EP0143684A1 - Machine de compression d'un fluide, à plusieurs étages de compression en série - Google Patents

Machine de compression d'un fluide, à plusieurs étages de compression en série Download PDF

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EP0143684A1
EP0143684A1 EP84402052A EP84402052A EP0143684A1 EP 0143684 A1 EP0143684 A1 EP 0143684A1 EP 84402052 A EP84402052 A EP 84402052A EP 84402052 A EP84402052 A EP 84402052A EP 0143684 A1 EP0143684 A1 EP 0143684A1
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compressors
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compressor
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Pierre Ferdinand Jean Sagnes
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Bertin Technologies SAS
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Bertin et Cie SA
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F04—POSITIVE - DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS FOR LIQUIDS OR ELASTIC FLUIDS
    • F04D—NON-POSITIVE-DISPLACEMENT PUMPS
    • F04D25/00—Pumping installations or systems
    • F04D25/16—Combinations of two or more pumps ; Producing two or more separate gas flows

Definitions

  • the invention relates to a machine for compressing a fluid, comprising several compression stages in series constituted by compressors of different types.
  • centrifugal compressors When it is desired to obtain fluid flow rates of the order of a few hundred to a few tens of thousands of m 3 per hour at a pressure between approximately 100-150 and 300-350 bars, it is already known to associate centrifugal compressors to reciprocating piston compressors or to screw compressors, the fluid being compressed first by centrifugal compressors, then by piston or screw compressors.
  • Such a set of compressors can in particular produce compressed gas intended to be injected into an oil table (which can be underground or underwater) for enhanced oil recovery.
  • This known method of exploiting an oil field is characterized, among other things, by a reduction in the gas flow rate required as the oil is extracted.
  • This reduction in flow rate constitutes a major drawback when the compressed gas is supplied by a set of centrifugal compressors and piston or screw compressors, since there is then a risk of reaching the "pumping limit", below which there are oscillated very high pressure and vibrations that can destroy the compressors.
  • piston or screw compressors which are associated with centrifugal compressors have their own drawbacks: significant cost and size, frequent and expensive maintenance, noise and vibrations in operation. They must also be connected by gear boxes to the drive means of the centrifugal compressors.
  • the invention particularly relates to a fluid compression machine, operating in the above range of flow rates and pressures, which has none of the drawbacks of the prior art.
  • the invention also relates to a machine of this type which is compact, unitary and compact.
  • the invention also relates to a machine of this type having a reliability much higher than that of equivalent machines of the prior art.
  • a fluid compression machine intended in particular to deliver a fluid flow rate of the order of a few hundred to a few tens of thousands of m 3 per hour at a pressure of between 150 and 300 bars approximately.
  • a fluid compression machine comprising several compression stages in series constituted by compressors of different types, characterized by the combination of at least one centrifugal compressor forming an input stage of the machine and at least one peripheral compressor forming a stage of out of this machine.
  • peripheral compressors which can also be called in the pulse compressors, recovery compressors, friction compressors
  • centrifugal compressors makes it possible to obtain a particularly compact machine in which the rotors of the peripheral compressors have diameters at roughly equal to those of the rotors of centrifugal compressors and can be driven at the same speed of rotation as the rotors of centrifugal compressors, which allows all the compressors to be mounted on the same rotary drive shaft.
  • peripheral compressors do not exhibit any pumping phenomenon when the fluid flow rate decreases and make it possible to obtain manometric powers several times higher than those of centrifugal compressors.
  • the machine according to the invention can therefore comprise centrifugal compressors which are less loaded than those of equivalent prior machines and which are less sensitive to the pumping phenomenon, without having to multiply their number.
  • centrifugal compressors and the peripheral compressors mounted on the same drive shaft can be housed in the same casing, of which possibly only one end is leaktightly crossed by the drive shaft, the free end of this shaft being received with the interposition of a thrust bearing in a blind housing at the other end of the casing.
  • the drive shaft of the centrifugal and peripheral compressors of the machine can be in direct engagement with an appropriate motor means, such as a gas turbine.
  • the machine according to the invention thus combines, in the same casing and on the same drive shaft in direct engagement with the medium motor, centrifugal compressors and peripheral compressors ensuring all the compression of the fluid.
  • FIG. 1 represents, by way of example, a particularly advantageous application of the invention to an enhanced oil recovery process.
  • This method consists in injecting a pressurized gas, for example carbon dioxide, into an oil field 10 which can be underground or underwater, to assist the ascent of oil to the surface in a well or a extraction duct 12.
