1) Compresseur centrifuge L'organe principal de ce compresseur est un ensemble d'aubes de forme complexe situées à une distance égale les unes des autres sur la jante du disque. Les aubes (v. fig. ci-dessous) aspirent l'air entrant et le poussent en accélérant vers la tubulure de sortie. Sous l'action de la force centrifuge l'air se comprime. Avant de le laisser sortir on peut le faire passer par un diffuseur appelé à réduire les pertes de pression.
La puissance du compresseur n'est pas entièrement consommée pour comprimer le gaz: à l'instar de tout mécanisme, le compresseur subi des pertes d'énergie. Lors du déplacement du gaz via le canal d'écoulement les pertes gazodynamiques entraînent une chute de charge, ce qui signifie que la charge réelle du compresseur est toujours inférieure à la charge théorique. Pour compenser ces pertes on sacrifie une partie de la puissance du compresseur. Par analogie, le rendement utile des roues est toujours inférieur au rendement théorique.
Au cours du fonctionnement du compresseur les pièces tournantes (roue de travail, arbres) se frottent contre le gaz en mouvement et s'usent un peu. Les roulements et les joints d'extrémité du compresseur sont également exposés à un frottement. Pour surmonter ce frottement des demandes de puissance supplémentaires sont nécessaires et, par conséquent, pour calculer la puissance utile, il est nécessaire de déduire de la puissance consommée les demandes dédiées pour compenser les pertes. Une conception complexe du canal d'écoulement du compresseur rend difficile l'évaluation des pertes, mais l'utilisation d'un ordinateur permet de calculer avec une bonne précision les pertes liées aux demandes de puissance dues au phénomène de frottement dans le compresseur. Toutes les pertes dans les étages du compresseur sont additionnées.
Des phénomènes suivants se produisent dans les étages du compresseur:
а) pertes gazodynamiques liées aux variations de la vitesse du flux et du sens de son mouvement dans le canal d’écoulement;
b) pertes supplémentaires liées à une attaque de choc des aubes par le flux, aux décollages du flux et au tourbillonnage du flux de gaz;
c) perte au niveau de la roue;
d) pertes volumétriques (fuite de gaz);
e) pertes mécaniques: pertes internes dus au frottement des éléments tournants extérieurs contre le gaz en mouvement, et pertes externes dus au frottement dans les roulements et les joints d'extrémité du compresseur.
Pour les compresseurs centrifuges il serait juste d'admettre l'équation suivante:
Ws = u2CΘ2 – u2CΘ2,
où :
Ws est la puissance fournie en entrée,
u est la vitesse des parties extrêmes des aubes,
Cθ sont les composantes tangentielles des vitesses du flux qui rebondit des aubes en entrée et en sortie respectivement.
Les compresseurs de type centrifuge utilisent en tant qu’actionneurs:
- moteurs électriques en version standard avec un simple schéma de lancement et des caractéristiques facilitant leur exploitation;
- turbine à gaz avec une bonne autonomie supérieure au moteur électrique à destination générale, avec une vitesse de rotation de 5500 - 6000 tr/min et la possibilité d'avoir un système de régulation économe;
- turbines à vapeur, à air (pour les compresseurs d'appareils réfrigérants) à grande vitesse de rotation allant à 100 000 tr/min.
Parmi les principaux défauts du compresseur centrifuge il convient de citer une très haute vitesse de rotation de l’aubage qui est nécessaire pour assurer son fonctionnement. La compression générée par le compresseur est égale au carré de la vitesse de l’aubage d’où la vitesse de base du compresseur est de 40 000 tr /min mais elle peut également atteindre 200 000 tr/min. Cela conduit à une très grande vitesse de rotation de la courroie du mécanisme d’entraînement qui émet un fort bruit pendant le fonctionnement et une usure rapide des pièces du compresseur. Parfois, le problème de bruit est éliminé à l’aide d’un dispositif supplémentaire, un multiplicateur, et ce au détriment d’une partie de rendement du compresseur.
À la vitesse de rotation réduite l'efficacité de ce compresseur est très faible, mais avec l'élévation de la vitesse de rotation la puissance augmente assez rapidement. Pour cette raison, le compresseur centrifuge équipe des machines qui ont besoin de puissances et vitesses élevées sans tenir compte de la faible intensité de l'accélération.
