GROUPE COMPRESSEUR CENTRIFUGE

Description

[0001] L'invention concerne un turbocompresseur ou moto-compresseur et, en particulier, un groupe moto-compresseur intégré, tel que divulgué dans les documents US4969803 et US6464469 B1.

[0002] En se référant à la figure 1, les groupes moto-compresseurs intégrés comportent un carter commun étanche 10, dans lequel sont placés un moteur électrique 12 et un groupe compresseur 14, par exemple à plusieurs étages, lequel comporte un ensemble de roues à aubes, telles que 16, portées par un arbre 18. Le moteur 12 entraîne en rotation un rotor 20, ce rotor 20 étant accouplé à l'arbre 18 du compresseur 14 par l'intermédiaire d'un accouplement rigide 22. Des paliers 24, 26 et 28 sont utilisés pour supporter la ligne d'arbres du groupe moto-compresseur. L'ensemble est placé dans un carter commun 29.

[0003] En fonctionnement, le gaz à manipuler est présenté en entrée E du turbocompresseur puis est transmis aux étages successifs de compression du groupe compresseur pour être délivré en sortie S. Un palier axial 30 est utilisé pour empêcher le déplacement axial du compresseur 14 lors de son fonctionnement.

[0004] Ce type d'agencement présente l'avantage de simplifier de manière considérable la ligne d'arbres du groupe compresseur dans la mesure où l'ensemble constitué par le moteur, son rotor et ses paliers d'extrémité, ainsi que par l'accouplement rigide et par la butée axiale, se situent à l'intérieur du carter et sont soumis à la pression du gaz admis en entrée du premier étage de compression. En outre, il est possible, avec un tel agencement, de doter la ligne d'arbres de plusieurs étages de compression, tout en limitant sa longueur.

[0005] Cependant, une telle structure présente un inconvénient majeur, dans la mesure où, lors de son assemblage, elle nécessite un alignement parfait du rotor et de l'arbre mené du compresseur. En outre, la solidarisation du rotor et de l'arbre du compresseur dégrade considérablement le comportement vibratoire de la ligne d'arbres.

[0006] Le but de l'invention est donc de pallier ces inconvénients.

[0007] L'invention a donc pour objet un groupe compresseur centrifuge comprenant un moteur, au moins un compresseur comportant un arbre mené entraîné par le rotor du moteur et un ensemble d'au moins deux roues à aubes montées sur l'arbre mené, l'ensemble constitué par le moteur et le compresseur étant monté dans un carter commun étanche au gaz manipulé par le groupe compresseur.

[0008] Le rotor et l'arbre mené sont reliés par un accouplement flexible disposé dans le carter.

[0009] On conçoit dès lors qu'il est possible de s'affranchir des problèmes rédhibitoires d'alignement des arbres menant et mené. En outre, le rotor et l'arbre du compresseur conservent des comportements vibratoires qui leur sont propres, dans la mesure où ces éléments de la ligne d'arbres du groupe compresseur restent mécaniquement découplés.

[0010] Selon une autre caractéristique de l'invention, le carter comporte plusieurs éléments de carter solidarisés entre eux de manière étanche, chaque élément de carter enfermant le moteur ou un compresseur.

[0011] Afin de faciliter l'assemblage, le carter est pourvu d'un orifice ménagé entre les éléments de carter adjacents pour l'accès à l'accouplement flexible, ledit orifice étant muni de moyens d'obturation étanche.

[0012] Dans différents modes de réalisation, l'accouplement flexible comporte un accouplement à diaphragme ou à lame flexible, ou un accouplement à arbre torsible.

[0013] De préférence, chaque extrémité de l'arbre mené et du rotor est supportée par un palier d'extrémité, qui peut être solidarisé au carter. Par exemple, les paliers d'extrémité sont des paliers magnétiques radiaux.

[0014] Selon une autre caractéristique de l'invention, le groupe compresseur comporte une butée axiale sur laquelle s'appuie l'arbre mené du compresseur, lors du fonctionnement du turbocompresseur. Cette butée est par exemple une butée magnétique.

