EP0000131B1 - Procédé et dispositif de lubrification de compresseurs - Google Patents

Procédé et dispositif de lubrification de compresseurs Download PDF

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EP0000131B1
EP0000131B1 EP78100127A EP78100127A EP0000131B1 EP 0000131 B1 EP0000131 B1 EP 0000131B1 EP 78100127 A EP78100127 A EP 78100127A EP 78100127 A EP78100127 A EP 78100127A EP 0000131 B1 EP0000131 B1 EP 0000131B1
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oil
bearings
gear train
valve
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EP78100127A
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Fernand Libis
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Alstom SA
Original Assignee
Alsthom Atlantique SA
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F04—POSITIVE - DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS FOR LIQUIDS OR ELASTIC FLUIDS
    • F04C—ROTARY-PISTON, OR OSCILLATING-PISTON, POSITIVE-DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; ROTARY-PISTON, OR OSCILLATING-PISTON, POSITIVE-DISPLACEMENT PUMPS
    • F04C18/00—Rotary-piston pumps specially adapted for elastic fluids
    • F04C18/08—Rotary-piston pumps specially adapted for elastic fluids of intermeshing-engagement type, i.e. with engagement of co-operating members similar to that of toothed gearing
    • F04C18/12—Rotary-piston pumps specially adapted for elastic fluids of intermeshing-engagement type, i.e. with engagement of co-operating members similar to that of toothed gearing of other than internal-axis type
    • F04C18/14—Rotary-piston pumps specially adapted for elastic fluids of intermeshing-engagement type, i.e. with engagement of co-operating members similar to that of toothed gearing of other than internal-axis type with toothed rotary pistons
    • F04C18/16—Rotary-piston pumps specially adapted for elastic fluids of intermeshing-engagement type, i.e. with engagement of co-operating members similar to that of toothed gearing of other than internal-axis type with toothed rotary pistons with helical teeth, e.g. chevron-shaped, screw type
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F04—POSITIVE - DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS FOR LIQUIDS OR ELASTIC FLUIDS
    • F04C—ROTARY-PISTON, OR OSCILLATING-PISTON, POSITIVE-DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; ROTARY-PISTON, OR OSCILLATING-PISTON, POSITIVE-DISPLACEMENT PUMPS
    • F04C29/00—Component parts, details or accessories of pumps or pumping installations, not provided for in groups F04C18/00 - F04C28/00
    • F04C29/02—Lubrication; Lubricant separation
    • F04C29/021—Control systems for the circulation of the lubricant
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y10—TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC
    • Y10S—TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y10S418/00—Rotary expansible chamber devices
    • Y10S418/01—Non-working fluid separation

Definitions

  • the present invention relates to a method of lubricating compressors, in particular of the helical type.
  • the quantity of oil necessary for this purpose is a function of the quantity of calories to be removed, since the temperature of the mixture of air and oil discharged from the compressor must be within a well-defined temperature range, in order to avoid water condensation in the oil tank on the one hand, and auto-ignition of the air-oil mixture on the other.
  • the object of the invention is to simplify the auxiliary circuit and, therefore, to make it less expensive and more reliable.
  • the subject of the invention is therefore a method of lubricating a compressor with a fluid of the type comprising a compression chamber in which at least two rotors are driven in rotation by at least one gear and each rotate on two end bearings , said bearings and gear being housed in flanges acting as scrolls, namely a suction flange and a delivery flange, said gear being linked to a driving shaft, the sealing of said shaft being ensured, suction side, by a seal with friction grain, characterized in that, under operating conditions under load, said compression chamber, said bearings, said gear, as well as said friction grain seal are supplied with oil from a separating tank and under high pressure and substantially equal to that prevailing in said separator tank, while under idling conditions said compression chamber and said bearings housed in said delivery flange ent are supplied with oil from said separator tank but under low pressure, the bearings, said gear, as well as said friction grain seal housed in said suction flange being independently supplied with oil coming directly from the exhaust or discharge
  • the invention also relates to a device for implementing the method according to claim 1, characterized in that it comprises two circuits, a main circuit and a secondary circuit, said main circuit comprising a pipe having its source in said separator tank of oil and subdivided into three branches, a first branch supplying said compression chamber, a second branch supplying said bearings, said gear and said friction grain seal housed in said suction flange via a valve, and a third branch supplying said bearings housed in said delivery flange, said secondary circuit comprising a pipe originating directly from the compressor exhaust, leading to a valve, then subdivided into two branches, a first branch supplying the bearings and the gear housed in said suction flange, by means of a valve, e t a second bypass supplying the rubbing grain seal.
