EP1473464B1 - Compresseur centrifuge du type en porte-à-faux - Google Patents

Compresseur centrifuge du type en porte-à-faux Download PDF

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EP1473464B1
EP1473464B1 EP04290914A EP04290914A EP1473464B1 EP 1473464 B1 EP1473464 B1 EP 1473464B1 EP 04290914 A EP04290914 A EP 04290914A EP 04290914 A EP04290914 A EP 04290914A EP 1473464 B1 EP1473464 B1 EP 1473464B1
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wheel
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rotor
axial thrust
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Thermodyn SAS
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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
    • F04D29/00—Details, component parts, or accessories
    • F04D29/08—Sealings
    • F04D29/16—Sealings between pressure and suction sides
    • F04D29/161—Sealings between pressure and suction sides especially adapted for elastic fluid pumps
    • F04D29/162—Sealings between pressure and suction sides especially adapted for elastic fluid pumps of a centrifugal flow wheel
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F04—POSITIVE - DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS FOR LIQUIDS OR ELASTIC FLUIDS
    • F04D—NON-POSITIVE-DISPLACEMENT PUMPS
    • F04D29/00—Details, component parts, or accessories
    • F04D29/05—Shafts or bearings, or assemblies thereof, specially adapted for elastic fluid pumps
    • F04D29/051—Axial thrust balancing
    • F04D29/0516—Axial thrust balancing balancing pistons

Definitions

  • the invention relates to a centrifugal compressor unit and, in particular, to a centrifugal compressor for a cantilever type compressor unit.
  • the turbocharger comprises a compressor 20.
  • the compressor 20 is a single stage compressor.
  • This compressor comprises a bladed wheel 22 driven in rotation by the rotor 10 in a stator 24 ensuring, on the one hand, an increase in the static pressure of an incident gas sucked in the direction represented by the arrow F1 from an intake pipe 26 and, on the other hand, an increase in the kinetic energy of this gas.
  • the gas Downstream of the wheel 22, the gas is collected by an outlet volute 27 with a view to channeling it, then slowing it down, thus transforming into pressure a large part of its kinetic energy, and is then delivered at the outlet of the compressor according to the arrow F2.
  • the compressors are generally kept under pressure when they are stopped .
  • this pressure maintenance of the compressor generates, when stopped, efforts on the impeller 22 causing the appearance of a resulting force on the rotor, which is applied to the seal of shaft end, on a surface defined by a sealing diameter of the seal.
  • the subject of the invention is therefore a centrifugal compressor for a compressor unit of the cantilever type comprising an assembly of at least one compression impeller mounted on a rotor intended to be rotated by a motor means in a stator body and means for compensating axial thrust which is generated by the force exerted by the gas on the impeller and which is applied to the rotor.
  • the compensation means comprise means for generating a depression on one of the faces able to compensate at least in part for said axial thrust.
  • the vacuum is formed on the wheel of the first compression stage.
  • the face on which the depression is generated is therefore the suction face of a gas handled by the compressor.
  • the stator body comprises a through duct opening opposite said wheel face.
  • the leading edge of the blades of the impeller comprises a front flange provided with an axial annular shoulder delimited by two cylindrical portions of increasing diameter of the rim. driving towards the trailing edge of the wheel, the pipe opening out facing this annular shoulder.
  • the pipe opens outwardly from the compressor and is advantageously equipped with a pressure regulating device adapted to close off said pipe during operation of the compressor and to open said pipe at the compressor stop.
  • the compressor is a single-stage compressor.
  • the invention also applies to the production of a multistage compressor, for example two stages.
  • the compressor meanwhile, comprises a number of stator elements, such as 30 and 32, jointly defining an intake duct 34 through which the gas to be handled is sucked and, downstream, by considering the direction of distribution of the gas in the compressor, a diffuser 36, which opens into a discharge volute (not shown).
  • a blade wheel 38 is integral with the rotor 28.
  • This impeller comprises, at its leading edge, a front flange 40 and, at the trailing edge, a rear flange 42.
  • the stator body consisting of the aforementioned elements 30 and 32 is provided with a duct 44 passing through the body and, in particular, the stator element designated by the numerical reference 30, so as to put at atmospheric pressure an axial annular portion 46 of the front flange 40.
  • the pipe 44 opens into a cavity 48 formed between the stator body and the front flange 40, in the vicinity of this annular surface 46.
  • the axial annular surface 46 has dimensions corresponding to those of the seal so that the pressures are validly compensated. The thrust of the compressor is relieved, and it can easily start.
  • the pipe 44 is connected to the torch network 58 via a pressure regulating device 60.
  • This device comprises a controlled valve 62 at the opening and closing by a control device 64.
  • Measuring means 66 of the pressure in the pipe 44 provide information as to the pressure in the pipe 44, and therefore in the cavity 48.
  • the device control 64 is duly programmed to depressurize the cavity 48 when starting the compressor and to close the pipe 44 by action on the valve 62 during normal operation of the compressor.