[0015] D'autres buts, caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront à la lecture de la description suivante, donnée uniquement à titre d'exemple non limitatif, et faite en référence aux dessins annexés, sur lesquels :

• la figure 1, dont il a déjà été fait mention, illustre la structure générale d'un groupe compresseur conforme à l'état de la technique ;
• la figure 2 est un schéma synoptique illustrant la structure générale d'un groupe compresseur conforme à l'invention ;
• la figure 3 illustre un autre mode de réalisation d'un groupe compresseur conforme à l'invention ;
• la figure 4 illustre un troisième mode de réalisation d'un groupe compresseur conforme à l'invention ; et
• la figure 5 illustre un quatrième mode de réalisation d'un groupe compresseur selon l'invention ; et
• la figure 6 illustre un cinquième mode de réalisation d'un groupe compresseur selon l'invention.

[0016] En se référent à la figure 2, un moto-compresseur conforme à l'invention, désigné par la référence numérique générale 32, comporte essentiellement un moteur électrique 34 à grande vitesse de rotation (6 000 à 16 000 tr/min) alimenté par un variateur de fréquence et comportant un stator 36 et un rotor 38 supportés par deux paliers d'extrémité 40 et 42, et un groupe compresseur 44 comportant un ensemble de roues à aubes 46, 48, 50 et 52, monté sur un arbre mené 54. L'ensemble est monté sur un socle (non représenté) et est disposé dans un carter 55 commun étanche au gaz manipulé par le turbocompresseur.

[0017] Bien entendu, le groupe moto-compresseur 44 peut comporter un nombre quelconque de telles roues à aubes, ou, comme cela sera décrit par la suite, comporter un autre agencement des roues à aubes.

[0018] Comme on le voit sur la figure 2, le carter est composé d'un assemblage d'éléments de carter solidarisés tels que 55a et 55b, assurant chacun le support et la protection du moteur ou d'un étage de compression, et solidarisés par des moyens de fixation appropriés.

[0019] L'arbre du compresseur 44 tourillonne dans des paliers 55 et 56. Un orifice 58 d'admission de gaz dans le turbocompresseur 32, ménagé dans le carter, débouche au niveau du premier étage de compression, constitué par la roue à aubes désignée par la référence 46, tandis qu'un orifice de sortie 60 récupère le gaz manipulé par le turbocompresseur, en sortie du dernier étage de compression constitué par la roue à aubes désignée par la référence numérique 52, comme désigné par les flèches F.

[0020] Afin de supporter les efforts engendrés lors du fonctionnement de l'étage de compression 44, une butée axiale 62 solidaire de l'arbre mené est disposée entre deux paliers 66 et 68 fixes, de manière à limiter le dépassement axial de l'arbre mené 54 de l'étage compresseur 44, conjointement avec un piston d'équilibrage aérodynamique axial 70.

[0021] Un accouplement flexible 72 assure l'accouplement du rotor 38 du moteur 34 et de l'arbre mené 54 de l'étage compresseur 44. Un tel accouplement 72 peut être réalisé soit à partir d'un accouplement de type à diaphragme, soit à partir d'un accouplement de type à lame flexible, ou encore un accouplement de type à arbre torsible. Cependant, tout autre type d'accouplement flexible approprié pour l'utilisation envisagée peut être utilisé. On notera néanmoins que l'utilisation d'un accouplement de type à arbre torsible permet de réduire les pertes par ventilation, de réduire le niveau de bruit généré, et de propager plus facilement la poussée axiale procurée par le moteur.

[0022] Pour accéder à cet accouplement 72, le carter est pourvu d'un orifice 76 qui débouche au regard de la zone de jonction entre le rotor 38 et l'arbre mené 54. Cet orifice est associé à un dispositif d'obturation étanche 78 amovible

[0023] On notera enfin que tout l'intérieur du turbocompresseur est baigné par le gaz du procédé manipulé par le compresseur, y compris l'accouplement flexible 72. En particulier, le volume interne du turbocompresseur ne comporte aucune étanchéité de sortie d'arbre, mais uniquement des joints tournants 80 qui sont soumis à de faibles différences de pression, comme par exemple des joints tournants de type labyrinthe qui servent au fonctionnement du compresseur. Afin de limiter les pertes par ventilation, le moteur est laissé à la pression d'aspiration du compresseur, et une circulation de gaz est organisée pour assurer son refroidissement.

[0024] On notera également que les paliers radiaux 40, 42, 55 et 56 utilisés pour le support des rotors ne nécessitent pas d'alimentation en fluide de lubrification. Dans le cas où l'on utilise des paliers magnétiques actifs, ces paliers sont commandés de manière qu'ils s'adaptent au comportement dynamique du rotor ou de l'arbre mené 54 dont ils assurent le support, c'est-à-dire généralement rigide du côté du moteur et généralement flexible du côté de l'arbre mené.

