L' invention concerne une machine tournante du type compresseur ou turbine pour la compression ou la détente d'un gaz dangereux, par exemple toxique ou explosif.
De telles machines sont utilisées notamment dans l'industrie chimique, pour le traitement du gaz naturel, etc...
Comme cela est bien connu dans la technique, un compresseur ou une turbine comprend un stator dans lequel est formée une chambre annulaire de circulation de gaz, un rotor monté tournant dans cette chambre, un arbre rotatif sur lequel est fixé le rotor et qui s'étend à l'extérieur du stator à travers un passage d'arbre de celui-ci, et des paliers de guidage et de support de l'arbre qui sont montés dans ce passage d'arbre du stator.
L'arbre du rotor est relié, à l'extérieur du stator, à un autre arbre qui est menant dans le cas d'un compresseur ou mené dans le cas d'une turbine.
Lorsqu'une telle machine est utilisée pour le traitement d'un gaz dangereux, il est essentiel d'assurer et de maintenir dans le temps une étanchéité parfaite au gaz, visant notamment à interdire les fuites de gaz vers l'extérieur qui peuvent se produire le long de l'arbre du rotor.
On connaît par le document EP-A- 0 344 532 une machine tournante du type précité qui comprend une cloche montée à étanchéité sur l'extérieur du stator autour du passage d'arbre et délimitant une enceinte fermée remplie de liquide ou de gaz inerte, des moyens de pressurisation du liquide ou du gaz inerte dans cette enceinte à une pression au moins égale ou légèrement supérieure à celle maximale du gaz dans la chambre annulaire du stator, des moyens d'étanchéité au liquide agencés dans ledit passage d'arbre entre l'arbre du rotor et le stator du côté de ladite chambre annulaire de circulation des gaz, et des moyens de liaison de l'arbre du rotor à un deuxième arbre extérieur au stator, ces moyens comprenant un accouplement magnétique rotatif, qui peut être à aimants permanents dont les uns sont portés par l'arbre du rotor à l'intérieur de ladite cloche et dont les autres sont portés par le deuxième arbre à l'extérieur de la cloche.
Les moyens d'étanchéité précités comprennent un joint mécanique humide, du type comprenant une pièce annulaire à surface dure, solidaire de l'arbre du rotor et appliquée à pression sur une pièce complémentaire solidaire du stator.
L'invention a pour objet des perfectionnements à cette technique connue.
Selon l'invention, le stator comprend une chambre intermédiaire traversée par l'arbre du rotor et ménagée entre la chambre annulaire de circulation de gaz et le passage d'arbre précité, cette chambre intermédiaire étant limitée axialement par des garnitures sèches d'étanchéité, portées par l'arbre du rotor, des moyens étant prévus pour amener un gaz de barrage sous pression relativement élevée, et supérieure à la pression du gaz dans la chambre annulaire, dans cette chambre intermédiaire entre les garnitures sèches d'étanchéité, et un gaz de balayage sous pression relativement faible dans un espace annulaire formé autour de l'arbre du rotor entre cette chambre intermédiaire et le passage d'arbre précité.
On assure ainsi l'étanchéité au liquide de la machine selon l'invention, et on évite tout mélange du liquide et du gaz circulant dans le stator, même en cas de défaut du joint mécanique humide précité.
L'invention sera mieux comprise et d'autres caractéristiques, détails et avantages de celle-ci apparaîtront plus clairement à la lecture de la description oui suit, faite à titre d'exemple en référence aux dessins annexés, dans lesquels :
La machine représentée à titre d'exemple en figure 1 est un compresseur périphérique, destiné au traitement d'un débit de gaz dangereux, par exemple toxique ou explosif.
Ce compresseur comprend un stator 10, dans lequel est ménagée une chambre annulaire 12 de circulation de gaz. Un rotor 14, constitué d'une roue de compresseur périphérique, comporte des aubes 16 tournant dans la chambre annulaire 12 pour la mise en vitesse et la compression du gaz.
De façon classique dans un compresseur périphérique, un obturateur 18 est agencé dans la chambre annulaire 12, entre les débouchés d'un conduit d'amenée et d'un conduit de sortie de gaz (non représentés) formés dans le stator.
Le rotor 14 est monté sur une extrémité d'un arbre de rotation 20, qui traverse un passage d'arbre 22 présenté par le stator et qui est supporté et guidé dans ce passage d'arbre au moyen de paliers 24.
