Groupe motocompresseur La présente invention a pour objet un groupe motocompresseur.
Les groupes motocompresseurs étanches, notam ment ceux qui sont destinés à des fluides radioactifs ou à des fluides corrosifs, doivent assurer une sécu rité de fonctionnement et une étanchéité particulière ment sûre. De plus, il est souvent essentiel que ces conditions soient obtenues sans utiliser d'huile, notamment dans les paliers.
Le groupe motocompresseur, objet de l'invention est formé d'un compresseur centrifuge et d'un moteur électrique montés sur un arbre ayant des paliers de sustentation radiale et dont le déplacement axial est limité par au moins un palier de butée.
Il est carac térisé par le fait que ledit arbre sur lequel sont mon tés le compresseur et le moteur est sensiblement ver tical et prend appui au repos sur un palier de butée dont la position est déterminée de façon que le rotor du moteur électrique soit alors décalé vers le bas par rapport au stator de ce moteur, le compresseur étant constitué de façon que son rotor engendre en mar che une poussée axiale dirigée vers le haut, qui, à la mise en marche, s'ajoute à l'attraction magnétique axiale du moteur électrique et qui, ensuite, en mar che normale,
équilibre l'attraction magnétique axiale du moteur et le poids de la partie tournante à une position d'équilibre stable, où l'arbre est maintenu écarté du palier de butée.
Dans une forme d'exécution particulière, l'arbre est pourvu de guides longitudinaux qui assurent la sustentation radiale de l'arbre lorsqu'il prend appui au repos sur le palier de butée, mais dont l'arbre se dégage lorsqu'il est soulevé en position de marche par la poussée axiale du compresseur, le maintien de l'arbre étant alors assuré par lesdits paliers de susten tation radiale. Le dessin annexé représente, à titre d'exemple, une forme d'exécution du groupe motocompresseur objet de l'invention et deux variantes de détail.
La fig. 1 est une vue en coupe longitudinale par tielle de ladite forme d'exécution du groupe moto- compresseur étanche.
La fig. 2 est une demi-vue en coupe transversale d'un des paliers suivant l'axe II de la fig. 1.
La fig. 3 est une vue en coupe transversale par tielle d'un chemisage du stator du moteur électrique. La fig. 4 est une vue en coupe longitudinale d'une variante de guide longitudinal.
La fig. 5 est une vue en coupe longitudinale d'une autre variante de guide longitudinal.
On a, représenté, à titre d'exemple, un compres seur centrifuge de type connu dans lequel une volute d'entrée 2 débouche dans un carter par une ouver ture annulaire en face de l'ouverture annulaire d'as piration d'un rotor à action centrifuge 3 qui est calé à l'intérieur du carter sur un arbre vertical 1 avec son ouverture d'aspiration dirigée vers le haut de façon que ce rotor exerce en marche une poussée axiale tendant à soulever l'arbre.
Le moteur électrique est monté sous le compres seur. Il comporte un rotor à cage 4 calé sur l'arbre 1 et un stator 5 dont la face intérieure fait partie d'un carter cylindrique 6 qui est fermé de façon étan che à la partie inférieure par un flasque 11.
Le rotor 3 du compresseur est solidaire sur sa face inférieure d'une virole 7 qui entoure le bord supérieur du carter cylindrique 6 avec interposition d'une garniture d'étanchéité 8 entre la virole et une cale annulaire 9 montée sur le carter cylindrique. Un canal 10 traversant le rotor du compresseur au voi sinage de son axe met le carter cylindrique en com- munication avec l'aspiration du compresseur.
11 en résulte que la poussée axiale en marche provoquée par l'aspiration du compresseur dépendra à la fois du diamètre de l'ouverture annulaire d'aspiration du rotor et du diamètre intérieur de la virole 7. Cette poussée axiale pourra donc être déterminée à la valeur voulue en choisissant le diamètre de la virole 7 et l'épaisseur de la cale 9.
L'arbre vertical 1 est logé entièrement à l'intérieur du carter du compresseur et du carter cylindrique qui forment un ensemble étanche. La position de l'arbre représenté sur le dessin est celle qu'il occupe à l'arrêt. Il repose alors par son extrémité inférieure sur un palier de butée 14 montée dans un évidement sur la face intérieure du flasque 11.
Le rotor du moteur électrique est monté sur l'ar bre avec un décalage vers le bas par rapport à son stator et le rotor du compresseur est monté avec un même décalage vers le bas par rapport à la position qu'il doit occuper en marche en face du collecteur d'entrée. L'attraction magnétique axiale du moteur électrique sur son rotor sera ainsi dirigée vers le haut à la mise en marche et concourra avec la poussée axiale du rotor du compresseur pour soulever l'arbre et ses rotors à la position de marche normale. Lors que, en cours de marche, le rotor du moteur viendra à se trouver décalé vers le haut, l'attraction magné tique axiale changera de sens.
