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Pompe ou oompresseur centrifu@ge à étages multiples.
Dans les machines centrifuges pour le refoulement de gaz, vapeurs et liquides et comportant des étages radiaux successifs, le fluide à refouler est progressivement amené à la pression nécessaire par suite de l'effet centrifuge dans les roues mobiles des étages successifs. En même temps, à sa sortie de chaque roue mobile, le fluide à refouler présente encore une certaine vitesse et cette vitesse de sortie, du point de vue de l'élévation de pression poursuivie, constitue une perte. 0'est pourquoi on a souvent proposé déjà de transformer cette énergie cinétique en pression
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autant que possible sans pertes dans des dispositifs (diffuseurs) faisant suite à chacune des roues mobiles.
Mais une telle trans- formation en pression ne peut généralement être réalisée avec un bon rendement que lorsque le canal du diffuseur est long dans le sens radial. De cela il en résulte pour la machine centrifuge un grand diamètre extérieur et l'on aboutit par conséquent à des constructions lourdes et coûteuses. 0' est pour cette raison qu' on ne peut généralement pas parvenir à l'élévation de pression théoriquement désirée dans un diffuseur radial, à cause des gran- des dimensions qui sont nécessaires pour cela.
Cela est désavan- tageux en ce que l'énergie cinétique de la vitesse de sortie d'une roue mobile correspond à une fraction importante de l'élé- vation de pression qu'on devrait pouvoir atteindre dans l'étage considéré, de sorte qu'il importe que cette vitesse de sortie soit transformée en pression autant que possible sans pertes, les dimensions de la machine demeurant aussi faibles que possible.
A sa'sortie du diffuseur il est nécessaire de dévier le fluide à refouler d'environ 180 chaque fois, afin qu'il afflue dans la direction voulue à la roue mobile suivante. Cette déviation du fluide a lieu déjà, la plupart du temps, après qu'il a traversé un diffuseur relativement court dans le sens radial.
Afin d'obtenir une machine centrifuge fonctionnant avec un bon rendement il faut en outre veiller à ce que les pertes d'écoule- ment entre la sortie d'une roue mobile et l'entrée dans la sui- vante soient aussi faibles que poss ible, et 0' est pourquoi il importe que la déviation en question, du point de vue des pertes d'écoulement, ait lieu autant que possible sans pertes..
Cela dit, l'objet de la présente invention est une machine centrifuge à étages multiples pour le refoulement de gaz, vapeurs et liquides dans laquelle à chaque roue mobile fait suite un diffuseur radial et à celui-ci une déviation de l'écoulement de l'extérieur vers l'axe de la machine à l'effet de ranener à l'étage suivant le fluide porté à une pression supérieure dans un étage considéré .
L'objet de l'invention est d'obtenir une /'
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bonne transformation de l'énergie cinétique en pression dans une machine centrifuge de ce genre même en utilisant des diffuseurs et des oanaux de déviation dont le diamètre est relativement petit comparativement à celui des roues mobiles,
Pour cela, l'invention s'appuie sur la constatation que, dans une telle transformation, les pertes d'énergie se produisent principalement là où, en aval du diffuseur, l'écoulement est dévié d'environ 180 ainsi qu'au moment où le moment cinétique imprimé à l'écoulement dans les roues mobiles est compensé par des aubes directrices prévues dans le diffuseur ou en aval de la partie de canal produisant la déviation de l'écoulement .
Les pertes qui accompagnent la déviation sont surtout dues au fait que la déviation nécessaire d'environ 180o ne peut pas se produire sur une distance relativement courte sans un décollement considérable. Quant à la compensation du moment cinétique, elle s'accompagnede p ertes considérables surtout parce qu'à la suite de la déviation la veine fluide arrive aux aubes directrices dans un,;état fortement perturbé et irrégulier.
Cela dit, dans une machine rotative à étages multiples suivant la présente invention, la partie du canal d'écoulement qui fait suite au diffuseur et dans laquelle se produit la déviation présente une section qui diminue d'au moins 10% dans le sens de l'écoulement. De plus, la compensation du moment cinétique à réaliser entre chaque étage et le suivant a lieu dans au moins une rangée d'aubes formant grille dont le pas est petit comparativement à la longueur radiale de la grille. Le diamètre moyen de cette rangée est grand comparativement au diamètre moyen de la roue mobile correspondante. Cette rangée d'aubes directrices assure une arrivée sans choc du fluide dans la roue mobile située en aval.