Avantages des compresseurs centrifuges: prix, facilité d'installation. Grâce à ces avantages, les compresseurs centrifuges sont devenus populaires dans le secteur de l'automobile.
En cas de réduction du débit du compresseur centrifuge et des dimensions des aubes leur rendement ne baisse pas d’une manière significative grâce à quoi on considère que les principaux domaines d'application des compresseurs centrifuges sont des installations à turbine à gaz avec de faibles débits de fluide de travail et paramètres des niveaux de compression . Dans ce domaine d'application les compresseurs centrifuges sont meilleurs que les compresseurs axiaux pour le rendement et la masse à un même taux de compression.
Les avantages manifestes des compresseurs centrifuges sont la simplicité du design, une quantité peu importante de composants, les meilleures caractéristiques du processus de pompage, une faible sensibilité face aux conditions d'utilisation.
L'inconvénient de ce type de compresseurs est un niveau de rendement plus bas par rapport aux compresseurs axiaux en raison de la complexité du processus de compression multiétagé. En cas de conception plus simple les dimensions du compresseur centrifuge croient selon le principe de dépendance proportionnelle directe par rapport au débit d'air qui le traverse. Parmi les inconvénients on peut également citer la performance frontale réduite.
Le principal avantage d'un compresseur centrifuge par rapport à un compresseur axial réside dans sa capacité à obtenir de meilleures performances en termes de taux de compression par étage: il est supérieur à 5...6 et dans les compresseurs prometteurs d'avion il peut atteindre 12. Le rendement d'un étage du compresseur centrifuge peut atteindre 0,85 ce qui est inférieur à celui du compresseur axial. Les valeurs de rendement proches de la valeur citée sont typiques pour les compresseurs de turbomoteurs d'avion ayant un rendement relativement élevé.
2) Compresseur rotatif ou rotatif à aubes. Dans ce compresseur le processus de compression est réalisé à l’aide d’un rotor massif rond qui tourne de manière excentrique dans un corps spécial de forme ronde. Le rotor possède des rainures ou saignées qui reçoivent des aubes de forme rectangulaires. Grâce à la force centrifuge les aubes se serrent aux parois lors de la rotation.
Lors du fonctionnement du compresseur équipé de rotors à deux ou trois aubes le gaz est aspiré dans une cavité et arrive dans la zone entre les aubes et le corps d’où il transite dans la cavité de refoulement et est ensuite complètement refoulé via la tubulure de refoulement. Les génératrices d’aubes sont habituellement réalisées sous forme d’hélice ce qui permet l’amenée de gaz en continu et constitue un des avantages de ce compresseur. En règle générale, ces compresseurs sont compacts, cependant, la complexité du système cinématique de ce type de compresseurs est un inconvénient et complique leur conception dans l’ensemble ce qui nuit à leur large application. Pour cette raison, une tâche est posée d’étendre ses fonctionnalités du point de vue de son application pratique. Cette tâche pourrait être résolue en montant dans le corps du compresseur rotatif à aubes sur un même axe de rotation deux aubes cinématiquement reliées au moyen de pignons centraux reliés aux couronnes d’un satellite. Ce dernier est muni d’un bras porte-train comportant un engrenage planétaire complémentaire équipé d’un pignon central et d’une roue immobile centrale. Le bras porte-train muni d’un fixateur ou arrêt, est capable d’effectuer le freinage et quant au satellite il est relié au moyen d’un engrenage à un montant. Il est à noter qu’aussi bien les couronnes des satellites que les pignons centraux n’ont pas une forme ronde mais, par exemple, elliptique.
L’utilisation dans le compresseur décrit de couronnes et pignons centraux de forme autre que ronde, n’est pas dû à un jeu de hasard car elle exclut l’action axiale sur les parois du corps et permet ainsi d’utiliser des garnitures sans contact en renonçant à une quantité de roulements, soupapes en entrée et en sortie et aux joints d’étanchéité. Cela permet d’étendre les possibilités fonctionnelles de l’application des compresseurs rotatifs à aubes, par exemple, dans les machines frigorifiques.