  • a pressurized gas for example carbon dioxide
  • the gas used is supplied by an appropriate source 14, for example a combustion unit supplied by a natural gas field, a urea synthesis plant, etc.
  • the carbon dioxide supplied by the source 14 is at a pressure of, for example, between 1 and 20 bars, which can be raised to 150 bars by a compression station 16 supplying a gas pipeline 18 bringing the compressed gas into the region of the oilfield.
  • Recompression stations 20 are provided from place to place on the gas pipeline 18 to compensate for the pressure losses, for example by raising the pressure of the carbon dioxide from 80 bars to approximately 150 bars.
  • a final compression station 22 increases the pressure of the carbon dioxide from 80 bars to around 250 or 300 bars, for injection into the oil field 10.
  • Carbon dioxide flow rates are typically of the order of a few hundred to a few thousand tonnes per day, and the flow of compressed carbon dioxide which must be injected into the oil table gradually decreases as the deposit is exploited.
  • the compression machines according to the invention are particularly intended to equip stations 16, 20 and 22.
  • the machine of FIG. 2 comprises a single casing constituted by a cylindrical tubular body 24 and two end flanges 26 and 28 fixed to sealing on the ends of the body 24.
  • a drive shaft 30 extends axially in the body 24 and is received at its end in a blind housing 32 of the end flange 28, by means of a rotation bearing 34 and an axial thrust bearing 36.
  • the shaft 30 sealingly passes through a cylindrical passage 38 of the end plate 26, by means of seals 40, and of rotation bearings 42.
  • the end of the shaft 30 external to the casing is driven in rotation in direct engagement by a suitable motor, for example a gas turbine.
  • the stators (not shown) of the centrifugal compressors C1, C2, ..., and those S n-1 , S of the peripheral compressors are contained in the body 24 of the casing and are supported directly by the latter.
  • a gas supply pipe 44 passes through the body 24 of the casing in leaktightness and leads to the inlet of the first centrifugal compressor C1.
  • the outlet of this compressor C1 is connected, inside the body 24, to the inlet of the second centrifugal compressor C2, as shown diagrammatically in 46, and so on.
  • provision may be made to cool the compressed gas by passage through an outside heat exchanger 48 laughing at the machine housing.
  • the exchanger 48 is connected, through the body 24, to the outlet of a compressor and to the inlet of the next compressor, as shown diagrammatically at 50 and 52 in the drawing.
  • the output of the peripheral compressor P n-1 is connected to the input of the peripheral compressor P n as shown diagrammatically at 54, and that the output of this compressor P, which forms the last compression stage of the machine, is sealingly connected through the body 24 to the outlet pipe 56 of the machine.
  • a peripheral compressor or recovery compressor comprises a rotor R with blades or blades rotating in an annular compression chamber formed by the stator of the compressor.
  • annular compression chamber In this annular compression chamber is fixed a sealing cap 0 having a slot through which the vanes a of the rotor R pass through with a small clearance.
  • the fluid inlet and outlet conduits open into the annular compression chamber respectively. and on the other side of the seal O.
  • the centrifugal compressors and the peripheral compressors are mounted on the drive shaft 30 so that the axial thrust F1 developed by the centrifugal compressors is opposite to the axial thrust F2 developed by the peripheral compressors, which allows, if not cancel, at least reduce the axial thrust exerted by the shaft 30 on the end plate 28 of the housing.
  • the heat exchangers 48 cool the compressed gas whenever necessary between two compression stages.
  • the machine according to the invention is intended in particular for the compression of a gas whose flow rate varies between a few hundred and a few thousand tonnes per day, and is moreover capable of gradually decreasing over time.
  • peripheral compressors in output stages of the machine makes it possible, on the one hand, to make the centrifugal compressors forming the input stages of the machine less sensitive to the pumping phenomenon and, on the other hand, to associate in the same casing and on the same drive shaft, the various compression stages, thanks to the identity of the dimensions and the speeds of rotation of the centrifugal compressors and of the peripheral compressors.
  • the invention is also applicable to the supply of a pressurized liquid, for example by compression of a gas by centrifugal compressors, liquefaction of this gas by passage through a heat exchanger external to the machine, then by compression of the liquid by peripheral compressors.
  • a machine equipping the station 22 for injecting compressed carbon dioxide into the oil table 10
  • a gas turbine supplying a power of the order of a few megawatts and driving the shaft 30 at a speed of the order of 10,000-12,000 revolutions per minute, the shaft 30 having a diameter of approximately 200 mm, the rotors of the centrifugal compressors and of the peripheral compressors having diameters of in the range of 400 to 500 mm.
  • the flow of carbon dioxide supplied to the machine can be of the order of 800-1000 tonnes per day, the inlet pressure is of the order of 80 bars, the outlet pressure is of the order of 250-300 bars.
  • another gas for example nitrogen, could be used to propel carbon dioxide.