[0025] Afin de transmettre les efforts liés au fonctionnement du groupe compresseur au carter, les paliers 40, 42, 55 et 56 sont fixés de manière rigide par rapport au carter. Ces efforts sont constitués par les efforts radiaux de poids, les efforts radiaux dynamiques liés aux balourds résiduels, et les efforts axiaux dus à la résultante de poussée aérodynamique sur les étages de compression. Ces paliers autorisent en outre un déplacement radial du rotor ou de l'arbre mené dont ils assurent le support, afin de permettre de réaliser le lignage de ces éléments de la ligne d'arbres pendant les phases de maintenance.

[0026] Comme indiqué précédemment, le carter est constitué par un assemblage d'éléments de carter assurant respectivement le support du moteur et de l'étage de compression, ces éléments de carter étant associés de manière rigide et étanche. Les extrémités mutuellement opposées 82 et 84 du carter ainsi formées sont obturées, d'une part par un fond boulonné 86, sur lequel sont fixés les paliers 40 du rotor 38 et, d'autre part, par un deuxième fond 88 qui supporte le palier 56 dans lequel tourillonne l'arbre mené 54 et le piston d'équilibrage 70, et qui est fixé sur le carter par exemple au moyen d'anneaux de cisaillement 90.

[0027] Comme on le conçoit, l'invention qui vient d'être décrite, qui utilise un moteur électrique et un groupe compresseur disposés dans un carter commun étanche et dont les arbres respectivement menant et mené sont solidarisés au moyen d'un accouplement flexible disposé dans le gaz manipulé par le turbocompresseur, présente plusieurs avantages.

[0028] Tout d'abord, sur le plan de la conception mécanique, chacun des rotors, moteur et groupe compresseur, conserve le comportement vibratoire qui lui est propre. On notera que le rotor du moteur est en général de type rigide, avec la première vitesse critique de flexion au-dessus de la vitesse de rotation. Le rotor du compresseur est généralement de type flexible, avec la première vitesse critique de flexion au-dessous de la vitesse de rotation maximale. On évite ainsi de créer des modes propres de flexion couplés entre les deux rotors risquant de développer, lors du fonctionnement, des points chauds sur le rotor du moteur, constituant des balourds thermiques de phase et d'amplitude non contrôlable.

[0029] De plus, l'équilibrage dynamique des deux rotors est facilité du fait du découplage ainsi réalisé.

[0030] La présence d'un accouplement flexible facilite par ailleurs le positionnement de la première fréquence propre de torsion, et contribue en outre à diminuer la sollicitation dans le bout d'arbre du compresseur en cas de court-circuit électrique aux bornes du moteur.

[0031] Par ailleurs, sur le plan de la maintenance, l'accouplement souple peut être désaccouplé à partir de l'orifice 76 traversant le carter, et chacun des rotor et arbre mené, peut être extrait alors que l'autre continue à être supporté par ses deux paliers. De cette façon, les rotor et arbre mené sont protégés lors de cette opération, le remontage étant beaucoup plus rapide et le lignage et l'équilibrage dynamique facilités, en raison de l'accès aux deux plans centraux sur chaque bout d'arbre.

[0032] Par ailleurs, l'utilisation d'un fond boulonné d'un côté et d'un fonds retenu par anneaux de cisaillement de l'autre, pour l'obturation du carter, permet de faciliter le démontage du turbocompresseur. En effet, pour procéder à ce démontage, il convient tout d'abord d'ôter le fond boulonné 86 et d'extraire le groupe moteur 34.

[0033] En ce qui concerne le groupe compresseur 44, celui-ci est agencé de sorte que tout l'ensemble rotor-diaphragme puisse être tiré du corps en même temps que le fond 88, sans avoir à désolidariser le carter de son socle et des tuyauteries de gaz de procédé. On notera que, au cours de ces phases de montage-démontage, les rotors reposent sur leurs paliers respectifs sans risque d'endommagement des pièces tournantes ainsi que des pièces statoriques qui pourraient sinon entrer en contact avec les rotors lors de ces opérations.

[0034] On notera enfin que l'invention n'est pas limitée au mode de réalisation décrit.