Les processus de travail des compresseurs rotatifs à aubes se déroulent d’une manière analogue à ceux des compresseurs à piston ce qui permet de faire des calculs en se référant aux données de calcul théoriques utilisées pour le dimensionnement des compresseurs à piston. Il est toutefois important de ne pas oublier des particularités de conception des compresseurs rotatifs à aubes. Une étude particulière méritent les pertes dues à l’écoulement du fluide de travail dans le compresseur même qui exerce un impact sur son débit. Elles apparaissent suite à une chute de pression entre les chambres de travail voisines du compresseur rotatif à aubes séparées par des aubes mobiles.
Quand il s’agit d’avantages des compresseurs de ce type, il convient de mentionner ce qui suit:
Ce sont de puissants compresseurs, largement utilisés en raison de leur faible coût et très haute fiabilité. Le faible coût est dû à la simplicité du procédé de fabrication, et la haute fiabilité aux particularités de conception: les rotors ne sont pas en contact les uns avec les autres, et leur synchronisation est obtenue grâce aux pignons de synchronisation dont le rapport de transmission est égal à l'unité. Cela offre un faible taux d'utilisation de l'appareil, ce qui le rend économe: la durée de vie des pignons détermine celle du compresseur. Ces compresseurs sont utilisés dans les secteurs industriels nécessitant d'importants débits et de faibles pressions, tout en assurant une longue durée de vie et un très fiable mode de fonctionnement, ils ne sont presque pas sensibles à la teneur de l'air aspiré en poussière à la différence des compresseurs, dont les chambres de compression possèdent des couples de frottement. Les compresseurs rotatifs à aubes possèdent un assez large éventail de performances, elles excluent des pertes d'huile (dans le cas de compresseur à huile) grâce à un système de retour d'huile. Le gaz émis est traité à l'aide d'un filtre monté en sortie, la pénétration d'huile au système est exclue grâce à un clapet anti-retour dont est équipé le dispositif d'entrée d'air.
La diversité d’application des compresseurs de ce type est considérable: ils sont utilisés pour l'aération de stations d'épuration et de réservoirs d'eau; dans l'industrie alimentaire; lors de la fabrication d'emballages sous vide; dans l'industrie textile; dans l'industrie automobile; dans les réseaux de chauffage central; dans l'industrie chimique, le laser, la fabrication de lasers et la pharmacie; dans la production métallurgique et la construction mécanique ainsi que dans les secteurs de la recherche scientifique.
3) Compresseurs axiaux. Ils représentent une des variétés de turbocompresseurs. Selon le principe de son fonctionnement le compresseur axial rappelle une pompe axiale: le gaz se déplace, principalement, le long de l'axe de rotation, et à la différence des turbocompresseurs ou compresseurs dynamiques la compression d'air dans le compresseur axial se produit, tout comme le mouvement du gaz même, le long de l'axe de l'arbre. Les particules du flux de gaz ont une trajectoire proche des plans cylindriques ou coniques.
Du point de vue de la conception, les compresseurs axiaux sont divisés en appareils mono- ou multiétagés.
Un compresseur axial est constitué d'un rotor avec des grilles mobiles alternées à aubes fixées sur l'arbre et appelées roues de travail, et d'un stator avec des grilles immobiles à aubes appelées aubages directeurs. L'arbre rotorique est relié à l'arbre de la turbine et s'appuie sur des roulements à billes et à rouleaux. Le bloc cylindrique du corps représente un ensemble de sections cylindriques connectées entre elles suivant l'axe à l'aide de boulons. Le corps peut être constitué de deux éléments, également reliés suivant l'axe avec des boulons. Cette conception permet de disposer le corps de compresseur autour du rotor.
La caractéristique gazodynamique des compresseurs à aubes possède une inertie excessive du fait que le compresseur est assez lent pour prendre de l'ampleur au cours du fonctionnement. Les compresseurs à aubes font tourner des turbines. Les turbines elle mêmes baissent leur vitesse de rotation de manière assez lente ce qui fait que les turbocompresseurs ont besoin de pas mal de temps pour passer à un autre mode de fonctionnement. On a réussi à résoudre le problème en divisant les compresseurs en:
a) compresseur à basse pression équipé de sa propre turbine, montée sur l'arbre,
b) compresseur à haute pression avec sa propre turbine.