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Abstract

L'invention concerne une machine de compression d'un fluide, comprenant plusieurs étages de compression en série constitués par des compresseurs de types différents. Les étages d'entrée de la machine sont constitués par des compresseurs centrifuges (C1, C2), les étages de sortie sont constitués par des compresseurs périphériques (Pn-1, P<n>), ces compresseurs étant entraînés par un même arbre (30) et étant logés dans un carter unique (24, 26, 28). L'invention s'applique notamment à la production d'un débit de fluide compris entre quelques centaines et quelques dizaines de milliers de m³ par heure, à une pression comprise entre 150 et 300 bars environ.

Description

  • L'invention concerne une machine de compression d'un fluide, comprenant plusieurs étages de compression en série constitués par des compresseurs de types différents.
  • Lorsque l'on veut obtenir des débits de fluide de l'ordre de quelques centaines à quelques dizaines de milliers de m3 par heure à une pression comprise entre 100-150 et 300-350 bars environ, il est déjà connu d'associer des compresseurs centrifuges à des compresseurs à pistons alternatifs ou à des compresseurs à vis, le fluide étant comprimé d'abord par les compresseurs centrifuges, puis par les compresseurs à pistons ou à vis.
  • Un tel ensemble de compresseurs peut en particulier produire du gaz comprimé destiné à être injecté dans une nappe pétrolifère (qui peut être souterraine ou sous-marine) pour la récupération assistée du pétrole. Ce procédé connu d'exploitation d'un gisement pétrolifère se caractérise, entre autres, par une diminution du débit de gaz nécessaire au fur et à mesure de l'extraction du pétrole. Cette diminution de débit constitue un inconvénient majeur lorsque le gaz comprimé est fourni par un ensemble de compresseurs centrifuges et de compresseurs à pistons ou à vis, car on risque alors d'atteindre la "limite de pompage", en dessous de laquelle se produisent des oscillations de pression très importantes et des vibrations susceptibles de détruire les compresseurs.
  • On peut éviter ce risque en multipliant le nombre d'étages de compresseurs centrifuges, au prix d'une augmentation correspondante des investissements et des frais de maintenance et de fonctionnement.
  • En outre, les compresseurs à pistons ou à vis qui sont associés aux compresseurs centrifuges présentent des inconvénients propres : coût et encombrement importants, maintenance fréquente et onéreuse, bruits et vibrations en fonctionnement. Ils doivent de plus être reliés par des boites de démultiplication aux moyens moteurs d'entraînement des compresseurs centrifuges.
  • L'invention a notamment pour objet une machine de compression de fluide, fonctionnant dans la gamme précitée de débits et de pressions, qui ne présente aucun des inconvénients de la technique antérieure.
  • L'invention a également pour objet une machine de ce type qui soit compacte, unitaire et peu encombrante.
  • L'invention a encore pour objet une machine de ce type présentant une fiabilité largement supérieure à celle des machines équivalentes de la technique antérieure.
  • Elle propose à cet effet une machine de compression d'un fluide, destinée en particulier à délivrer un débit de fluide de l'ordre de quelques centaines à quelques dizaines de milliers de m3 par heure à une pression comprise entre 150 et 300 bars environ, et comprenant plusieurs étages de compression en série constitués par des compresseurs de types différents, caractérisée par l'association d'au moins un compresseur centrifuge formant un étage d'entrée de la machine et d'au moins un compresseur périphérique formant un étage de sortie de cette machine.
  • L'association des compresseurs périphériques (qui peuvent être également appelés dans la technique compresseurs à impulsions, compresseurs à récupération, compresseurs à frottement) à des compresseurs centrifuges permet d'obtenir une machine particulièrement compacte dans laquelle les rotors des compresseurs périphériques ont des diamètres à peu près égaux à ceux des rotors des compresseurs centrifuges et peuvent être entraînés à la même vitesse de rotation que les rotors des compresseurs centrifuges, ce qui permet de monter tous les compresseurs sur un même arbre d'entraînement en rotation.
  • On évite ainsi l'emploi de transmissions à démultiplication.
  • Par ailleurs, les compresseurs périphériques ne présentent pas de phénomène de pompage quand le débit de fluide diminue et permettent d'obtenir des pouvoirs manométriques plusieurs fois plus élevés que ceux des compresseurs centrifuges.
