FR2730007A1 - RADIAL FLOW MACHINE - Google Patents
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Abstract
L'invention concerne une machine à écoulement radial. Dans cette machine comprenant un canal d'écoulement dévié dans la zone d'un rotor (2) pourvu d'aubes (6) s'étendant à partir d'un moyeu (5) et dans lequel est disposée, radialement et à l'extérieur du rotor, une roue directrice fixe (11) pourvue d'aubes directrices (12) s'étendant sur toute la largeur du canal, l'inclinaison des aubes directrices (12) varie sur la largeur du canal, dans la zone de leur bord d'attaque que rencontre l'écoulement, par rapport à une tangente associée, au niveau du cercle d'entrée de la roue directrice (11), la variation de l'inclinaison suivant la tendance de variation de la direction d'arrivée de l'écoulement. Application notamment aux compresseurs radiaux.The invention relates to a radial flow machine. In this machine comprising a flow channel deviated in the area of a rotor (2) provided with vanes (6) extending from a hub (5) and in which is disposed, radially and to the outside the rotor, a fixed steering wheel (11) provided with guide vanes (12) extending over the entire width of the channel, the inclination of the guide vanes (12) varies over the width of the channel, in the area of their leading edge encountered by the flow, with respect to an associated tangent, at the level of the entry circle of the steered wheel (11), the variation of the inclination following the tendency of variation of the direction of arrival of the flow. Application in particular to radial compressors.
Description
i L'invention concerne une machine à écoulement radial notamment unThe invention relates to a radial flow machine including a
compresseur radial, comportant un canal d'écoulement qui est dévié dans la zone d'un rotor pouvant être entraîné et qui est pourvu d'aubes, qui s'étendent à partir d'un moyeu central, et dans lequel est disposée, radialement à l'extérieur du rotor, une roue directrice fixe, dont les aubes directrices, qui sont décalées les radial compressor, having a flow channel which is deflected in the region of a drivable rotor and which is provided with blades, which extend from a central hub, and in which is arranged, radially to the outside of the rotor, a fixed steering wheel, whose guide vanes, which are shifted
unes par rapport aux autres dans la direction circonféren- one against the other in the circumferential direction
tielle, s'étendent sur la largeur du canal. tielle, extend over the width of the canal.
Dans les dispositifs connus de ce type, les aubes directrices sont disposées, sur toute la largeur du canal, perpendiculairement aux parois latérales du canal. Dans les compresseurs, les aubes directrices sont cintrées sur leur longueur. Au niveau du bord d'attaque, on obtient alors, sur toute la largeur du canal, la même inclinaison du profil des aubes par rapport à une tangente au cercle d'entrée de la roue directrice. Ceci est une conséquence des forces centrifuges, qui agissent dans la zone de déviation du canal d'écoulement et qui conduisent au fait que l'écoulement s'applique plus fortement contre la paroi du canal, qui est proche du moyeu, qu'au niveau de la paroi opposée du carter, ce qui conduit à un angle plus élevé d'incidence de l'écoulement que sur le côté opposé. Dans les compresseurs radiaux connus comportant des aubes directrices disposées perpendiculairement aux parois In known devices of this type, the guide vanes are arranged, over the entire width of the channel, perpendicular to the side walls of the channel. In the compressors, the guide vanes are bent along their length. At the leading edge, then, over the entire width of the channel, the same inclination of the blade profile with respect to a tangent to the input wheel of the steering wheel is obtained. This is a consequence of the centrifugal forces, which act in the deflection zone of the flow channel and which lead to the fact that the flow is more strongly applied against the wall of the canal, which is close to the hub, than at the of the opposite wall of the housing, which leads to a higher angle of incidence of the flow than on the opposite side. In known radial compressors comprising guide vanes arranged perpendicularly to the walls
latérales du canal, on obtient par conséquent obligatoire- side of the canal, one thus obtains obliga-
ment un écart important entre la direction d'incidence de there is a significant difference between the direction of
l'écoulement et l'inclinaison du plan des aubes direc- the flow and inclination of the plane of the vanes
trices. Par conséquent il existe le risque que l'écoulement se détache. Il en résulte des pertes d'écoulement et facilitators. Therefore there is the risk that the flow will come off. This results in loss of flow and
l'apparition d'un bruit intense.the appearance of an intense noise.