[0035] En effet, alors que sur la figure 2, on a représenté un turbocompresseur muni d'un compresseur multi-étagé intégré en ligne à une seule section de compression et à quatre étages, l'invention s'applique également à d'autres types de moto-compresseurs, par exemple à deux sections S1 et S2 en ligne, par exemple à deux étages chacune, assurant à chacune la compression d'un gaz de procédé avec par exemple refroidissement intermédiaire. Dans ce cas, on prévoit, dans le carter, deux entrées E'1 et E'2 et deux sorties S'1 et S'2 en regard de l'entrée et de la sortie de chacune de ces sections (figure 3).

[0036] Dans ce cas, comme visible sur cette figure 3, le premier étage de compression de l'une des sections S2 peut être disposé en regard du deuxième étage de compression de l'autre section S1.

[0037] Au contraire, comme visible sur la figure 4, pour une configuration connue sous l'appellation "back to back", les premiers étages de compression de chacune des sections S1 et S2 peuvent être disposés côte à côte.

[0038] On notera enfin que, comme visible sur la figure 5, l'invention s'applique également à un agencement dans lequel on utilise, disposés dans un carter commun, un moteur 34 et deux groupes compresseurs 44' et 44", pourvus chacun d'étages respectifs de compression 46', 48', 50', 52' et 46", 48", 50" et 52" montés chacun sur un arbre mené 54' et 54", ces arbres 54' et 54" étant fixés à deux extrémités mutuellement opposées du rotor 38 du moteur en utilisant des accouplements flexibles 72' et 72". Bien entendu, cet agencement à deux groupes de compression peut utiliser l'un ou l'autre des agencements de compression décrits précédemment en référence aux figures 2 à 4.

[0039] Dans ce cas, selon cet agencement, selon lequel les groupes compresseurs sont disposés de part et d'autre du moteur, la pression régnant dans le moteur sera celle d'aspiration du côté basse pression.

[0040] Il est aussi possible que chacun des corps de compression possède des moyens d'extraction de gaz, ou des dispositifs de réinjection, ce qui augmente alors considérablement le nombre de combinaisons d'arrangements possibles.

[0041] On notera enfin que l'invention qui vient d'être décrite permet, outre la conservation des caractéristiques dynamiques des rotors, d'éviter complètement les fuites de gaz vers l'extérieur.

[0042] Elle permet également d'éliminer les garnitures d'étanchéité et leurs systèmes auxiliaires de surveillance.

Revendications

1. Groupe compresseur centrifuge, comprenant un moteur (34), au moins un compresseur (44 ; 44', 44") comportant un arbre mené (54 ; 54', 54") entraîné par le rotor (38) du moteur et un ensemble de roues à aubes montées sur l'arbre mené, l'ensemble constitué par le moteur et le compresseur étant monté dans un carter (55) commun étanche au gaz manipulé par le groupe compresseur, caractérisé en ce que le rotor et l'arbre mené sont liés par un accouplement flexible (72 ; 72' 72") disposé dans le carter.

2. Groupe compresseur selon la revendication 1, caractérisé en ce que le carter comporte plusieurs éléments de carter (55a, 55b) solidarisés entre eux de manière étanche, chaque élément de carter enfermant le moteur ou un compresseur.

3. Groupe compresseur selon la revendication 2, caractérisé en ce que le carter est pourvu d'un orifice (76) ménagé entre les éléments de carter adjacents pour l'accès à l'accouplement flexible, ledit orifice étant muni de moyens d'obturation étanche (78).

4. Groupe compresseur selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que l'accouplement flexible (72, 72', 72") comporte un élément choisi parmi un accouplement à diaphragme, un accouplement à lame flexible, et un accouplement à arbre torsible.

5. Groupe compresseur selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que chaque extrémité de l'arbre mené et du rotor est supportée par un palier d'extrémité (40, 42, 55, 56).

6. Groupe compresseur selon la revendication 5, caractérisé en ce que chaque palier d'extrémité (40, 42, 55, 56) est solidarisé au carter.

7. Groupe compresseur selon l'une des revendications 5 et 6, caractérisé en ce que les paliers d'extrémité sont des paliers magnétiques radiaux.

8. Groupe compresseur selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisé en ce qu'il comporte une butée axiale (62) sur laquelle s'appuie l'arbre mené du compresseur, lors du fonctionnement du turbocompresseur.