Une cloche 26, de forme cylindrique à fond bombé 28, est fixée de façon étanche à sa base sur le stator, à l'extérieur de celui-ci et autour du passage d'arbre 22, de façon à délimiter une enceinte étanche 30 dans laquelle sont logés le passage d'arbre 22, l'extrémité de l'arbre 20 sortant de ce passage d'arbre, et une pièce annulaire 32 solidaire de l'arbre 20 et portant sur sa surface périphérique extérieure des aimants permanents 34, qui sont au voisinage immédiat de la paroi cylindrique de la cloche 26.
Cette pièce 32 et ces aimants permanents 34 font partie d'une accouplement magnétique, comprenant, à l'extérieur de la cloche 26, une pièce annulaire 36 solidaire d'un arbre moteur 38 coaxial à l'arbre 20 du rotor, des aimants permanents 40 étant prévus sur la surface périphérique interne de la pièce 36 en étant disposés en correspondance des aimants précités 34 et en étant séparés de ces derniers par la paroi cylindrique de la cloche 26.
La cloche 26 peut être réalisé en un alliage métallique tel que celui commercialisé sous la dénomination HASTELLOY, cet alliage étant de préférence amagnétique et non conducteur, et elle peut aussi être réalisée en un matériau composite, par exemple en fibres de carbone, pour éliminer les courants de Foucault dans l'accouplement magnétique.
L'enceinte étanche 30 délimitée par la cloche 26 est destinée à être remplie d'un liquide sous pression, dont l'une des fonctions est la lubrification des paliers 24. Ce liquide peut donc être de l'huile lorsque les paliers 24 sont des roulements à billes ou de l'eau lorsqu'on utilise des paliers 24 hydrodynamiques, ou tout autre liquide approprié.
A l'extrémité du passage d'arbre 22 située du côté de la chambre annulaire 12 de circulation de gaz, des moyens d'étanchéité au liquide sont agencés entre l'arbre 20 et le stator. Comme cela a été schématiquement représenté en figure 1, ces moyens d'étanchéité comprennent un joint mécanique humide, comportant une pièce annulaire 42 montée à étanchéité sur l'arbre 20 et entraînée en rotation par celui-ci, cette pièce annulaire 22 présentant une surface radiale dure appliquée à pression sur une surface radiale d'une pièce correspondante 44 du stator. Ce type de joint autorise un très faible débit de fuite de liquide en direction de la chambre annulaire 12 du stator, lorsque la pression du liquide est supérieure à la pression des gaz dans le stator. Eventuellement, des moyens de récupération de ce débit de fuite de liquide sont prévus dans le stator le long du rotor, comme indiqué en 46, si l'on veut réduire les traces de liquide présentes dans le gaz traité.
La pression du liquide dans l'enceinte 30 est régulée par des moyens de pressurisation, comprenant dans l'exemple représenté un multiplicateur de pression 48 dont une entrée est reliée à une prise de pression 50 située juste en aval du joint mécanique humide 42, 44 et dont la sortie est reliée à un conduit 52 formé dans le stator et débouchant à l'intérieur de la cloche 26. De préférence, le multiplicateur de pression 48 fait partie d'un circuit fermé de liquide, comprenant un échangeur de chaleur 54 monté en sortie du multiplicateur de pression et une pompe étanche 56 de circulation à entraînement magnétique.
L'entrée de liquide dans le multiplicateur de pression 48 est reliée à un conduit 58 débouchant dans le passage d'arbre 22, en amont du joint mécanique humide 42.
En fonctionnement, l'arbre moteur 38 entraîné en rotation autour de son axe transmet un couple moteur à l'arbre 20 du rotor par l'intermédiaire de l'accouplement magnétique constitué par les pièces 32 et 36 et les aimants permanents 34 et 40. L'arbre 20 entraîné en rotation fait tourner les aubes 16 du rotor dans la chambre annulaire 12 du stator, pour la mise en vitesse et la compression du gaz dans cette chambre. La pression de gaz appliquée au multiplicateur de pression 48 détermine une pression de liquide légèrement supérieure dans la cloche 26. Cette pression supérieure de liquide s'oppose à toute pénétration de gaz dans le passage d'arbre 22 et provoque un très faible débit de fuite de liquide par le joint mécanique humide 42 vers la chambre annulaire 12, ce débit de fuite étant par exemple de l'ordre de 0,5 à 1cm3 par heure. Eventuellement, ce débit de fuite peut être récupéré en 46 avant sa pénétration dans la chambre annulaire 12 de circulation du gaz.