C'est pourquoi, à partir de là, la présente invention a pour but d'indiquer une possibilité permettant de réduire au moins fortement les pertes d'écoulement et l'apparition d'un bruit par rapport aux dispositifs antérieurs. Ce problème est résolu conformément à l'invention grâce au fait que l'inclinaison des aubes directrices varie Therefore, from this point of view, the object of the present invention is to indicate a possibility of at least greatly reducing the flow losses and the occurrence of noise compared to the prior devices. This problem is solved according to the invention thanks to the fact that the inclination of the guide vanes varies.
sur la largeur du canal, dans la zone de leur bord d'atta- the width of the canal, in the area of their
que que rencontre l'écoulement, par rapport à une tangente that meets the flow, with respect to a tangent
associée, au niveau du cercle d'entrée de la roue direc- associated with the circle of entry of the steering wheel
trice, la variation de l'inclinaison suivant la tendance de trice, the variation of the inclination according to the trend of
variation de la direction d'arrivée de l'écoulement. variation in the direction of flow arrival.
Ces dispositions fournissent avantageusement la These provisions advantageously provide the
possibilité de tabler sur la répartition locale de l'écou- possibility of counting on the local distribution of the
lement en rapport avec l'inclinaison de la partie, qui reçoit l'écoulement, des aubes directrices par le fait que l'inclinaison des aubes directions dans la direction d'incidence de l'écoulement est approximativement ou complètement compensée. C'est pourquoi, de ce fait, on peut obtenir, sur toute la largeur du canal, un écoulement incident au moins dans une large mesure tangentiel. Par conséquent, les pertes dues aux chocs ou un décollement de l'écoulement peuvent être évitées dans tous les cas dans une très large mesure, ce qui garantit des pertes réduites d'écoulement ainsi qu'une faible tendance à osciller des aubes mobiles du rotor et par conséquent un faible bruit d'écoulement. Selon une caractéristique de l'invention, de façon appropriée les aubes directrices peuvent posséder, dans la zone de leur bord d'attaque, un angle d'inclinaison qui correspond de façon précise à l'angle d'attaque, qui varie sur la largeur du canal. De ce fait, ceci permet the inclination of the flow-receiving portion of the guide vanes in that the inclination of the direction vanes in the direction of incidence of the flow is approximately or fully compensated. Therefore, therefore, over the entire width of the channel, an incident flow at least to a large extent tangential can be achieved. As a result, losses due to shocks or detachment of the flow can be avoided to a very large extent in all cases, thus ensuring reduced flow losses and a low tendency to oscillate rotor blades. and therefore a low flow noise. According to one characteristic of the invention, the guide vanes may suitably have, in the area of their leading edge, an inclination angle which corresponds precisely to the angle of attack, which varies over the width. of the canal. As a result, this allows
d'optimiser les avantages indiqués précédemment. optimize the benefits indicated above.
Selon une autre caractéristique de l'invention, dans le cas d'un compresseur radial, l'angle d'inclinaison de la partie des aubes directrices, qui est située au niveau du bord d'attaque, par rapport à une direction tangentielle est plus important dans la zone de la paroi latérale, située côté moyeu, du canal d'écoulement que dans According to another characteristic of the invention, in the case of a radial compressor, the angle of inclination of the portion of the guide vanes, which is located at the leading edge, with respect to a tangential direction is more in the area of the side wall, located on the hub side, of the flow channel only in
la zone de la paroi latérale opposée. the area of the opposite side wall.
Selon une autre caractéristique de l'invention, les aubes directrices sont conformées en étant recourbées According to another characteristic of the invention, the guide vanes are shaped while being bent
dans la zone de leur bord d'attaque. in the area of their leading edge.