Ces compresseurs sont appelés des appareils bi-arbre. Cette solution apportée au problème a amélioré le fonctionnement des compresseurs lors du passage d'un mode à l'autre, ainsi qu'a également amélioré leur caractéristique aérodynamique et assuré sa stabilité.
Les compresseurs de type axial se différencient les uns des autres selon le type d'aubes et trouvent une large application dans l'industrie aéronautique; dans les procédés industriels nécessitant de très hauts débits et une faible pression; au sein d'un compresseur combiné en qualité d'étage initial.
Généralement, les compresseurs axiaux sont conçus comme multiétagés. La possibilité constructive de créer des compresseurs axiaux multiétagés dont on peut gérer le flux d'air en termes de vitesse, baisse les pertes du compresseur et améliore son rendement et donc réduit la consommation de carburant. C'est un avantage à l'égard des compresseurs centrifuges où ces conditions de fonctionnement sont presque impossibles à réaliser.
L'étage d'un compresseur de type axial se différencie par sa conception de celui d'un compresseur centrifuge par sa conception moins compliquée. Les aubes peuvent être fixées sur la roue de travail d’une manière immobile, soit on peut les retourner d'un angle déterminé, mais seulement en état d'arrêt du compresseur. Les aubes de l'aubage directeur peuvent également être montées d’une manière immobile ou retournées tant en arrêt qu'en fonctionnement.
V. ci-dessous, la vue extérieure d'une aube de compresseur axial:
Avantages des compresseurs axiaux:
- simplicité de fabrication des pièces (à l’exclusion des aubes);
- design compact;
- réversibilité;
- permet d’obtenir des valeurs de rendement plus élevées (dans les appareils théoriques : 90-94 %) et des valeurs de débit pour une faible pression;
- possède un débit élevé;
- le rotor du compresseur axial possède une vitesse de rotation élevée adaptée à celle du turbomoteur
Parmi les inconvénients des compresseurs axiaux il convient d'évoquer les difficultés de fabrication d'un grand nombre d'aubes, le fait qu'ils s'offrent facilement à l'encrassement, la mise hors d'usage d'aubes suite à leur contact avec des particules en suspension, de l'eau et d'autres corps étrangers dans le canal d'écoulement.
Les compresseurs axiaux sont généralement utilisés dans les moteurs à réaction d'avions et d'hélicoptères.
Parmi les fabricants de compresseurs axiaux il convient d'évoquer Siemens, Elliott.
4) Compresseurs centrifuges axiaux. Parfois, les appareils à turbine à gaz où les débits de fluide de travail ne sont pas aussi importants, utilisent des compresseurs centrifuges axiaux multiétagés afin d'augmenter le rendement du compresseur. Ils constituent une combinaison d'étages axiaux et centrifuges, l'étage centrifuge étant toujours le dernier. Il est installé à la place de plusieurs étages axiaux dont les aubes de travail possèdent une très faible hauteur. Ces aubes réagissent d’une manière très brusque à l'effet des jeux radiaux et courants secondaires. Les compresseurs de ce type combiné, en dépit d'une perte peu importante de rendement, ont des dimensions linéaires et un poids beaucoup plus petits si on les compare avec un compresseur axial aux mêmes valeurs du taux de compression.
Ce type de compresseurs est aujourd'hui au stade de développement.
5) Compresseurs diagonaux (radiaux-axiaux). Selon leur principe de fonctionnement et les paramètres constructifs un compresseur diagonal ne se distingue pas des compresseurs radiaux et est de type intermédiaire. Ceci est confirmé par l'orientation de la sortie du fluide comprimé qui s'effectue sous un certain angle dans le sens radial-axial.
Les compresseurs de type à aubes peuvent varier selon le nombre de rotors:
- turbocompresseur monorotor comportant un seul rotor;
- turbocompresseur multirotor comportant deux rotors et plus (deux, trois rotors, etc.).
En fonction du nombre de corps les compresseurs à aubes se divisent en:
- compresseurs monocorps montés dans un seul corps;
- compresseurs multicorps avec deux, trois corps et plus.