Dans une machine de ce genre on obtient ce résultat que, dans la partie des oanaux où s'effectue la déviation d'environ 1800, l'écoulement se produit avec accélération, de sorte qu'il ne se produit sensiblement aucun décollement. Toutefois,
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une telle chute voulue de la pression dans la partie des canaux d'écoulement produisant la déviation constitue une perte; mais on peut la compenser presque complètement en réalisant convenablement sous forme de diffuseur la partie de canal suivante orientée dans le sens radial.
A la différence des machines centrifuges couramment employées jusqu'à ce jour et comportant des dispositifs directeurs composés seulement de quelques aubes (par exemple 4 à 8) se prolongeant radialement jursqu' au voisinage de l'arbre de la machine, les rangées d'aubes directrices des machines centri- fuges suivant la présente invention comportent un grand nombre (utilement vingt et plus) d'aubes directrices disposées avec un plus petit pas et qui pour la plupart sont relativement courtes.
De plus il y a intér8t à donner à ces aubes directrices un profil de faible résistance dans le sens de l'écoulement, de façon qu'elles aient une forme convenable du point de vue aérodynamiqu e .
Uneforme d'exécution de l'objet de l'invention est représentée à titre d'exemple au dessin ci-annexé où: -
La fig. 1 est une coupe longitudinale axiale d'une partie d'un turbo-compresseur à étages multiples, la fig. 2 une coupe suivant la ligne II-II de la fig. 1 et la fig. 3 une variante d'un détail.
Sur les fige. 1 et 2 désignent deux roues mobiles successives d'un turbo-compresseur ou d'une pompe centrifuge.
Ces roues mobiles 1, 2 sont rigidement reliées à l'arbre 3, de sorte qu'elles participent à sa rotation. La flèche B indique la direction de l'écoulement du fluide (vapeur, air, liquide ou gaz) que doit refouler le turbo-compresseur ou la pompe centrifuge. A chacune des roues mobiles 1,2 fait suite un diffuseur radi al 4. A ce dernier fait suite à son tour une partie 5 du canal d'écoulement, partie qui produit la déviation de l'écoulement d'environ 180 . Cette partie 5 présente une section qui diminue
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dans le sens de l'écoulement. En désignant par D la section à l'entrée dans la partie 5 et par d la section à sa sortie, il faut d < que le rapport -= 0,9. A la partie 5 succède dans le sens de
D l'écoulement une rangée d'aubes directrices A formant grille.
Le pas de cette rangée est petit et sa longueur radiale est grande par rapport au diamètre de la roue mobile correspondante. Cette grille d'aubes directrices A se compose d'un nombre d'aubes 6 relativement courtes, d'un certain nombre d'aubes 7 se prolongeant radialement vers l'arbre de la machine davantage que les aubes 6 et d'un troisième groupe d'aubes 8 qui s'étendent vers l'arbre encore plus que les aubes 7. Toutes ces aubes 6,7, 8 présentent dans le sens de l'écoulement du fluide à refouler un profil de faible résistance. Chacune de ces grilles d'aubes A donne à l'écoulement la direction voulue pour que l'arrivée à la roue mobile située en aval ait lieu sans choc.
Du fait que la partie 5 de chaque canal d'écoulement présente une section qui diminue d'au moins 10% dans le sens de l'écoulement, il ne se produit dans cette partie pratiquement aucun décollement; en marne temps, il se produit dans cette par- tie 5 une accélération du fluide à refouler lors de sa déviation de 180 ,ce qui se traduit par une égalisation oonsidérable dans le champ d'écoulement sous le rapport de la vitesse, de la direction et de la répartition de l'énergie.
Si on le désire, la grille d'aubes directrices peut également être disposée en amont de la partie 5 produisant la dé- viation d'environ 1800.
Le dispositif directeur servant à compenser le moment cinétique peut aussi, comme le montre la fig. 3, être disposé partie en amont et partie en aval de la partie 5. Sur cette fig. 3 la grille d'aubes directrices placée en amont de la partie 5 a été désignée par E et celle qui se trouve en aval par F.