Selon une autre caractéristique de l'invention, les aubes directrices sont conformées en étant recourbées, dans la zone de sortie, en sens opposé de la déformation According to another characteristic of the invention, the guide vanes are shaped by being curved, in the exit zone, in the opposite direction of the deformation
présente dans la zone du bord d'attaque. present in the leading edge area.
Une autre disposition appropriée peut consister Another appropriate provision may be
en ce que les aubes directrices possèdent, sur leur lon- in that the guide vanes have, on their
gueur, une conformation recourbée qui se rapproche au moins d'une spirale logarithmique. Ceci fournit avantageusement des aubes directrices possédant des bords d'attaque et de sortie déformés en des sens opposés et par conséquent un écoulement potentiel idéal en dépit de l'ouverture, qui est présente pour l'obtention d'une action de la roue a curved conformation that is at least close to a logarithmic spiral. This advantageously provides guide vanes having deformed leading and trailing edges in opposite directions and therefore an ideal potential flow despite the opening, which is present for obtaining an action of the wheel.
directrice en tant que diffuseur, des canaux formant diffu- director as broadcaster, broadcasting channels
seur formés entre les aubes directrices. formed between the vanes.
Dans une autre variante de réalisation de l'in- In another variant embodiment of the invention,
vention, les aubes directrices peuvent posséder la configu- the guide vanes may have the configuration
ration d'une partie oblique d'une enveloppe cylindrique. ration of an oblique part of a cylindrical envelope.
Ceci fournit avantageusement une configuration d'aubes pouvant être développées à plat, de sorte que les aubes peuvent être fabriquées avantageusement sous la forme d'ébauches en tôle. Cependant, avantageusement, on obtient This advantageously provides a configuration of vanes that can be developed flat, so that the blades can be advantageously manufactured in the form of sheet blanks. However, advantageously, we obtain
une très bonne approximation d'une forme d'aube idéale. a very good approximation of an ideal form of dawn.
Une autre disposition avantageuse peut consister en ce que les aubes directrices sont affûtées avec une forme de biseau dans la zone de leurs bords d'attaque et de sortie. De ce fait, on peut éviter avantageusement des variations brusques de sections transversales et les Another advantageous arrangement may be that the guide vanes are sharpened with a bevel shape in the area of their leading and trailing edges. As a result, abrupt changes in cross sections can be
inconvénients qui y sont liés.disadvantages related to it.
Selon une autre caractéristique de l'invention, les aubes directrices sont affûtées avec une forme de According to another characteristic of the invention, the guide vanes are sharpened with a shape of
biseau au niveau du bord de sortie.bevel at the exit edge.
Selon une autre caractéristique de l'invention, les aubes directrices possèdent, sur toute leur longueur, According to another characteristic of the invention, the guide vanes have, over their entire length,
une faible épaisseur au moins approximativement constante. a small thickness at least approximately constant.
D'autres caractéristiques et avantages de l'in- Other features and advantages of the
vention ressortiront de la description donnée ci-après will be apparent from the description given below
prise en référence aux dessins annexés, sur lesquels: - la figure 1 représente une coupe longitudinale reference is made to the accompanying drawings, in which: FIG. 1 represents a longitudinal section;
de la pompe de charge d'un turbocompresseur à gaz d'échap- of the charge pump of an exhaust gas turbocharger
pement; - la figure 2 représente une vue en élévation latérale partielle schématique de la roue directrice du dispositif de la figure 1; - la figure 3 représente une vue partielle en perspective de la roue directrice selon l'invention; - la figure 4 représente une vue à plus grande échelle d'une aube directrice déformée; et - la figure 5 représente une vue du profil d'une ment; - Figure 2 shows a schematic partial side elevation of the steering wheel of the device of Figure 1; - Figure 3 shows a partial perspective view of the steering wheel according to the invention; FIG. 4 represents a view on a larger scale of a deformed guide vane; and FIG. 5 represents a profile view of a
aube directrice.dawn director.