  • the compressor lubricated in the known manner and represented in FIG. 1 therefore comprises a compression block 1 in which two helical rotors rotate, a male rotor 2 and a female rotor 3, the male rotor 2 being driven by means of a motor 4 and by means of a gear 5 cooperating with a universal joint 6, housings such as 7 ensuring sealing
  • This line 9 opens into an oil separator tank 10 above, of course, the oil level 11. Compressed air is therefore evacuated to the place of use via the pipe 12 according to the arrows, after having abandoned the oil particles entrained at the level of a filter 13.
  • the suction 8 is therefore partially obstructed in order to reduce the pressure in the separator tank 10 and consequently the compression power.
  • the Applicant has therefore sought to remedy such a drawback and to significantly reduce the power consumed when idling, and this by implementing a simple, inexpensive and reliable additional lubrication circuit.
  • the compressor shown in FIG. 2 comprises a casing 20 or compression block inside which two rotors move in rotation, a male rotor 21 and a female rotor 22 of helical type. These rotors rotate on ball or roller bearings, namely bearings 23 and 24 for the male rotor 21 and bearings 25 and 26 for the female rotor 22.
  • Such bearings are housed in flanges 27 and 28, the flange 27 acting as a suction scroll, while the flange 28 assumes the role of discharge or exhaust scroll.
  • the male rotor 21 has a shaft end (not shown) on which a multiplier gear train 29 is keyed linked to a driving shaft 30 journalled on bearings 31 and 32, the seal being ensured by means of a seal grain rubbing 33.
  • two lubrication circuits are used, a main circuit and a secondary or additional circuit.
  • the pressure drops in said branches are predetermined so that the oil flow is sufficient.
  • the valve V2 is closed, but the oil still feeds the compression chamber 20 as well as the various organs on the discharge side by the branches 40a and 40c according to, of course, a low flow rate which is nevertheless sufficient.
  • the secondary lubrication circuit has a high conductance, taking into account the relatively low pressure prevailing at point B.
  • valves V1 and V3 close, the valve V2 opens and so on.
  • the no-load power is divided by a coefficient at least equal to 2.5.

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Description

  • La présente invention a pour objet un procédé de lubrification de compresseurs notamment du type hélicoïdal.
  • Elle vise également un dispositif de mise en oeuvre dudit procédé.
  • On sait que dans les compresseurs l'huile acheminée dans les circuits de lubrification assume plusieurs fonctions principales:
    • En premier lieu, une fonction dé ftuide caloporteur pour éliminer les calories résultant de la compression du fluide, l'air par exemple.
    • En deuxième lieu, une fonction d'étanchéité et cela en constituant des joints visqueux au niveau des diverses lignes de fuite et de jeux internes.
    • En troisième lieu, la fonction de lubrification proprement dite des divers organes tels que roulements, paliers, trains d'engrenage, joints d'étanchéité frottants et autres.
  • En ce qui concerne en particulier la fonction de fluide caloporteur, on comprend aisément que la quantité d'huile nécessaire dan ce but est fonction de la quantité de calories à évacuer, car la température du mélange d'air et d'huile refoulé du compresseur doit se situer dans un intervalle de température bien déterminé et cela dans le but d'éviter les condensations d'eau dans le réservoir d'huile d'une part, et l'auto-inflammation du mélange air-huile d'autre part.
  • Donc en régime de marche à vide la quantité de calories à évacuer est moindre qu'en régime de marche en charge et les besoins en huile sont réduits.
