Compresseur centrifuge

Photographie de la coupe d'un turboréacteur Goblin (fabriqué par de Havilland au lendemain de la Seconde Guerre mondiale) montrant un compresseur centrifuge.

Le terme « compresseur centrifuge » (aussi appelé « compresseur radial ») désigne un type de turbomachines à circulation radiale et à absorption de travail qui comprend des pompes, des ventilateurs, des soufflantes et des compresseurs^[1].

Les premières machines de ce type étaient composées de pompes, de ventilateurs et de soufflantes^[2]. Ce qui distinguaient ces premières turbomachines des compresseurs étaient que le fluide de travail pouvait être considéré comme incompressible, ce qui permettait de recourir au principe de Bernoulli pour modéliser l'écoulement des fluides sans grande erreur. Les turbomachines fonctionnent à plus grande vitesse et les modèles doivent tenir compte des fluides compressibles.

De façon plus formelle, les compresseurs centrifuges offrent une augmentation de la densité du fluide de travail supérieure à 5 %. Également, les fluides qui les traversent voient leur vitesse augmenter au-delà de Mach 0,3 quand c'est de l'air ou du diazote. En comparaison, les ventilateurs ou les soufflantes ne parviennent pas à atteindre une augmentation de densité de 5 % et la vitesse de pointe relative du fluide se situe en dessous de Mach 0,3-0,5.

De façon idéalisée, le compresseur dynamique obtient une augmentation de pression en ajoutant de l'énergie cinétique ou de la vitesse à un jet continu de fluide grâce à un rotor ou à un étage de compression. L'énergie cinétique acquise est alors transformée en une augmentation de la pression statique en freinant le flux à travers un diffuseur.

Avantages et inconvénients

Au début du XXI^e siècle, les compresseurs centrifuges sont principalement utilisés en industrie car ils ont peu de pièces mobiles en friction, ont un rendement relativement élevé et déplace un flux d'air plus élevé que les compresseurs réciproques de taille semblables.

Leur principal inconvénient est qu'ils ne peuvent atteindre un taux de compression aussi élevé que celui des compresseurs réciproques. Les ventilateurs et les soufflantes sont mieux adaptés aux applications en continu qui demande un grand volume sans augmentation notable de pression, tels que la ventilation, la réfrigération et l'injection de gaz sous la terre. En comparaison, les compresseurs réciproques multi-étages sont capables d'atteindre une pression de l'ordre de 100 MPa.

Les compresseurs réciproques sont souvent utilisés dans les moteurs à petite turbine à gaz, tel que les unités auxiliaires de puissance ou les moteurs de pettis avions. Une des raisons de cet état est qu'avec la technologe courante du début du XXI^e siècle, le flux équivalent obtenu du compresseur axial est moins élevé à cause de pertes sur le bout de pales, lesquelles sont dues à la position du rotor et du stator. Au début du XXI^e siècle, il existe peu de compresseurs centrifuges à étage unique capable de produire un taux de compression supérieur à 10:1. Ils doivent en effet subir un stress mécanique élevé, ce qui diminue sévèrement leur niveau de sécurité, leur durabilité et leur espérance de vie.

Pour les turbines à gaz des aéronefs, les compresseurs centrifuges offrent l'avantage de la simplicité de fabrication et sont d'un coût relativement bas. Ils résultent en partie du nombre peu élevé d'étages nécessaires pour atteindre la même augmentation de pression. La réduction du rayon, sur une courte distance axiale, à l'intérieur de la turbine permet d'obtenir une grande augmentation de l'énergie du fluide.

Applications

Le compresseur centrifuge est utilisé :

• dans les gazoducs (pour déplacer le gaz naturel du gisement au consommateur).
• dans les raffineries de pétrole et sur les sites de traitement de gaz naturel, pétrochimiques et chimiques.
• sur les sites de séparation de l'air (pour fabriquer des produits gaziers).
• dans les appareils de réfrigération de climatisation.
• dans les appareils fournissant de l'air comprimé.
• dans les turbines à gaz et les unités auxiliaires de puissance.
• dans les systèmes de pressurisation à bord des aéronefs (dans le but de maintenir une pression sécuritaire et confortable aux personnes).
• dans les turbocompresseurs et les turbochargeur (en)s (qui servent à augmenter la puissance des moteurs à essence ou au diesel).
• sur les sites d'exploitation des champs pétrolifères, (pour injecter des gaz dans le sous-sol dans le but d'augmenter le taux d'extraction).