Il suffira donc de don ner à la poussée axiale en marche du compresseur une valeur convenable, en choisissant le diamètre de la virole 7, pour obtenir une position d'équilibre sta ble dans laquelle le rotor du moteur se trouve centré suffisamment correctement par rapport à son stator.
Le centrage de l'arbre à l'arrêt et en période de démarrage est obtenu par un dispositif de guidage longitudinal dont l'arbre se dégage lorsqu'il est sou levé en position de marche. Dans la forme d'exécu tion représentée, ce dispositif est constitué, d'une part, à l'extrémité inférieure de l'arbre par le palier de butée 14 qui comporte à cette fin un rebord for mant une cuvette, d'une profondeur telle que l'arbre s'en dégage lorsqu'il est soulevé à sa position de marche.
Un chanfrein à cette extrémité de l'arbre permet une entrée correcte dans cette cuvette.
Un second guide longitudinal est situé à la partie supérieure de l'arbre. Une pièce 15 de faible épais seur montée à l'extrémité du carter cylindrique com porte des ouvertures mettant ce carter en commu nication avec l'aspiration du compresseur et une ouverture centrale du diamètre de l'arbre dans la quelle est guidé celui-ci.
Une rainure annulaire 16 est ménagée autour de l'arbre sous la pièce 15 avec un décalage tel que, lorsque l'arbre est soulevé à sa position de marche, la rainure vienne en face de la pièce 15.
Il n'y aura donc en marche normale aucun con tact mécanique de l'arbre avec la pièce 15 ni avec le palier de butée 14. Il en résulte que le fonction nement du guide 15 et de la butée 14 peut avoir lieu à sec. En marche normale, le palier de butée 14 ne servira que de fin de course avec une vis de fin de course 22 à la partie supérieure qui est destinée à éviter tout contact accidentel entre le rotor 3 et la volute du compresseur.
Des paliers 12 et 13, destinés uniquement à main tenir le centrage de l'arbre en position de marche, sont montés dans le carter cylindrique de part et d'autre du rotor du moteur électrique. Ces paliers peuvent être d'un type quelconque, par exemple des paliers lisses. Il y aura intérêt que les jeux radiaux de ces paliers soient supérieurs à ceux du guide 15 et de la butée 14, pour qu'il n'y ait pas de frotte ment mécanique en période de démarrage sur les paliers 12 et 13, mais que les frottements aient lieu alors sur le guide 15 et le palier de butée 14.
Cette condition permet d'utiliser des paliers n'ayant à sup porter que des charges beaucoup plus faibles que pendant la période de démarrage. Ces paliers pour ront être avantageusement des paliers à pression de fluide dont la pression de fluide sera fournie par le compresseur.
On a représenté, à titre d'exemple, des paliers dans lesquels des chambres de pression 17 sont mé nagées sur la face interne de leurs coussinets. Ces chambres sont reliées au refoulement du compres seur par des canaux 19 et le retour de l'aspiration du compresseur est assuré par des canaux longitudi naux 18.
On pourrait aussi utiliser des paliers à gaz hydro- dynamiques créant eux-mêmes, en marche normale, la pression nécessaire à leur fonctionnement. Dans un cas comme dans l'autre, il n'existe aucune pres sion à l'arrêt et il est nécessaire, pendant les périodes de démarrage et d'arrêt, de guider l'arbre par un autre moyen, si l'on veut éviter les risques de dété riorations des paliers.
Un tel groupe motocompresseur pouvant être rendu complètement étanche et ne nécessitant pas de graissage, peut être utilisé pour faire circuler un gaz toxique ou radioactif. Dans le cas où le gaz est éga lement corrosif et susceptible d'attaquer les tôles magnétiques et les bobinages du moteur électrique, un chemisage adéquat 21 est prévu sur le rotor et sur le stator.
Le chemisage représenté est constitué de che mises métalliques soudées, mais on pourrait utiliser un revêtement ancré sur les tôles et les plateaux des flasques du moteur, notamment un revêtement en matière plastique, par exemple en téflon. L'ancrage peut être amélioré en faisant pénétrer ce revêtement dans les fentes d'encoches et en donnant à ces der nières une forme adéquate avec des rainures le long de leurs bords, comme il est représenté sur la fig. 3.