  • On sait faire fâce à ce problème en prévoyant deux circuits de lubrification distincts pour les deux régimes (voir par exemple brevets français 1 429 488 et 1 574 479). Néanmoins, cela conduit à des dispositifs complexes et coûteux, qui comportent pour le circuit secondaire un réservoir auxiliaire, au moins une pompe de circulation d'huile, des vannes et étrangleurs de régulation du débit d'huile etc.
  • L'invention a pour but de simplifier le circuit auxiliaire et, de ce fait, de la rendre moins coûteux et plus fiable.
  • L'invention a donc pour objet un procédé de lubrification d'un compresseur d'un fluide du type comportant une chambre de compression dans laquelle au moins deux rotors sont entraînés en rotation par au moins un engrenage et tourillonnent chacun sur deux paliers d'extrémité, lesdits paliers et engrenage étant logés dans des flasques faisant office de volutes, savoir un flasque d'aspiration et un flasque de refoulement, ledit engrenage étant lié a un arbre menant, l'étanchéité dudit arbre étant assurée, côté aspiration, par un joint à grain frottant, caractérise par le fait que, en régime de marche en charge, ladite chambre de compression, lesdits paliers, ledit engrenage, ainsi que ledit joint à grain frottant sont alimentés en huile provenant d'un réservoir séparateur et sous une pression élevée et sensiblement égale à celle régnant dans ledit réservoir séparateur, tandis qu'en régime de marche à vide ladite chambre de compression et lesdits paliers logés dans ledit flasque de refoulement sont alimentés par l'huile provenant dudit réservoir séparateur mais sous faible pression, les paliers, ledit engrenage, ainsi que ledit joint à grain frottant logés dans ledit flasque d'aspiration étant indépendamment alimentés en huile provenant directement de l'échappement ou refoulement du compresseur et sous une pression légèrement supérieure à la pression atmosphérique.
  • L'invention concerne également un dispositif de mise en oeuvre du procédé selon la revendication 1, caractérisé par le fait qu'il comporte deux circuits, un circuit principal et un circuit secondaire, ledit circuit principal comprenant une canalisation prenant sa source dans ledit réservoir séparateur d'huile et se subdivisant en trois dérivations, une première dérivation alimentant ladite chambre de compression, une deuxième dérivation alimentant lesdits paliers, ledit engrenage et ledit joint à grain frottant logés dans ledit flasque d'aspiration par l'intermédiaire d'une vanne, et une troisième dérivation alimentant lesdits paliers logés dans ledit flasque de refoulement, ledit circuit secondaire comprenant une canalisation prenant sa source directement à l'échappement du compresseur, aboutissant à une vanne, puis se subdivisant en deux dérivations, une première dérivation alimentant les paliers et l'engrenage logés dans ledit flasque d'aspiration, par l'intermédiaire d'une vanne, et une deuxième dérivation alimentant le joint à grain frottant.
  • Les inconvénients de l'art antérieur et les avantages de la présente invention seront mieux mis en évidence par la description qui va suivre, description donnée en référence aux dessins annexés dans lesquels:
    • La figure 1 représente un compresseur lubrifié selon l'art antérieur.
    • La figure 2 représente à titre purement illustratif mais nullement limitatif un compresseur lubrifié selon l'invention.
  • Le compresseur lubrifié à la manière connue et représenté figure 1 comprend donc un bloc de compression 1 dans lequel tournent deux rotors hélicoïdaux, un rotor mâle 2 et un rotor femelle 3,' lè rotor mâle 2 étant entraîné au moyen d'un moteur 4 et par l'intermédiaire d'un engrenage 5 coopérant avec un joint à la cardan 6, des boîtiers tels que 7 assurant l'étanchéité
  • L'air atmosphérique pénètre dans le bloc 1 par l'intermédiaire d'un filtre 8 et après compression s'échappe par une canalisation 9. Cette canalisation 9 débouche dans un réservoir-séparateur d'huile 10 au-dessus, bien entendu, du niveau d'huile 11. L'air comprimé est donc évacué vers le lieu d'utilisation par l'intermédiaire de la canalisation 12 selon les flèches, après avoir abandonné les particules d'huile entraînées au niveau d'un filtre 13.