L'agencement de base et le fonctionnement d'un turbocompresseur à gaz d'échappement sont connus en soi et ne requièrent par conséquent, dans le présent contexte, aucune explication plus détaillée. L'air de charge, qui est délivré au moyen de la pompe de charge sur laquelle est basée la figure 1, est aspiré par l'intermédiaire d'une tubulure centrale d'aspiration 1, est accéléré par un rotor 2 pouvant être entraîné au moyen d'une turbine à gaz d'échappement non représentée ici de façon détaillée, et est évacué par l'intermédiaire d'un carter en spirale 3, qui comporte une tubulure d'évacuation non représentée de façon détaillée. Le rotor 2 possède un moyeu 5 qui est monté sur un arbre 4 pouvant être entraîné et à partir de la circonférence duquel font saillie de aubes 6. Le diamètre du moyeu 5 et des aubes 6 augmente dans la direction d'écoulement. Le profil extérieur des aubes 6 est en forme d'arc de cercle et correspond au profil de la paroi de canal voisine, qui est cintrée vers l'extérieur en forme de tore et qui limite, avec le moyeu 5, une section de canal 7 déviée vers l'extérieur et dans laquelle The basic arrangement and operation of an exhaust gas turbocharger are known per se and therefore do not require, in the present context, any further explanation. The charge air, which is delivered by means of the charge pump on which is based on FIG. 1, is sucked by way of a central suction pipe 1, is accelerated by a rotor 2 which can be driven at means of an exhaust gas turbine not shown here in detail, and is discharged through a spiral housing 3, which comprises a discharge pipe not shown in detail. The rotor 2 has a hub 5 which is mounted on a drivable shaft 4 and from which circumference protrude blades 6. The diameter of the hub 5 and vanes 6 increases in the direction of flow. The outer profile of the blades 6 is in the shape of a circular arc and corresponds to the profile of the neighboring channel wall, which is bent outwards in the shape of a torus and which, with the hub 5, limits a channel section 7 deviated to the outside and in which
pénètrent les aubes 6.penetrate the blades 6.
A la section de canal 7 déviée radialement vers l'extérieur se raccorde une section annulaire de canal 10, qui débouche dans le canal spiral 3 et est délimitée par deux parois latérales radiales et parallèles 8, 9. Cette section de canal est équipée d'une roue directrice fixe 11, qui forme un diffuseur et qui est formée par des aubes directrices 12 qui sont décalées les unes par rapport aux autres dans la direction circonférentielle et s'étendent sur la largeur du canal et sont fixées aux parois latérales 8, 9. Comme cela est mieux visible sur la figure 2, les aubes directrices 12 sont cintrées dans la direction d'écoulement et sont disposées de telle sorte que l'on obtient des canaux 13 du diffuseur, qui s'ouvrent vers At the channel section 7 deviated radially outwards is connected an annular channel section 10, which opens into the spiral channel 3 and is delimited by two radial and parallel side walls 8, 9. This channel section is equipped with a fixed guide wheel 11, which forms a diffuser and which is formed by guide vanes 12 which are offset relative to each other in the circumferential direction and extend over the width of the channel and are fixed to the side walls 8, 9 As best seen in FIG. 2, the guide vanes 12 are bent in the direction of flow and are arranged in such a way that channels 13 of the diffuser, which open towards
l'extérieur avec un angle d'ouverture de 8 -10. outside with an opening angle of 8 -10.
La déviation de l'écoulement, qui s'effectue au niveau du rotor 2, conduit à une distribution non uniforme de l'écoulement, sur la largeur du canal. Ici, en raison de la présence des forces centrifuges, l'écoulement est plus rapproché du moyeu 5 et, dans la zone du canal annulaire , de la paroi latérale 8 proche du moyeu, que de la paroi latérale opposée 9, située côté carter. Ceci a pour effet qu'à l'entrée dans la roue directrice 11, la direction de l'écoulement fait avec la direction tangentielle un angle plus important dans la zone de la paroi latérale 8 proche The deflection of the flow, which occurs at the rotor 2, leads to a non-uniform distribution of the flow over the width of the channel. Here, due to the presence of the centrifugal forces, the flow is closer to the hub 5 and, in the region of the annular channel, the side wall 8 near the hub, than the opposite side wall 9, located on the housing side. This has the effect that at the entry into the steering wheel 11, the direction of the flow makes with the tangential direction a greater angle in the area of the side wall 8 close
du moyeu que dans la zone de la paroi latérale opposée 9. of the hub only in the area of the opposite side wall 9.