Seule l'application simultanée des deux caractéristiques principales qui font l'objet de la présente invention, à savoir, le fait de donner à la partie du canal d'écoulement qui fait suite
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au diffuseur et où se produit la déviation une forme telle que sa section diminue d'au moins 10% dans le sens de l'écoulement et d'autre part l'emploi, pour la compensation du moment cinétique, de grilles d'aubes directrices dont le pas est petit relativement à la longueur radiale des grilles et qui ont un grand diamètre moyen relativement au diamètre moyen de la roue mobile correspondante, permet d'utiliser dans des machines centrifuges avec une efficacité maximum pour l'augmentation de la pression et l'amélioration du rendement d'ensemble,
des fractions appréciables d'énergie cinétique qui sans cela se trouveraient perdues dans les diffuseurs radiaux et dans les parties dévi-atrices des canaux d'écoulement.
Il y a intérêt à ce que le passage compris entre la sortie de la roue mobile d'un étage donné et l'entrée dans la roue mobile de,l'étage suivant soit réalisé de façon que la succession des sections soit continue et qu'il ne se produise nulle part de variations brusques de section, que ce soit dans le diffuseur ou dans la partie produisant la déviation ou dans le canal de retour, étant entendu par ce dernier par exemple sur la fig. 1, la partie située en aval des aubes directrices 6.
Parmi les aubes des grilles d'aubes directrices, celles qui sont radialement les plus courtes peuvent être orientables et celles qui se prolongent davantage vers l'arbre étant fixes, ces dernières pouvant aussi présenter une extrémité épaissie pro-
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filée aérodynsmiquanent.
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Multistage centrifugal pump or compressor.
In centrifugal machines for the delivery of gases, vapors and liquids and comprising successive radial stages, the fluid to be delivered is gradually brought to the necessary pressure as a result of the centrifugal effect in the moving wheels of the successive stages. At the same time, at its exit from each movable wheel, the fluid to be delivered still has a certain speed and this exit speed, from the point of view of the continued pressure rise, constitutes a loss. This is why it has often been proposed to transform this kinetic energy into pressure
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as much as possible without losses in devices (diffusers) following each of the movable wheels.
However, such a pressure conversion can generally be achieved with good efficiency only when the channel of the diffuser is long in the radial direction. This results in a large outer diameter for the centrifugal machine and consequently results in heavy and expensive constructions. It is for this reason that the theoretically desired pressure rise in a radial diffuser cannot generally be achieved, because of the large dimensions which are required for this.
This is disadvantageous in that the kinetic energy of the output speed of a moving wheel corresponds to a large fraction of the pressure rise that should be achievable in the stage considered, so that It is important that this output speed is converted into pressure as far as possible without losses, the dimensions of the machine being kept as small as possible.
On leaving the diffuser, it is necessary to deflect the fluid to be delivered by approximately 180 each time, so that it flows in the desired direction to the next mobile wheel. This deflection of the fluid already takes place, most of the time, after it has passed through a relatively short diffuser in the radial direction.
In order to obtain a centrifugal machine operating with good efficiency, it is also necessary to ensure that the flow losses between the outlet of a moving impeller and the inlet into the following are as low as possible. , and 0 'is why it is important that the deviation in question, from the point of view of flow losses, take place as far as possible without losses.
That said, the object of the present invention is a multistage centrifugal machine for the delivery of gases, vapors and liquids in which each moving impeller follows a radial diffuser and thereto a deflection of the flow of the gas. 'outside towards the axis of the machine to the effect of running to the next stage the fluid brought to a higher pressure in a stage considered.
The object of the invention is to obtain a / '
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good transformation of the kinetic energy into pressure in a centrifugal machine of this kind even by using diffusers and deflection channels whose diameter is relatively small compared to that of the moving wheels,
For this, the invention is based on the finding that, in such a transformation, the energy losses occur mainly where, downstream of the diffuser, the flow is diverted by about 180 as well as when the angular momentum imparted to the flow in the movable wheels is compensated by guide vanes provided in the diffuser or downstream of the channel part producing the deflection of the flow.
The losses which accompany the deflection are mainly due to the fact that the necessary deflection of about 180o cannot occur over a relatively short distance without considerable detachment. As for the compensation of the angular momentum, it is accompanied by considerable losses especially because following the deflection the fluid stream arrives at the guide vanes in a highly disturbed and irregular state.
However, in a multi-stage rotary machine according to the present invention, the part of the flow channel which follows the diffuser and in which the deflection occurs has a section which decreases by at least 10% in the direction of the flow. 'flow. In addition, the angular momentum compensation to be achieved between each stage and the next takes place in at least one row of blades forming a grid, the pitch of which is small compared to the radial length of the grid. The average diameter of this row is large compared to the average diameter of the corresponding movable wheel. This row of guide vanes ensures an impact-free arrival of the fluid in the moving wheel located downstream.