  • La lubrification est assurée de la façon suivante:
    • . En régime de marche à pleine charge, l'huile comprimée par l'air débouchant de la canalisation 9 emprunte la canalisation 14 puis est refroidie dans un refroidisseur 15 et cela par cheminement dans un serpentin 16 refroidi par un ventilateur à air 17 entraîné par le moteur 4. L'huile ainsi refroidie emprunte alors la canalisation 18 pour déboucher dans le bloc de compression 1 où elle s'échauffe par suite de la compression de l'air qui la refoule ensuite dans la canalisation 9 et ainsi de suite.
    • En régime de marche à vide on conçoit aisément que les besoins en huile sont réduits. En effet, si la quantité d'huile nécessaire aux fonctions d'étanchéité et de lubrification des organes est pratiquement indépendante du régime de marche, par contre la quantité d'huile nécessaire pour la fonction caloporteur peut être réduite en régime de marche à vide.
  • Dans ce but on obstrue donc partiellement l'aspiration 8 afin de réduire la pression dans le réservoir séparateur 10 et en conséquence la puissance de compression.
  • Cependant, la sujétion résultant de la nécessité d'obtenir une circulation d'huile suffisante dans le but d'assurer les fonctions détanchéité et de lubrification limite une telle réduction de pression, de sorte qu'en régime de marche à vide le compresseur consomme encore 35 à 40% de sa puissance en charge, environ.
  • La Demanderesse a donc cherché à remédier à un tel inconvénient et à réduire notablement la puissance consommée en marche à vide, et cela en mettant en oeuvre un circuit de lubrification additionnel simple, peu onéreux et fiable.
  • On va donc décrire, en référence à la figure 2, un tel procédé de lubrification, ainsi que le dispositif de mise en oeuvre, appliqués à un compresseur à air, et cela à titre purement illustratif mais nullement limitatif.
  • Le compresseur représenté figure 2 comprend un carter 20 ou bloc de compression à l'intérieur duquel se meuvent en rotation deux rotors, un rotor mâle 21 et un rotor femelle 22 de type hélicoîdal. Ces rotors tourillonnent sur des paliers à billes ou à rouleaux, à savoir les paliers 23 et 24 pour le rotor mâle 21 et les paliers 25 et 26 pour le rotor femelle 22. De tels paliers sont logés dans des flasques 27 et 28, le flasque 27 faisant office de volute d'aspiration, tandis que le flasque 28 assume le rôle de volute de refoulement ou d'échappement.
  • Le rotor mâle 21 comporte un bout d'arbre (non représenté) sur lequel est claveté un train d'engrenage multiplicateur 29 lié à un arbre menant 30 tourillonnant sur des roulements 31 et 32, l'étanchéité étant assurée au moyen d'un joint à grain frottant 33.
  • Ayant ainsi décrit un compresseur, en soi connu, on va maintenant mettre en lumière l'invention, dont les avantages ressortiront de la présente description.
  • On voit donc en référence à la figure 2 que les organes qui doivent être lubrifiés en per manence sont les suivants:
    • En premier lieu, le bloc de compression 20 et cela par un débit d'huile variable en fonction de la puissance de compression (fonction caloporteur) mais minimal en vue d'assurer l'étanchéité.
    • En deuxième lieu, les paliers et roulements 23,24,25,26,31 et 32.
    • En troisième lieu, le train d'engrenage multiplicateur 29.
  • Enfin, le joint à grain frottant 33.
  • Le débit d'huile nécessaire à ces derniers organes doit bien entendu être sensiblement constant.
  • Compte tenu des précédentes considérations, et conformément à l'invention on met en oeuvre deux circuits de lubrification, un circuit principal et un circuit secondaire ou additionnel.