L'écoulement atteint par conséquent les bords d'entrée des aubes directrices 12, sur la largeur du canal, sous un angle différent, tel qu'indiqué sur la figure 2 par des flèches directionnelles. Dans la zone de la paroi latérale 8 proche du moyeu, l'écoulement suit la flèche plus pentue a, alors que dans la zone de la paroi latérale opposée 9, The flow thus reaches the inlet edges of the guide vanes 12 across the width of the channel at a different angle as indicated in Figure 2 by directional arrows. In the zone of the lateral wall 8 close to the hub, the flow follows the steeper arrow a, whereas in the zone of the opposite lateral wall 9,
située côté carter, il suit la flèche moins pentue b. located on the crankcase side, it follows the sloping arrow b.
Cependant pour éviter, dans le cas de vitesses However to avoid, in the case of speeds
élevées d'écoulement, qui sont présentes dans des turbo- flow, which are present in turbo
compresseurs à gaz d'échappement et sont voisines de la vitesse du son, un décollement de l'écoulement et par exhaust gas compressors and are close to the speed of sound, a detachment of the flow and by
conséquent des pertes d'écoulement et un bruit d'écoule- consequent flow losses and flow noise.
ment, les aubes directrices 12 ne sont pas disposées, comme cela est indiqué sur la figure 3, perpendiculairement aux parois latérales, mais possèdent, par rapport à la disposition à angle droit, indiquée sur la figure 3 par des lignes en trait mixte, une inclinaison dont la tendance suit la variation de la direction de l'écoulement incident dans la zone du bord d'attaque. Dans l'exemple représenté, l'inclinaison des aubes directrices 12 dans la zone du bord d'attaque doit varier conformément à la variation de la direction d'écoulement sur la largeur du canal. Cela signifie que la partie, située au niveau du bord d'attaque, des aubes directrices 12 possède, par rapport à une tangente au cercle d'entrée de la roue directrice 11, un angle d'inclinaison qui est plus important dans la zone de the guide vanes 12 are not arranged, as indicated in FIG. 3, perpendicular to the side walls, but have, with respect to the right-angle arrangement, indicated in FIG. inclination whose trend follows the variation of the direction of the incident flow in the leading edge zone. In the example shown, the inclination of the guide vanes 12 in the area of the leading edge should vary according to the variation of the direction of flow over the width of the channel. This means that the portion, located at the leading edge, of the guide vanes 12 has, relative to a tangent to the entry circle of the steering wheel 11, an inclination angle which is greater in the zone of
la paroi latérale 8 proche du moyeu que sur le côté opposé. the side wall 8 near the hub on the opposite side.
De ce fait, l'écoulement atteint approximativement tangentiellement les aubes directrices 12, sur toute la As a result, the flow reaches approximately tangentially the guide vanes 12, over the entire
largeur du canal.width of the canal.
On obtient des conditions idéales lorsque, comme cela est indiqué sur la figure 4, les aubes directrices 12 sont conformées ou coudées sur leur longueur, conformément à une spirale logarithmique. Dans la zone du bord d'attaque Ideal conditions are obtained when, as indicated in FIG. 4, the guide vanes 12 are shaped or bent along their length, according to a logarithmic spiral. In the leading edge area
et du bord de sortie, on obtient des conformations oppo- and from the output edge, opposite conformations are obtained.
sées, pour une longueur correspondante de l'aube. La con- for a corresponding length of dawn. The con-
formation des aubes directrices 12 conformément à une spirale logarithmique garantit un écoulement potentiel, en dépit de l'angle d'ouverture. Cependant, dans des cas simples, il suffit que les aubes directrices 12 possèdent une configuration se rapprochant simplement de ladite forme Formation of the guide vanes 12 in a logarithmic spiral ensures a potential flow, despite the opening angle. However, in simple cases, it suffices that the guide vanes 12 have a configuration that is simply similar to said shape.