  • La machine selon l'invention peut donc comprendre des compresseurs centrifuges qui sont moins chargés que ceux des machines antérieures équivalentes et qui sont moins sensibles au phénomène de pompage, sans que l'on ait à multiplier leur nombre.
  • Par ailleurs, les compresseurs centifuges et les compresseurs périphériques montés sur un même arbre d'entraînement peuvent être logés dans un même carter dont éventuellement une seule extrémité est traversée à étanchéité par l'arbre d'entraînement, l'extrémité libre de cet arbre étant reçue avec interposition d'un palier de butée dans un logement borgne de l'autre extrémité du carter.
  • Avantageusement, l'arbre d'entraînement des compresseurs centrifuges et périphériques de la machine peut être en prise directe avec un moyen moteur approprié, tel qu'une turbine à à gaz.
  • La machine selon l'invention associe ainsi, dans un même carter et sur le même arbre d'entraînement en prise directe avec le moyen moteur, des compresseurs centrifuges et des compresseurs périphériques assurant toute la compression du fluide.
  • Dans la description qui suit, faite à titre d'exemple, on se réfère aux dessins annexés dans lésquels :
    • - la figure 1 est une vue schématique illustrant une application de l'invention à la récupération assistée du pétrole;
    • - la figure 2 est une vue schématique en coupe axiale d'une machine selon l'invention.
  • On se réfère d'abord à la figue 1 qui représente, à titre d'exemple, une application particulièrement intéressante de l'invention à un procédé de récupération assistée du pétrole.
  • Ce procédé, connu en lui même, consiste à injecter un gaz sous pression, par exemple du gaz carbonique, dans un gisement pétrolifère 10 qui peut être souterrain ou sous-marin, pour assister la remontée du pétrole vers la surface dans un puits ou un conduit d'extraction 12.
  • Le gaz utilisé est fourni par une source appropriée 14, par exemple une unité de combustion alimentée par un gisement de gaz naturel, une usine de synthèse d'urée, etc. Le gaz carbonique fourni par la source 14 est à une pression comprise par exemple entre 1 et 20 bars, qui peut être relevée à 150 bars par une station de compression 16 alimentant un gazoduc 18 amenant le gaz comprimé dans la région du gisement pétrolifère. Des stations de recompression 20 sont prévues de place en place sur le gazoduc 18 pour compenser les pertes de charge, par exemple en relevant la pression du gaz carbonique de 80 bars à 150 bars environ. Une station finale de compression 22 fait passer la pression du gaz carbonique de 80 bars à 250 ou 300 bars environ, pour injection dans le gisement pétrolifère 10.
  • Les débits de gaz carbonique sont typiquement de l'ordre de quelques centaines à quelques milliers de tonnes par jour, et le débit de gaz carbonique comprimé qui doit être injecté dans la nappe pétrolifère diminue progressivement au fur et à mesure de l'exploitation du gisement. Les machines de compression selon l'invention, dont l'une est représentée schématiquement en figure 2, sont particulièrement destinées à équiper les stations 16, 20 et 22.
  • La machine de la figure 2 comprend un carter unique constitué par un corps tubulaire cylindrique 24 et deux flasques d'extrémités 26 et 28 fixés à étanchéité sur les extrémités du corps 24. Un arbre moteur 30 s'étend axialement dans le corps 24 et est reçu à son extrémité dans un logement borgne 32 du flasque d'extrémité 28, au moyen d'un palier de rotation 34 et d'un palier de butée axiale 36. A son extrémité opposée, l'arbre 30 traverse à étanchéité un passage cylindrique 38 du flasque d'extrémité 26, au moyen de joints d'étanchéité 40, et de paliers de rotation 42. L'extrémité de l'arbre 30 extérieure au carter est entraînée en rotation en prise directe par un moteur approprié, par exemple une turbine à gaz.
  • Sur la partie de l'arbre 30 intérieure au carter sont fixés les rotors de compresseurs centrifuges Cl, C2, .,,, formant les étages d'entrée de la machine, et les rotors de compresseurs périphériques Pn-1, P formant les étages de sortie de la machine qui comprend n étages de compression en série.
  • Les stators (non représentés) des compresseurs centrifuges Cl, C2, ..., et ceux Sn-1, S des compresseurs périphériques sont contenus dans le corps 24 du carter et sont supportés directement par celui-ci.