9. Groupe compresseur selon la revendication 8, caractérisé en ce que la butée axiale (62) est une butée magnétique.

Ansprüche

1. Kreiselverdichtereinheit, die einen Motor (34), mindestens einen Verdichter (44; 44`, 44") mit einer angetriebenen Welle (54; 54`, 54"), die vom Rotor (38) des Motors angetrieben wird, und eine Anordnung von an der angetriebenen Welle befestigten Laufrädern umfasst, wobei die Anordnung aus dem Motor und dem Verdichter an einem gemeinsamen Gehäuse (55), das gegenüber von der Verdichtereinheit verwendetem Gas dicht ist, befestigt ist, dadurch gekennzeichnet, dass der Rotor und die angetriebene Welle durch ein in dem Gehäuse angeordnetes flexibles Verbindungsstück (72; 72', 72") verbunden sind.

2. Verdichtereinheit nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Gehäuse mehrere Gehäuseelemente (55a, 55b) umfasst, die abdichtend fest miteinander verbunden sind, wobei jedes Gehäuseelement den Motor oder einen Verdichter umgibt.

3. Verdichtereinheit nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Gehäuse mit einer Öffnung (76) versehen ist, die zwischen den nebeneinanderliegenden Gehäuseelementen zum Zugang zum flexiblen Verbindungsstück vorgesehen ist, wobei die Öffnung mit Mitteln (78) zum dichten Verschließen versehen ist.

4. Verdichtereinheit nach einem der Ansprüche 1-3, dadurch gekennzeichnet, dass das flexible Verbindungsstück (72, 72', 72") ein Element umfasst, das unter einem Verbindungsstück aus einer Membran, einem Verbindungsstück aus einer flexiblen Lage und einem Verbindungsstück aus einer torsionselastischen Welle ausgewählt ist.

5. Verdichtereinheit nach einem der Ansprüche 1-4, dadurch gekennzeichnet, dass jedes Ende der angetriebenen Welle und des Rotors durch ein Endlager (40, 42, 55, 56) gestützt wird.

6. Verdichtereinheit nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass jedes Endlager (40, 42, 55, 56) fest mit dem Gehäuse verbunden ist.

7. Verdichtereinheit nach einem der Ansprüche 5 und 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Endlager magnetische Radiallager sind.

8. Verdichtereinheit nach einem der Ansprüche 1-7, dadurch gekennzeichnet, dass sie ein axiales Drucklager (62) umfasst, an dem die angetriebene Welle des Verdichters beim Betrieb des Turboladers anliegt.

9. Verdichtereinheit nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei dem axialen Drucklager (62) um ein magnetisches Drucklager handelt.

Claims

1. Centrifugal compressor unit, comprising a motor (34), at least one compressor (44; 44', 44") comprising a driven shaft (54; 54' , 54") driven by the rotor (38) of the motor, and a set of bladed disks mounted on the driven shaft, the assembly consisting of the motor and the compressor being mounted in a common casing (55) which is gas-tight with respect to the gas handled by the compressor unit, characterized in that the rotor and the driven shaft are connected via a flexible coupling (72; 72', 72") arranged in the casing.

2. Compressor unit according to Claim 1, characterized in that the casing comprises multiple casing elements (55a, 55b) which are secured to one another in a leak-tight manner, each casing element enclosing the motor or a compressor.

3. Compressor unit according to Claim 2, characterized in that the casing is provided with an opening (76) created between the adjacent casing elements to allow access to the flexible coupling, said opening being provided with leak-tight closure means (78).

4. Compressor unit according to any one of Claims 1 to 3, characterized in that the flexible coupling (72; 72', 72") comprises an element chosen from among a diaphragm coupling, a flexible strip coupling and a twistable shaft coupling.

5. Compressor unit according to any one of Claims 1 to 4, characterized in that each end of the driven shaft and of the rotor is supported by an end bearing (40, 42, 55, 56).

6. Compressor unit according to Claim 5, characterized in that each end bearing (40, 42, 55, 56) is secured to the casing.

7. Compressor unit according to one of Claims 5 and 6, characterized in that the end bearings are radial magnetic bearings.

8. Compressor unit according to any one of Claims 1 to 7, characterized in that it comprises an axial thrust bearing (62) against which the driven shaft of the compressor bears during operation of the turbocompressor.

9. Compressor unit according to Claim 8, characterized in that the axial thrust bearing (62) is a magnetic thrust bearing.

Dessins