  • Le circuit principal comporte une canalisation 40 prenant sa source dans le réservoir séparateur, non représenté, mais analogue à celui référencé 10 figure 1. Cette canalisation 40 se subdivise au point A en 3 branches ou dérivations:
    • Une première dérivation 40a alimentant le bloc de compression 20.
    • Une deuxième dérivation 40b alimentant les roulements et paliers 23, 25, 31 le train d'engrenage 29 et le joint frottant 33 par l'intermédiaire de conduits tels que 41.
  • Cette dérivation 40b peut être ouverte ou fermée par une vanne V2.
    • Une troisième dérivation 40c alimentant les paliers 24 et 26 par l'intermédiaire d'un conduit 42.
  • Le circuit secondaire comporte une canalisation 43 prenant sa source au volute de refoulement en B ou échappement du compresseur. Cette canalisation 43 aboutit à une vanne V1 commandée par la pression d'huile existant au point C. De la vanne V1, ladite canalisation 43 se subdivise en deux branches ou dérivations:
    • Une première dérivation 43a alimentant les roulements et paliers 23, 25, 31, le train d'engrenage 29 par l'intermédiare des conduits 41, cette canalisation étant ouverte ou fermée par une vanne V3.
    • Une deuxième dérivation 43b alimentant le joint frottant 33 ainsi que le roulement 32.
  • Le dispositif selon l'invention fonctionne de la façon suivante:
    • Lorsque la compresseur fonctionne en régime de charge, la pression dans la réservoir séparateur où prend sa source la canalisation 40 est élevée, soit 7 à 10 bars selon le débit. Au point A ainsi qu'au point B la pression est également élevée, tout au plus inférieure de 200 gr/cm2 à celle régnant dans ledit réservoir séparateur. Il en résulte que l'huile emprunte les derivations 40a, 40b et 40c et alimente la chambre de compression 20 ainsi que les divers roulements paliers, train d'engrenage et joint frottant précédemment décrits, selon un débit élevé, tant du côté aspiration que du côté refoulement.
  • Bien entendu les pertes de charge dans lesdites dérivations sont prédéterminées pour que le débit d'huile soit suffisant.
  • Lorsque le compresseur fonctionne à vide, la pression dans le reservoir séparateur est relativement faible et au point B elle est environ de 20gr/cm2 supérieure à la pression atmosphérique. Elle est également faible au point C. En conséquence la vanne V1 s'ouvre et l'huile acheminée par la pression régnant au point B, ouvre la vanne V3 et lubrifie par l'intermédiaire des dérivations 43a et 43b les divers organes côté aspiration.
  • Dans le même temps, la vanne V2 s'est fermée, mais l'huile alimente toujours la chambre de compression 20 ainsi que les divers organes côté refoulement par les dérivations 40a et 40c selon, évidemment, un faible débit néanmoins suffisant. On notera que la circuit de lubrification secondaire présente une conductance élevée, compte tenu de la pression relativement faible régnant au point B.
  • Lorsque le compresseur reprend à nouveau son régime en charge, les vannes V1 et V3 se ferment, la vanne V2 s'ouvre et ainsi de suite.
  • On voit donc qu'une telle lubrification selon l'invention permet en marche à vide d'assurer l'alimentation en huile des organes situés côté aspiration selon une faible pression mais cependant suffisante, ce qui se traduit par une économie importante sur la puissance de compression.
  • Un tel avantage est bien entendu impossible à obtenir avec les systèmes de lubfrication conventionnels qui travaillent en marche à vide à des pressions de refoulement de 3 à 4 bars, ce qui réduit la consommation de 35 à 40% seulement par rapport à celle en charge. Au contraire, selon l'invention, la pression de refoulement se trouve, grâce au circuit secondaire, réduite à une valeur légèrement supérieure à la pression atmosphérique, d'où diminution importante de la puissance de compression et de la consommation qui n'est plus que de 12 à 15% de la puissance en charge.
  • Autrement dit, par rapport aux machines conventionnelles la puissance à vide est divisée par un coefficient au moins égal à 2,5.