  • Un conduit 44 d'amenée de gaz traverse à étanchéité le corps 24 du carter et aboutit à l'entrée du premier compresseur centrifuge Cl. La sortie de ce compresseur Cl est reliée, à l'intérieur du corps 24, à l'entrée du second compresseur centrifuge C2, comme indiqué schématiquement en 46, et ainsi de suite. Chaque fois que nécessaire, par exemple lorsque la température du gaz comprimé atteint 200°C, on peut prévoir de refroidir le gaz comprimé par passage dans un échangeur de chaleur 48 extérieur au carter de la machine. Pour cela, l'échangeur 48 est relié, au travers du corps 24, à la sortie d'un compresseur et à l'entrée du compresseur suivant, comme indiqué schématiquement en 50 et 52 sur le dessin.
  • On voit également que la sortie du compresseur périphérique Pn-1 est reliée à l'entrée du compresseur périphérique Pn comme indiqué schématiquement en 54, et que la sortie de ce compresseur P , qui forme le dernier étage de compression de la machine, est reliée à étanchéité à travers le corps 24 au conduit 56 de sortie de la machine.
  • La structure d'un compresseur centrifuge est bien connue dans la technique et n'a pas à être rappelée ici plus en détail. On rappellera simplement qu'un compresseur périphérique ou compresseur à récupération comprend un rotor R à pales ou aubes a tournant dans une chambre de compression annulaire formée par le stator du compresseur. Dans cette chambre de compression annulaire est fixé un opercule d'étanchéité 0 présentant une fente traversée avec un jeu faible par les aubes a du rotor R. Les conduits d'entrée et de sortie du fluide débouchent dans la chambre annulaire de compression respectivement de part et d'autre de l'opercule d'étanchéité O.
  • Avantageusement, les compresseurs centrifuges et les compresseurs périphériques sont montés sur l'arbre moteur 30 de telle sorte que la poussée axiale Fl développée par les compresseurs centrifuges soit opposée à la poussée axiale F2 développée par les compresseurs périphériques, ce qui permet, sinon d'annuler, au moins de réduire la poussée axiale exercée par l'arbre 30 sur la plaque d'extrémité 28 du carter.
  • Le fonctionnement de la machine découle à l'évidence de ce qui précède :
    • Les rotors des compresseurs centrifuges et des compresseurs périphériques Cl, C2, ..., Pn-1, Pn sont entrais à la même vitesse de rotation par leur arbre commun 30, qui est lui-même entraîné en prise directe par une turbine à gaz ou analogue. Le fluide à comprimer est introduit dans la machine par le conduit 44 traversant le corps 24 du carter, subit une compression par paliers dans les divers étages de compression centrifuges et périphériques et sort de la machine à une pression comprise entre 150 et 300 bars environ.
  • Les échangeurs de chaleur 48 refroidissent le gaz comprimé chaque fois que nécessaire entre deux étages de compression.
  • La machine selon l'invention est destinée en particulier à la compression d'un gaz dont le débit varie entre quelques centaines et quelques milliers de tonnes par jour, et est en outre susceptible de diminuer progressivement dans le temps. L'utilisation des compresseurs périphériques en étages de sortie de la machine permet, d'une part, de rendre moins sensibles au phénomène de pompage les compresseurs centrifuges formant les étages d'entrée de la machine ét, d'autre part, d'associer dans un même carter et sur un même arbre d'entraînement les divers étages de compression, grâce à l'identité des dimensions et des vitesses de rotation des compresseurs centrifuges et des compresseurs périphériques.
  • L'invention est également applicable à la fourniture d'un liquide sous pression, par exemple par compression d'un gaz par les compresseurs centrifuges, liquéfaction de ce gaz par passage dans un échangeur de chaleur extérieur à la machine, puis par compression du liquide par les compresseurs périphériques.
  • On précisera, à titre d'exemple, qu'une machine selon l'invention, équipant la station 22 d'injection de gaz carbonique comprimé dans la nappe pétrolifère 10, est associée à une turbine à gaz fournissant une puissance de l'ordre de quelques mégawatts et entraînant l'arbre 30 à une vitesse de l'ordre de 10000-12000 tours par minute, l'arbre 30. ayant un diamètre d'environ 200 mm, les rotors des compresseurs centrifuges et des compresseurs périphériques ayant des diamètres de l'ordre de 400 à 500 mm. Le débit de gaz carbonique alimentant la machine peut être de l'ordre de 800-1000 tonnes par jour, la pression à l'entrée est de l'ordre de 80 bars, la pression à la sortie est de l'ordre de 250-300 bars. Pour des raisons de disponibilité du gaz carbonique et/ou d'économie d'exploitation, un autre gaz, par exemple de l'azote, pourrait être utilisé pour propulser le gaz carbonique.