Afin d'éviter toute déformation des chemises, sus ceptibles de provoquer un frottement dans l'entrefer, on peut équilibrer les pressions de part et d'autre de celles-ci.
Enfin, le moteur est, par ailleurs, entouré d'un carter 2,3 pour y faire circuler un fluide de refroi dissement.
D'autres dispositifs de guidage longitudinal pour raient être également utilisés. La variante selon la fig. 4 permet d'avoir des surfaces en contact plus importantes. L'arbre et la pièce fixe traversée par l'arbre comportent des nervures annulaires de même largeur qui sont situées de façon à se trouver en vis- à-vis en période de guidage. Ces nervures sont suffi samment distantes entre elles pour que les nervures de l'arbre puissent venir. se
placer entre les nervures de la pièce fixe en marche normale.
Selon la variante de la fig. 5, l'arbre comporte une portée conique comprise entre deux portées cylindriques de diamètres différents. La pièce fixe formant guide comporte de même une portée conique entre deux portées cylindriques de diamètres diffé rents. Celle de plus grand diamètre devra avoir une longueur suffisamment faible pour que l'arbre puisse s'en dégager lorsqu'il est soulevé en position de mar che.
L'arbre comporte en outre une rainure annulaire qui, en position de marche normale, vient se placer en face de la portée cylindrique du guide de plus faible diamètre, mais cette dernière pourrait être sup primée ainsi que la rainure correspondante.
Motor-compressor group The present invention relates to a motor-compressor group.
Sealed motor-compressors, in particular those intended for radioactive fluids or corrosive fluids, must ensure operating safety and particularly secure sealing. In addition, it is often essential that these conditions be obtained without the use of oil, especially in the bearings.
The motor-compressor unit, object of the invention is formed of a centrifugal compressor and an electric motor mounted on a shaft having radial lift bearings and the axial displacement of which is limited by at least one thrust bearing.
It is charac terized by the fact that said shaft on which the compressor and the motor are mounted is substantially vertical and is supported at rest on a thrust bearing whose position is determined so that the rotor of the electric motor is then offset. downward with respect to the stator of this motor, the compressor being formed so that its rotor generates an axial thrust directed upwards, which, on starting, is added to the axial magnetic attraction of the electric motor and which, then, in normal operation,
balances the axial magnetic attraction of the motor and the weight of the rotating part at a stable equilibrium position, where the shaft is kept away from the thrust bearing.
In a particular embodiment, the shaft is provided with longitudinal guides which provide the radial lift of the shaft when it is supported at rest on the thrust bearing, but from which the shaft is released when it is lifted. in the operating position by the axial thrust of the compressor, the maintenance of the shaft then being ensured by said radial support bearings. The appended drawing represents, by way of example, one embodiment of the motocompressor unit which is the subject of the invention and two variant details.
Fig. 1 is a view in partial longitudinal section of said embodiment of the sealed motor-compressor unit.
Fig. 2 is a half-view in cross section of one of the bearings along the axis II of FIG. 1.
Fig. 3 is a view in transverse section through a liner of the stator of the electric motor. Fig. 4 is a longitudinal sectional view of an alternative longitudinal guide.
Fig. 5 is a view in longitudinal section of another variant of the longitudinal guide.
There is shown, by way of example, a centrifugal compressor of known type in which an inlet volute 2 opens into a casing via an annular opening opposite the annular suction opening of a rotor. centrifugal action 3 which is wedged inside the housing on a vertical shaft 1 with its suction opening directed upwards so that this rotor exerts an axial thrust in motion tending to lift the shaft.
The electric motor is mounted under the compressor. It comprises a cage rotor 4 wedged on the shaft 1 and a stator 5, the inner face of which forms part of a cylindrical casing 6 which is sealed at the lower part by a flange 11.
The rotor 3 of the compressor is integral on its lower face with a ferrule 7 which surrounds the upper edge of the cylindrical casing 6 with the interposition of a seal 8 between the ferrule and an annular shim 9 mounted on the cylindrical casing. A channel 10 passing through the rotor of the compressor around its axis places the cylindrical housing in communication with the suction of the compressor.
11 results from this that the axial thrust in operation caused by the suction of the compressor will depend both on the diameter of the annular suction opening of the rotor and on the internal diameter of the shell 7. This axial thrust can therefore be determined at the desired value by choosing the diameter of the shell 7 and the thickness of the shim 9.
The vertical shaft 1 is housed entirely inside the compressor casing and the cylindrical casing which form a sealed assembly. The position of the shaft shown in the drawing is that which it occupies when stationary. It then rests by its lower end on a thrust bearing 14 mounted in a recess on the inner face of the flange 11.