spirale. A cet effet, les aubes directrices 12 peuvent pos- spiral. For this purpose, the guide vanes 12 may
séder la configuration d'une partie oblique d'une enveloppe cylindrique, c'est-à-dire d'une partie d'enveloppe disposée seducing the configuration of an oblique part of a cylindrical envelope, that is to say of a portion of envelope disposed
obliquement par rapport à l'axe du cylindre. Une telle con- obliquely to the axis of the cylinder. Such a con-
figuration peut être déroulée à plat et peut être réalisée figuration can be unrolled flat and can be performed
par conséquent sous la forme d'une ébauche en tôle. therefore in the form of a sheet blank.
Mais on pourrait également imaginer d'usiner par fraisage, à partir de la masse, de telles aubes directrices 12 conformes à l'invention. A partir de la fabrication des But one could also imagine machining by milling, from the mass, such guide vanes 12 according to the invention. From the manufacture of
aubes directrices connues jusqu'alors et qui sont fabri- guide vanes known until now and which are manufactured
quées par fraisage avec une fraise cylindrique, dont l'axe est perpendiculaire à un plan de la section transversale de l'aube et dont le trajet de fraisage est bidimensionnel, on peut procéder en utilisant une fraiseuse possédant une partie cylindrique et un hémisphère avant, dont l'axe est basculé dans deux directions par rapport à la fraiseuse connue jusqu'alors. Le déplacement de la fraiseuse reste bidimensionnel de sorte que toutes les coupes en hauteur du profil de l'aube directrice sont congruentes. En raison de l'inclinaison de la fraiseuse, on obtient, sur le côté de sortie de l'écoulement, des parties en surplomb disposées à la manière des côtés d'un parallélogramme et qu'il faut ensuite éliminer par fraisage au moyen d'une opération milled with a cylindrical milling cutter whose axis is perpendicular to a plane of the cross-section of the blade and whose milling path is two-dimensional, it is possible to proceed by using a milling machine having a cylindrical part and a front hemisphere, whose axis is tilted in two directions compared to the milling machine known until then. The displacement of the milling machine remains two-dimensional so that all the cuts in height of the profile of the leading vane are congruent. Due to the inclination of the milling machine, on the outlet side of the flow, overhanging parts arranged in the manner of the sides of a parallelogram are obtained, which must then be removed by milling by means of an operation
ultérieure de fraisage.subsequent milling.
Dans tous les cas, on obtient une section trans- In all cases, we obtain a trans-
versale prise comme base pour la figure 5 et qui est très mince sur toute la longueur de l'aube directrice et possède une épaisseur approximativement constante, ce qui a un effet approprié sur la possibilité d'obtention d'une vitesse d'écoulement homogène sur toute la largeur du canal versale taken as a base for Figure 5 and which is very thin over the entire length of the guide vane and has an approximately constant thickness, which has an appropriate effect on the possibility of obtaining a homogeneous flow rate on the whole width of the canal
et par conséquent la possibilité d'obtention d'un écoule- and therefore the possibility of obtaining a
ment laminaire même dans le cas de vitesses élevées d'écou- laminar even in the case of high velocities
lement. Pour éviter des variations étagées de la section transversale, comme le montre en outre la figure 5, les aubes directrices 12 peuvent être rétrécies avec une forme de couteau sur le côté d'arrivée de l'écoulement et sur le côté de sortie de l'écoulement. A cet effet, dans l'exemple LEMENT. To avoid staggered cross-sectional variations, as further shown in FIG. 5, the guide vanes 12 may be narrowed with a knife-like shape on the inlet side of the flow and on the outlet side of the flow. For this purpose, in the example
représenté, on forme des biseaux respectifs 14 et 15. shown, respective bevels 14 and 15 are formed.
L'angle de biseau est égal à 10'-15'. The bevel angle is 10'-15 '.
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| ST | Notification of lapse |
Effective date: 20070930 |