Claims (9)

1. Machine de compression d'un fluide, destinée en particulier à délivrer un débit de fluide de l'ordre de quelques centaines à quelques dizaines de milliers de m3 par heure à une pression comprise entre 150 et 300 bars environ, et comprenant plusieurs étages de compression en série constitués par des compresseurs de types différents, caractérisée par l'association d'au moins un compresseur centrifuge (Cl, C2) formant un étage d'entrée da la machine et d'au moins un compresseur périphérique (Pn-1, Pn) formant un étage de sortie de cette machine.
2. Machine selon la revendication 1, caractérisée en ce que les compresseurs formant les différents étages de compression de la machine sont entraînés par un même arbre (30) à la même vitesse de rotation..
3. Machine selon la revendication 2, caractérisée en ce que les compresseurs (Cl, C2, Pn-1' Pn) sont montés sur ledit arbre (30) de telle sorte que la poussée axiale (Fl) développée par le ou les compresseurs centrifuges (Cl, C2) soit opposée à la poussée axiale (F2) développée par le ou les compresseurs péri- phériques (Pn-1, Pn).
4. Machine selon l'une des revendications pécédentes, caractérisée en ce que les compresseurs (Cl, C2, Pn-1, P ) sont logés dans un même carter (24, 26, 28).
5. Machine selon des revendications précédentes, caractérisée en ce qu'une extrémité de l'arbre (30) d'entraînement des compresseurs est reçue, par l'intermédiaire d'un palier de butée (36), dans un logement borgne (32) d'une paroi d'extrémité (28) du carter.
6'. Machine selon l'une des revendications 2 à 5, caractérisée en ce que l'arbre (30).d'entraînement des compresseurs est en prise directe avec l'arbre de sortie d'un moyen moteur, tel qu'une turbine à gaz.
7. Machine selon l'une des revendications 4 à 6, caractérisée en ce que des échangeurs de chaleur (48) pour le refroidissement du fluide comprimé sont prévus entre certains au moins des étages de compression, extérieurement au carter (24, 26, 28) précité.
8. Machine selon l'une des revendications précédentes, caractérisée en ce que le fluide précité est du gaz carbonique.
9. Machine selon l'une des revendications précédentes, caractérisée en ce qu'elle est utilisée pour la compression et le transport d'un gaz à injecter dans un gisement pétrolifère souterrain ou sous-marin pour la récupération assistée du pétrole.
EP84402052A 1983-10-25 1984-10-11 Machine de compression d'un fluide, à plusieurs étages de compression en série Expired EP0143684B1 (fr)

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