The rotor of the electric motor is mounted on the shaft with an offset downwards with respect to its stator and the rotor of the compressor is mounted with the same offset downwards with respect to the position which it must occupy during operation. face of the inlet manifold. The axial magnetic attraction of the electric motor on its rotor will thus be directed upwards on start-up and will work together with the axial thrust of the compressor rotor to lift the shaft and its rotors to the normal operating position. When the rotor of the motor is shifted upwards during operation, the axial magnetic attraction will change direction.
It will therefore suffice to give the axial thrust in operation of the compressor a suitable value, by choosing the diameter of the shell 7, to obtain a stable position of equilibrium in which the rotor of the motor is centered sufficiently correctly with respect to its stator.
The centering of the shaft when stopped and during the start-up period is obtained by a longitudinal guide device, the shaft of which is released when it is lifted into the running position. In the embodiment shown, this device consists, on the one hand, at the lower end of the shaft by the thrust bearing 14 which for this purpose comprises a flange forming a bowl, with a depth such that the tree disengages from it when lifted to its running position.
A chamfer at this end of the shaft allows proper entry into this bowl.
A second longitudinal guide is located at the top of the shaft. A thin piece 15 mounted at the end of the cylindrical housing comprises openings putting this housing in communication with the suction of the compressor and a central opening of the diameter of the shaft in which the latter is guided.
An annular groove 16 is formed around the shaft under the part 15 with an offset such that, when the shaft is raised to its running position, the groove comes in front of the part 15.
In normal operation, therefore, there will be no mechanical contact of the shaft with the part 15 or with the thrust bearing 14. As a result, the operation of the guide 15 and of the stop 14 can take place dry. In normal operation, the thrust bearing 14 will only serve as a limit switch with a limit switch 22 at the upper part which is intended to prevent any accidental contact between the rotor 3 and the volute of the compressor.
Bearings 12 and 13, intended solely to keep the centering of the shaft in the operating position, are mounted in the cylindrical housing on either side of the rotor of the electric motor. These bearings can be of any type, for example plain bearings. It will be advantageous for the radial clearances of these bearings to be greater than those of the guide 15 and of the stop 14, so that there is no mechanical friction during the start-up period on the bearings 12 and 13, but that friction then takes place on the guide 15 and the thrust bearing 14.
This condition makes it possible to use bearings which only have to support much lower loads than during the starting period. These bearings may advantageously be fluid pressure bearings, the fluid pressure of which will be supplied by the compressor.
Bearings have been shown, by way of example, in which pressure chambers 17 are formed on the internal face of their bearings. These chambers are connected to the discharge of the compressor by channels 19 and the return of the compressor suction is provided by longitudinal channels 18.
It would also be possible to use hydrodynamic gas bearings, which themselves create, in normal operation, the pressure necessary for their operation. In either case, there is no stopping pressure and it is necessary, during the starting and stopping periods, to guide the shaft by another means, if desired. avoid the risk of damage to the bearings.
Such a compressor unit which can be made completely sealed and does not require lubrication, can be used to circulate a toxic or radioactive gas. In the case where the gas is also corrosive and liable to attack the magnetic sheets and the windings of the electric motor, a suitable sleeve 21 is provided on the rotor and on the stator.
The liner shown is made up of welded metal cheeks, but one could use a coating anchored on the sheets and the plates of the engine end shields, in particular a plastic coating, for example Teflon. The anchoring can be improved by making this coating penetrate into the notch slots and by giving the latter a suitable shape with grooves along their edges, as shown in fig. 3.
In order to avoid any deformation of the liners, which may cause friction in the air gap, the pressures on either side of them can be balanced.
Finally, the engine is, moreover, surrounded by a casing 2, 3 to circulate therein a cooling fluid.
Other longitudinal guiding devices could also be used. The variant according to FIG. 4 makes it possible to have larger contact surfaces. The shaft and the fixed part through which the shaft passes have annular ribs of the same width which are located so as to face each other during the guiding period. These ribs are sufficiently distant from each other so that the ribs of the tree can come. itself
place between the ribs of the fixed part in normal operation.
According to the variant of FIG. 5, the shaft has a conical seat between two cylindrical seats of different diameters. The fixed part forming a guide likewise has a conical bearing surface between two cylindrical bearing surfaces of different diameters. The larger diameter should be of a short enough length so that the tree can free itself from it when it is lifted into the walking position.
The shaft further comprises an annular groove which, in the normal running position, is placed opposite the cylindrical bearing surface of the guide of smaller diameter, but the latter could be deleted as well as the corresponding groove.