En fonction du type de flux le les compresseurs à aubes se divisent en:
- compresseurs centripètes représentant des compresseurs de type radial où pendant la rotation des aubages dans le plan méridional le flux de fluide de travail tend à se déplacer de la zone périphérique vers le centre;
- compresseurs tourbillonnaires qui sont des compresseurs centrifuges où le gaz comprimé circule d’une manière répétitive à travers un aubage tournant;
- compresseurs à jet qui sont des compresseurs à action dynamique où le flux de gaz comprimé subit l’action d’un flux qui possède une importante énergie spécifique;
- compresseurs centrifuges-centripètes qui représentent un type combiné de turbocompresseurs avec des étages de types centrifuge et centripète.
A titre de complément, on voudrait souligner une fois de plus tous les avantages des compresseurs à aubes qui se manifestent lors de la compression d’une grande quantité de gaz:
a) l'arbre du compresseur est relié directement à l'arbre du moteur sans aucuns dispositifs intermédiaires de conversion de la vitesse de rotation;
b) le débit du fluide de travail est régulier et continu ce qui n'exige pas la mise en place de grands réservoirs du côté de refoulement;
c) les forces d'inertie sont minimales, on peut donc utiliser un socle plus léger;
d) les soupapes d'aspiration ou de refoulement sont absentes ce qui améliore la fiabilité de l'installation;
e) le gaz débité n'est pas contaminé avec des matières lubrifiantes issues d'éléments de travail.
On doit dire quelques mots sur le choix de compresseur. L'aspect le plus important à prendre en compte est la caractéristique de son débit. L'unité de mesure y est l/min ou m3/min s'il dispose de caractéristiques suffisamment puissantes. Pour calculer cette performance il convient de prendre en compte l'ensemble des paramètres techniques des appareils à air comprimé.
Le tableau ci-dessous contient des formules concernant les caractéristiques des compresseurs à aubes:
Formules de calcul des caractéristiques des compresseurs à aubes:
Une grande importance doit être attribuée lors du choix d'un compresseur à la situation concernant la source d'alimentation. Généralement, on utilise un réseau monophasé, cependant, les grandes productions ont besoin de trois phases. Si le site concerné est éloigné, c'est-à-dire que l'installation se trouve loin des réseaux électriques on aura besoin d’un compresseur équipé d'un groupe électrogène à essence ou diesel .
Il y a certaines données initiales qui doivent être considérées lors du choix de compresseur:
1) débit volumique du gaz en entrée;
2) pression finale souhaitée de l'installation;
3) température, pression d'aspiration, humidité relative du gaz en entrée
4) la composition molaire, pollution du gaz pompé, nuisance, capacité de polymérisation;
5) dispositifs d'entraînement (type, spécifications);
6) liste de spécifications spéciales (absence de lubrifiants dans le canal de gaz, poids limité des équipements, spécifications concernant les dimensions, les vibrations, le niveau de bruit, garnitures d'étanchéité).
Les principales performances du compresseur fabriqué sont la pression finale (Rf) et le débit volumique de gaz en entrée (Ve). Ce sont elles qui déterminent le type et la marque du compresseur.
Certaines informations de référence basées sur les caractéristiques moyennes des compresseurs à aubes, sont citées au tableau suivant:
Caractéristiques moyennes des compresseurs à aubes
Le choix correct de tel ou tel type de compresseur définit sa durée de vie. Lors de l’achat d’un compresseur il convient de prévoir une marge de débits et d’intensités de fonctionnement.
La durée de vie de tout compresseur dépend de beaucoup de facteurs:
- température ambiante: la plupart des types de compresseurs sont utilisés dans la gamme de températures d'air de +5 à +45 degrés. La température inférieure à ces valeurs provoque une augmentation de la viscosité de l'huile du compresseur ce qui augmente la charge exercée sur le compresseur; la température supérieure à ces valeurs contribue à la dilution de l'huile ce qui conduit à l'usure des surfaces de travail;
- le local, le compresseur et l'air d'entrée doivent être propres ce qui contribue à un meilleur refroidissement. La propreté facilite le contrôle et la localisation des pannes et fuites;
- les chutes de tension, la perte ou déséquilibre de phases ont une incidence négative sur l'état du compresseur, réduisent sa durée de service;
- une maintenance opportune et de qualité est indispensable à tout compresseur, l'entretien préventif irrégulier et de mauvaise qualité réduit la durée de vie du compresseur.
