étage et restitué
à l'aval à une pression supérieure.
[0021] Par ailleurs, sur les figures 1 à 3, l'étage de compression est un étage intermédiaire
disposé entre deux étages de compression. Mais bien entendu, l'invention s'applique
également aux étages d'entrée et de sortie.
[0022] Comme on le voit, l'étage de compression, désigné par la référence numérique générale
1, comporte une roue aubée 2 entraînée en rotation par un rotor 3 lui-même couplé
à un arbre (non représenté) entraîné en rotation par un moteur électrique.
[0023] En amont de la roue 2, c'est-à-dire du côté de l'aspiration du gaz, l'étage de compression
comprend un diaphragme 4 destiné à faire communiquer l'entrée de l'étage de compression
1 avec la sortie d'un étage de compression immédiatement placé en amont, ainsi qu'un
diffuseur 5 destiné à ralentir la vitesse des gaz issus de la roue aubée 2 et augmenter
de la sorte la pression en sortie de l'étage 1.
[0024] En se référant également à la figure 2, sur laquelle des éléments identiques à ceux
de la figure 1 portent les mêmes références numériques, le diaphragme 4 a une forme
globalement annulaire et constitue, avec le diffuseur 5, l'une des parties statoriques
de l'étage de compression.
[0025] Il comporte deux grandes faces 6 et 7 mutuellement opposées dont l'une, à savoir
la face désignée par la référence 6, est ici dotée d'aubes fixes, telles que 8, et
dont l'autre délimite le diffuseur 5.
[0026] On voit par ailleurs que le diaphragme 4 est doté d'un ensemble de passages traversants,
tels que 9, s'étendant entre les deux faces 6 et 7 du diaphragme de manière à assurer
une communication entre le diffuseur 5 et la zone d'aspiration de l'étage de compression
située immédiatement en amont de la roue 2.
[0027] Dans l'exemple de réalisation représenté, le nombre de passages 9 correspond à celui
des aubes fixes du diaphragme 4, de sorte que les passages débouchent chacun, du côté
de l'aspiration, par un orifice 10 disposé entre deux aubes fixes 8. Bien entendu,
de manière générale, le diaphragme 4 peut comporter un nombre quelconque de tels passages
supérieur à un.
[0028] Les passages sont toutefois de préférence disposés dans l'épaisseur du diaphragme
4 de manière à s'étendre de manière inclinée de façon radialement externe entre une
zone convergeant vers le rotor 3, du côté de l'aspiration, et une zone radiale, située
dans le diffuseur, en aval de la roue 2 (figure 3).
[0029] Il a été constaté que la présence de tels passages permettait de compenser les phénomènes
d'instabilité provoquant le pompage de la machine, en particulier pour des diffuseurs
de dimensions très faibles, ou pour des débits relativement faibles.
[0030] Il est à cet égard d'usage de représenter le débit à partir du débit volumique aspiré
(Qv) de la surface frontale de la roue S pour un étage centrifuge et une vitesse périphérique
U, à partir de la relation suivante :

[0031] Il a été constaté que la présence des passages 9 au sein du diaphragme 4 permettait
d'éliminer les instabilités aérodynamiques et notamment les phénomènes de pompage
pour des débits relativement faibles correspondant à des coefficients de débits inférieurs
à 0,01, en créant un flux de gaz du diffuseur vers la partie amont de la roue aubée
à travers les passages, selon la différence de pression régnant entre la zone de refoulement
et la zone d'aspiration, permettant d'augmenter le débit du compresseur et maintenir
de la sorte le compresseur dans sa plage de stabilité (figure 4).
[0032] On notera à cet égard que la quantité de gaz recirculés, du refoulement vers l'aspiration,
à travers les passages 9, qui dépend de la pression différentielle de part et d'autre
du diaphragme, est dès lors plus importante pour des débits faibles. Elle est, au
contraire, moins importante pour des débits relativement plus élevés pour lesquels
les phénomènes de pompage sont moins susceptibles de se produire.
[0033] En d'autres termes, comme illustré sur la figure 4, conformément à l'invention, en
créant cette circulation artificielle en entrée de l'étage de compression, on augmente
artificiellement le débit aspiré, de sorte que l'on repousse le point de fonctionnement
du compresseur dans sa plage de stabilité.
[0034] On notera par ailleurs que le nombre et la dimension des passages de gaz sont adaptés
au coefficient de débit de l'étage centrifuge, au nombre d'aubages redresseurs du
diaphragme et à la quantité de gaz nécessaire au maintien de la stabilité de fonctionnement.
[0035] On notera en outre que l'agencement qui vient d'être décrit constitue un dispositif
entièrement passif qui ne nécessite aucun autre dispositif de contrôle ou moyen de
mesure et constitue dès lors un système très fiable. Il est par ailleurs applicable
à tous types de gaz et de niveaux de pression, tout en restant particulièrement intéressant
pour des étages à faible coefficient de débit induisant des largeurs de diffuseur
très faibles qui sont dès lors difficiles à mettre en oeuvre et à contrôler.
[0036] Le diffuseur qui vient d'être décrit présente en outre un certain nombre d'avantages
additionnels.
[0037] Il a en effet été constaté qu'aucune fuite de gaz vers l'extérieur n'était occasionnée
par la présence des passages dans le diaphragme, ce qui contribue à la protection
de l'environnement.
[0038] Le principe de fonctionnement du diaphragme reste disponible pour toutes les conditions
de plus haute pression.
[0039] Il est par ailleurs possible d'utiliser la technologie des étages centrifuges à des
très faibles débits tout en conservant l'opérabilité en installation industrielle.
[0040] Il a enfin été constaté que l'invention permettait un fonctionnement stable sur une
plage de fonctionnement étendue par rapport aux machines centrifuges selon l'état
de la technique.
1. Diaphragme pour étage de compression de compresseur, caractérisé en ce qu'il comporte un ensemble d'au moins un passage (9) traversant s'étendant entre deux faces
(6, 7) mutuellement opposées du diaphragme, de manière à créer un flux de gaz entre
lesdites faces selon la différence de pression régnant de part et d'autre du diaphragme
et en ce qu'il comporte un ensemble de passages régulièrement disposés dans le diaphragme et s'étendant
chacun, sur l'une des faces du diaphragme, entre deux aubes fixes (8) prévues sur
le diaphragme, le nombre de passages correspondant au nombre d'aubes fixes du diaphragme.
2. Etage de compression de compresseur comprenant un diaphragme (4) recevant un gaz fourni
en entrée dudit étage, une roue aubée (2) assurant une compression du gaz issu du
diaphragme et un diffuseur (5) de sortie, caractérisé en ce que le diaphragme (4) comprend un ensemble d'au moins un passage (9) traversant s'étendant
entre une première face (6) du diaphragme tournée vers l'aspiration de gaz dans l'étage
de compression et une deuxième face (7) tournée vers le diffuseur de manière à créer
un flux de gaz entre le diffuseur et la zone d'admission de gaz dans le diaphragme,
et en ce qu'il comporte un ensemble de passages (9) régulièrement disposés dans le diaphragme
et s'étendant chacun, sur l'une des faces du diaphragme, entre deux aubes fixes prévues
sur le diaphragme, le nombre de passages correspondant au nombre d'aubes fixes du
diaphragme.
3. Compresseur, caractérisé en ce qu'il comporte un ou plusieurs diaphragmes selon la revendication 1.