Contraintes de fonctionnement

Plusieurs types de compresseurs centrifuges possèdent différentes contraintes de fonctionnement :

• Vitesse minimale de fonctionnement : en dessous d'une certaine vitesse, le compresseur ne peut effectuer son rôle correctement. Sous cette limite, il est arrêté ou mis en attente.
• Vitesse maximale tolérée : Au-delà de cette limite, le stress mécanique peut dépasser les limites sécuritaires et les vibrations du rotor peuvent s'élever rapidement. À ce moment, l'équipement devient dangereux et la vitesse doit être réduite pour prévenir des accidents.
• Stonewall ou étouffement :
  • Dans les équipements où les fluides circulent à haute vitesse, lorsque le flux augmente, la vitesse du fluide peut s'approcher de sa vitesse du son. Dans la plupart des cas, cette condition n'affecte pas le compresseur.
  • Dans les équipements à basse vitesse, les pertes augmentent au fur et à mesure que le système se rapproche de cette valeur et le taux de compression se rapproche de 1:1.
• Pointe : le compresseur ne peut ajouter suffisamment d'énergie au fluide pour dépasser la résistance du système^[3]. Cet état amène un changeent rapide dans la direction du flux (la pointe). En conséquence, des vibrations de hautes fréquences, une élévation de température et un rapide changement de poussée axiale peuvent survenir. Ces effets peuvent abîmer les joints d'étanchéité et les roulements mécaniques du rotor, le moteur d'entraînement (driver) du compresseur et le cycle d'opération. La plupart des turbomachines sont conçues pour soutenir des pointes ponctuelles. Cependant, si elles surviennent régulièrement sur de longues périodes ou que l'appareil est mal conçu, des pointes répétitives peuvent mener à une destruction catastrophique.

Notes et références

Voir aussi

Liens externes

• (en) Compressor Surging Under Control
• (en) MIT Gas Turbine Laboratory
• (en) First Marine Gas Turbine 1947
• (en) A history of Chrysler turbine cars
• (en) To find API codes, standards & publications
• (en) To find ASME codes, standards & publications
• (en) To find ASHRAE codes, standards & publications
• (en) Integrated Conceptual Design Environment for Centrifugal Compressors Flow Path Design
• (en) Glenn Research Center at NASA

Bibliographie

• (en) Lakshminarayana, B, Fluid Dynamics and Heat Transfer of Turbomachinery, New York, Wiley-Interscience, 1995 (ISBN 978-0-471-85546-0) (LCCN 94041844) 
• (en) Wilson, D.G. and Korakianitis, T., The Design of High-Efficiency Turbomachinery and Gas Turbines, Upper Saddle River, Prentice Hall, 1998, 2nd Edition^e éd. (ISBN 978-0-13-312000-4) (LCCN 97046540) 
• (en) Cumpsty, N.A., Compressor Aerodynamics, Malabar, Krieger Publishing, 2004 (ISBN 978-1-57524-247-7) (LCCN 2003069481) 
• (en) Whitfield, A. and Baines, N.C., Design of Radial Turbomachines, Harlow (homonymie), Longman Scientific & Technical, 1990, 1^re éd. (ISBN 978-0-470-21667-5) (LCCN 89077297) 
• (en) Saravanamuttoo, H.I.H., Rogers, G.F.C. and Cohen, H., Gas Turbine Theory, Harlow (homonymie), Prentice Hall, 2001, 5th Edition^e éd. (ISBN 978-0-13-015847-5) (LCCN 00051594) 
• (en) Japikse, David and Baines, N.C., Introduction to Turbomachinery, Norwich, Oxford University Press, 1994 (ISBN 978-0-933283-06-0) (LCCN 93079552) 
• (en) Japikse, David, Centrifugal Compressor Design and Performance, Wilder, Concepts ETI, 1996 (ISBN 978-0-933283-03-9) 
• (en) Japikse, David and Baines, N.C., Diffuser Design Technology, White River Junction, Concepts ETI, 1998 (ISBN 978-0-933283-08-4) (LCCN 95068415) 
• (en) Wennerstrom, Arthur J., Design of Highly Loaded Axial-Flow Fans and Compressors, White River Junction, Concepts ETI, 2000 (ISBN 978-0-933283-11-4) (LCCN 00131946) 
• (en) Japiske, D., Marschner, W.D., and Furst, R.B., Centrifugal Pump Design and Performance, Wilder, Concepts ETI, 1997 (ISBN 978-0-933283-09-1) (LCCN 97067124) 
• (en) Editor:David Japikse, Advanced Experimental Techniques in Turbomachinery, Norwich, Concepts ETI, 1986, 1st Edition^e éd., poche (ISBN 978-0-933283-01-5) (LCCN 86070542) 
• (en) Shepard, Dennis G., Principles of Turbomachinery, Mcmillan, 1956 
• (en) Baines, Nicholas C., Fundamentals of Turbocharging, White River Junction, Concepts ETI, 2005 (ISBN 978-0-933283-14-5) 

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