In a machine of this kind one obtains the result that, in the part of the channels where the deviation of about 1800 takes place, the flow occurs with acceleration, so that there is substantially no separation. However,
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such a desired drop in pressure in the part of the flow channels producing the deflection is a loss; but it can be compensated for almost completely by suitably making the next radially oriented channel part in the form of a diffuser.
Unlike the centrifugal machines commonly used to date and comprising steering devices composed only of a few blades (for example 4 to 8) extending radially jursqu 'in the vicinity of the shaft of the machine, the rows of blades The guide wheels of the centrifugal machines according to the present invention have a large number (usefully twenty and more) of guide vanes arranged with a smaller pitch and which for the most part are relatively short.
In addition, there is an advantage in giving these guide vanes a profile of low resistance in the direction of flow, so that they have a suitable shape from the aerodynamic point of view.
One embodiment of the object of the invention is shown by way of example in the appended drawing where: -
Fig. 1 is an axial longitudinal section of part of a multistage turbo-compressor, FIG. 2 a section along line II-II of FIG. 1 and fig. 3 a variation of a detail.
On the freezes. 1 and 2 denote two successive moving wheels of a turbo-compressor or of a centrifugal pump.
These movable wheels 1, 2 are rigidly connected to the shaft 3, so that they participate in its rotation. The arrow B indicates the direction of the flow of the fluid (vapor, air, liquid or gas) which must be delivered by the turbo-compressor or the centrifugal pump. Each of the movable wheels 1, 2 follows a radiator diffuser al 4. The latter in turn follows a part 5 of the flow channel, part which produces the deflection of the flow of about 180. This part 5 presents a section which decreases
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in the direction of flow. By denoting by D the section at the entry in part 5 and by d the section at its exit, it is necessary d <that the ratio - = 0.9. Part 5 succeeds in the sense of
D the flow a row of guide vanes A forming a grid.
The pitch of this row is small and its radial length is large compared to the diameter of the corresponding movable wheel. This grid of guide vanes A consists of a number of relatively short vanes 6, of a number of vanes 7 extending radially towards the machine shaft more than the vanes 6 and of a third group blades 8 which extend towards the shaft even more than the blades 7. All these blades 6, 7, 8 have in the direction of the flow of the fluid to be delivered a profile of low resistance. Each of these grids of blades A gives the flow the desired direction so that the arrival at the movable wheel located downstream takes place without shock.
Due to the fact that part 5 of each flow channel has a section which decreases by at least 10% in the direction of flow, practically no separation occurs in this part; in time, there occurs in this part 5 an acceleration of the fluid to be delivered when it deviates from 180, which results in a considerable equalization in the flow field in relation to the speed, the direction and energy distribution.
If desired, the guide vane grid can also be disposed upstream of part 5 producing the deviation of about 1800.
The steering device serving to compensate the angular momentum can also, as shown in fig. 3, be placed part upstream and part downstream of part 5. In this fig. 3 the grid of guide vanes placed upstream of part 5 has been designated by E and that which is downstream by F.
Only the simultaneous application of the two main characteristics which are the object of the present invention, namely, the fact of giving to the part of the flow channel which follows
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at the diffuser and where the deflection occurs, a shape such that its section decreases by at least 10% in the direction of flow and on the other hand the use, for the compensation of the angular momentum, of guide vane grids whose pitch is small relative to the radial length of the grids and which have a large average diameter relative to the average diameter of the corresponding moving wheel, allows to use in centrifugal machines with maximum efficiency for the increase in pressure and l '' improvement of overall performance,
appreciable fractions of kinetic energy which would otherwise be lost in the radial diffusers and in the deviating parts of the flow channels.
It is advantageous that the passage between the exit of the movable wheel of a given stage and the entry into the movable wheel of the following stage is made so that the succession of sections is continuous and that sudden variations in section do not occur anywhere, whether in the diffuser or in the part producing the deflection or in the return channel, being understood by the latter for example in FIG. 1, the part located downstream of the guide vanes 6.
Among the vanes of the guide vane grids, those which are radially the shortest can be orientable and those which extend further towards the shaft being fixed, the latter possibly also having a thickened end pro-
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aerodynamic yarn.