Les vitesses de rotation maximales de l'accouplement magnétique, du joint mécanique humide 42 et de la roue de compresseur périphérique sont bien adaptées les unes aux autres ( de l'ordre de 3000 à 4000 t/mn au maximum) et garantissent un fonctionnement optimal de l'ensemble.
L'échangeur de chaleur 54 permet de maintenir le liquide dans l'enceinte 30 à une température de l'ordre de 50 à 60°C au maximum. La pression du liquide est par exemple de 20 bars, lorsque la pression de gaz est de 18 bars environ dans l'enceinte annulaire 12.
Les moyens de l' invention sont représentés en figure 2, où l'on retrouve les mêmes éléments qu'en figure 1, à savoir un stator 10 à chambre annulaire 12 de circulation de gaz, dans laquelle tourne un rotor 14 constitué d'une roue de compresseur périphérique, monté sur un arbre 20 guidé et supporté par des paliers 24 logés dans un passage d'arbre 22 du stator, une cloche (non représentée) délimitant une enceinte étanche remplie de fluide sous pression, et un accouplement magnétique (non représenté) permettant la transmission à l'arbre 20 d'un couple moteur. Un joint mécanique humide 42, semblable à celui représenté en figure 1, est prévu entre l'arbre 20 et le stator, à la sortie du passage d'arbre 22 orientée vers la chambre annulaire 12.
Selon l'invention, une chambre intermédiaire 60 est ménagée dans le stator 10 entre cette sortie du passage d'arbre 22 et la chambre annulaire 12 de circulation de gaz. Cette chambre intermédiaire 60 est limitée axialement par des garnitures d'étanchéité sèches 62 portées par l'arbre 20 et coopérant avec des surfaces radiales correspondantes 64 du stator 10. Un conduit 66 formé dans le stator 10 permet d'amener dans cette chambre intermédiaire 60 un gaz de barrage sous pression relativement élevée, supérieure à la pression du gaz dans la chambre annulaire 12, ce gaz de barrage étant compatible avec le gaz circulant dans le stator et pouvant être lui-même dangereux.
Par ailleurs, un autre conduit 68 formé dans le stator 10 permet d'amener un gaz de balayage sous pression relativement faible, dans l'espace annulaire 70 ménagé dans le stator autour de l'arbre 20, entre la chambre intermédiaire 60 et l'extrémité correspondante du passage d'arbre 22 où se trouve situé le joint mécanique humide 42.
La chambre intermédiaire 60 et cet espace annulaire 70 sont reliés à l'extérieur du stator par des conduits de sortie de gaz 72 et 74 respectivement.
Ces conduits de sortie 72 et 74 sont reliés à des moyens de reprise de gaz, menant par exemple à des moyens de combustion, tels qu'une torchère ou analogue.
En fonctionnement, le gaz de barrage sous pression relativement élevé, qui est amené dans la chambre intermédiaire 60 par le conduit 66, peut fuir d'un côté vers la chambre annulaire 12 de circulation de gaz et de l'autre côté dans l'espace annulaire 70 entourant l'extrémité du passage d'arbre 22 et le joint mécanique humide 42. Le gaz de balayage amené dans cet espace annulaire 70 par le conduit 68 permet d'évacuer, par le conduit de sortie 74, le débit de fuite de gaz de barrage et le débit de fuite de liquide arrivant dans cet espace annulaire 70. Les gaz sortant de la chambre intermédiaire 60 par le conduit 72 et de l'espace annulaire 70 par le conduit 74 sont ensuite, par exemple, conduits à une torchère ou autre moyen de combustion approprié.
Dans cette réalisation, un défaut du joint mécanique humide 42 n'a pas d'incidence sur le fonctionnement du compresseur, le gaz de barrage amené dans la chambre intermédiaire 60 s'opposant à tout passage de liquide vers la chambre annulaire 12 de circulation de gaz.
La sortie 72 de gaz de barrage peut être supprimée, le gaz de barrage fuyant alors d'un côté vers la chambre annulaire 12 et de l'autre côté vers l'espace annulaire 70.