  • Bien entendu, l'invention n'est nullement limitée au mode de réalisation qui vient d'être décrit mais elle en couvre au contraire toutes les variantes à la portée de l'homme de l'art.

Claims (4)

1. Procédé de lubrification d'un compresseur d'un fluide du type comportant une chambre de compression (20) dans laquelle au moins deux rotors (21, 22) sont entraînés en rotation par au moins un dengrenage (29) et tourillonnent chacun sur deux paliers d'extrémité (23, 24, 25, 26) lesdits paliers et engrenage étant logés dans des flasques (27, 28) faisant office de volutes, savoir un flasque d'aspiration (27) et un flasque de refoulement (28), ledit engrenage (29) étant lié à un arbre menant (30) l'étanchéité dudit arbre étant assurée côté aspiration par un joint à grain frottant (33), caractérisé par le fait que, en régime de marche en charge, ladite chambre de compression (20), lesdits paliers (23, 24, 25, 26), ledit engrenage (29) ainsi que ledit joint à grain frottant (33) sont alimentés en huile provenant d'un réservoir séparateur (10) et sous une pression élevée et sensiblement égale à celle régnant dans ledit réservoir séparateur, tandis qu'en régime de marche à vide ladite chambre de compression (20), lesdits paliers (24, 26) logés dans ledit flasque de refoulement (28) sont alimentés par l'huile provenant dudit réservoir séparateur (10) mais sous faible pression, les paliers (23, 25), ledit engrenage (29) ainsi que ledit joint à grain frottant (33) logés dans ledit flasque d'aspiration (27) étant indépendamment alimentés en huile provenant directement de l'échappement ou refoulement du compresseur et sous une pression légèrement supérieure à la pression atmosphérique.
2. Dispositif de mise en oeuvre du procédé selon la revendication 1, caractérisé par le fait qu'il comporte deux circuits, un circuit principal et un circuit secondaire, ledit circuit principal comprenant une canalisation (40) prenent sa source dans ledit réservoir séparateur d'huile (10) et se subdivisant en trois dérivations, une première dérivation (40a) alimentant ladite chambre de compression (20), une deuxième dérivation (40b) alimentant lesdits paliers (23, 25), ledit engrenage (29) et ledit joint à grain frottant (33) logés dans ledit flasque d'aspiration (27) par l'intermédiaire d'une vanne (V2), et une troisième dérivation (40c) alimentant lesdits paliers logés (24, 26) dans ledit flasque de refoulement (28), ledit circuit secondaire comprenant une canalisation (43) prenant sa source directement à l'échappement du compresseur, aboutissant à une vanne (V1), puis se subdivisant en deux dérivations, une première dérivation (43a) alimentant les paliers (23, 25) et l'engrenage (29) logés dans ledit flasque d'aspiration (27), par l'intermédiaire d'une vanne (V3), et une deuxième dérivation (43b) alimentant notamment le joint à grain frottant (33).
3. Dispositif selon la revendication 2, caractérisé par le fait que lesdites vannes (V1, V2, V3) sont des vannes à commande par pression d'huile selon le régime de marche du compresseur, tel qu'en régime de marche du compresseur en charge la vanne (V2) de la deuxième dérivation (40b) du circuit principal se trouve en position ouverte, tandis que la vanne (V1) de la canalisation (43) du circuit secondaire se trouve en position fermée, alors qu'en régime de marche du compresseur à vide, la vanne (V2) de la deuxième dérivation (40b) du circuit principal se trouve en position fermée, tandis que les vannes (V1, V3) de la canalisation (43) et de la première dérivation (43a) du circuit secondaire se trouvent en position ouverte.
4. Dispositif selon l'une des revendications 2 et 3, caractérisé par le fait que ledit circuit secondaire présente une conductance élevée.
EP78100127A 1977-06-17 1978-06-12 Procédé et dispositif de lubrification de compresseurs Expired EP0000131B1 (fr)

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EP0000131A1 EP0000131A1 (fr) 1979-01-10
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US (1) US4173440A (fr)
EP (1) EP0000131B1 (fr)
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