Dans un compresseur centrifuge typique, le fluide est poussé à travers l’impulseur par rotation rapide d’aubages. La vitesse du fluide est convertie en pression, à la fois dans l’impulseur et dans les diffuseurs stationnaires. La plupart de l’énergie cinétique, en quittant l’impulseur est convertie en énergie de pression comme montré à la figure 1.7. Il est d’usage normal de concevoir un compresseur afin que la moitié de la montée en pression ait lieu dans l’impulseur et l’autre moitié dans le diffuseur. Le diffuseur est constitué essentiellement d’aubes, qui sont tangentes à l’impulseur.
Les passages entre les aubes divergent pour convertir la vitesse de pointe en pression. Les bords intérieurs des aubes sont en ligne avec la résultante de flux de l’impulseur, comme le montre la figure 1.8. Le fluide entre dans le compresseur en direction axiale et en sort dans le sens radial vers un diffuseur.
Le fluide entre d’abord dans un inducteur comme montré dans la figure 1.7. En général l’inducteur fait partie intégrante de l’impulseur, fonctionnant comme une turbine d’un compresseur axial pour aspirer le fluide dans le compresseur. Dans de nombreuses conceptions antérieures, l’inducteur et l’impulseur étaient séparés. Le fluide emprunte ensuite un virage à 90° et ressort dans un diffuseur, espace sans aube suivi d’un diffuseur à aubage. Cette particularité est particulièrement vraie si la sortie du compresseur est de type supersonique, comme dans les compresseurs à taux de pression élevé. L’espace lisse (espace sans aube) est utilisé pour réduire la vitesse du fluide en quittant l’impulseur à un Mach inférieur ou égal à 1. Le rendement du compresseur centrifuge est légèrement inférieur à celui du compresseur axial, mais il a une meilleur stabilité et ainsi une meilleure plage de fonctionnement.
Fig. 1.7 : Les propriétés aérodynamiques et thermodynamiques d’un compresseur centrifuge.
Fig. 1.8 : L’écoulement dans un diffuseur.
A l’aspiration du compresseur se trouvent les aubes orientables (IGV) appelées aussi déflecteurs d’admission en face de l’inducteur. L’intérêt d’installer des aubes orientables est de réduire le nombre de Mach relatif dans l’inducteur et de réguler le débit. Quand la vitesse relative approche la vitesse du son, une onde de choc se crée dans l’inducteur qui perturbe l’écoulement du fluide. Le gaz entre dans l’impulseur dans le sens axial et sort dans le sens radial. Les variations de vitesse du moyeu jusqu’au diffuseur, résultant du changement dans la direction d’écoulement compliquent la conception des compresseurs centrifuges. L’énergie cinétique transmise au fluide par l’impulseur est transformée en pression statique dans un diffuseur.
Il existe trois types d’aubages, comme le montre la figure 1.9. Ils sont définis en fonction d’angle de sortie de rouet ou impulseur.
Fig. 1.9 : Caractéristiques théoriques en fonction de l’angle de sortie de l’impulseur.
La plupart des applications utilisent des aubages courbés vers l’arrière, car ils ont la plus faible vitesse à la sortie de l’impulseur, ce qui laisse au diffuseur une plus petite hauteur dynamique à convertir. En outre, les aubages courbés vers l’arrière ont une marge d’exploitation beaucoup plus grande. Le tableau 1-1 présente les avantages et inconvénients des différents modèles d’aubages.
Tableau 1.1 : Avantages et inconvénients des types d’impulseurs.
Les diffuseurs forment une partie importante d’un compresseur centrifuge, et sont généralement les plus difficiles à concevoir. La fonction du diffuseur dans un compresseur est la conversion de la hauteur dynamique ou cinétique générée par l’impulseur à l’énergie de pression. Cette conversion est essentielle pour l’obtention de l’élévation de la pression nécessaire et aussi pour atteindre une bonne efficacité dans l’envoi du gaz le long d’un circuit. Un diffuseur est, par conséquent, un élément d’une importance critique quand un rendement optimal est une exigence dans les turbomachines. La figure 1.7 montre les variations de pression statique et la vitesse dans le compresseur et le diffuseur.
L’ensemble diffuseur peut faire partie intégrante du corps de compresseur ou être d’un assemblage séparé. Dans chaque cas, le diffuseur est formé d’un nombre d’aubes orientées tangentiellement à l’impulseur comme illustré dans la figure 1.8. Les passages entre les aubes sont divergents pour convertir l’énergie cinétique en énergie de pression, et les bords intérieurs des aubes sont en ligne avec la direction résultante de l’impulseur. L’espace entre l’impulseur et le diffuseur est un facteur important, car un espace trop petit engendrait des impulsions aérodynamiques qui pourraient être transférée à l’impulseur et créer des écoulements de fluide instable et des vibrations.
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