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Description

  • L'invention concerne un groupe compresseur centrifuge et, en particulier, un compresseur centrifuge pour groupe compresseur du type en porte-à-faux.
  • Plus particulièrement, l'invention concerne l'équilibrage de la poussée axiale d'un compresseur centrifuge lors de sa mise en service, afin de permettre le démarrage même avec une machine restée pressurisée à l'arrêt.
  • On connaît déjà, dans l'état de la technique, des compresseurs centrifuges comprenant des moyens pour compenser la poussée axiale supportée par le rotor du compresseur, à l'arrêt. On pourra ainsi se référer au document US-514 13 89 .
  • Comme on le voit sur la figure 1, un groupe compresseur du type en porte-à-faux conventionnel comporte classiquement un moyen moteur 10, constitué par exemple par un moteur électrique ou par une turbine disposée à l'intérieur d'un carter 18 et entraînant en rotation un rotor 10, lequel est maintenu en position par un ensemble de paliers radiaux, tels que 14, et de paliers axiaux, tels que 16.
  • En outre, le turbocompresseur comporte un compresseur 20. Dans l'exemple de réalisation représenté sur la figure 1, le compresseur 20 est un compresseur mono étagé. Ce compresseur comporte une roue à aubes 22 entraînée en rotation par le rotor 10 dans un stator 24 assurant, d'une part, un accroissement de la pression statique d'un gaz incident, aspiré selon la direction représentée par la flèche F1 à partir d'une conduite d'admission 26 et, d'autre part, un accroissement de l'énergie cinétique de ce gaz. En aval de la roue 22, le gaz est recueilli par une volute de sortie 27 en vue de le canaliser, puis de le ralentir, transformant ainsi en pression une partie importante de son énergie cinétique, puis est délivré en sortie du compresseur selon la flèche F2.
  • De manière connue en soi, l'élévation de pression du gaz dans la roue aubée 22 provoque une force de réaction axiale, dirigée vers l'entrée du gaz dans la roue. C'est pourquoi le compresseur est pourvu de moyens d'équilibrage de la poussée axiale ainsi engendrée.
  • Par ailleurs, afin d'éviter de rejeter dans l'atmosphère ambiante des effluents gazeux qui peuvent être nuisibles pour le personnel ou pour l'environnement ou d'économiser le gaz, ou encore dans le but d'accélérer les procédures de démarrage, pour rendre plus rapide la fourniture de gaz aux unités dans lesquelles les compresseurs sont installés, en supprimant notamment l'inertage préalable par un gaz inerte lorsque le gaz de procédé est inflammable, les compresseurs sont généralement maintenus sous pression lorsqu'ils sont à l'arrêt. Comme on le sait, ce maintien sous pression du compresseur engendre, à l'arrêt, des efforts sur la roue à aubes 22 provoquant l'apparition d'une force résultante sur le rotor, laquelle s'applique sur la garniture d'étanchéité de bout d'arbre, sur une surface définie par un diamètre d'étanchéité de la garniture d'étanchéité.
  • Ainsi, alors que les moyens d'équilibrage de poussée axiale sont efficaces pour compenser les efforts qui s'exercent sur le rotor lors du fonctionnement du turbocompresseur, ils sont inefficaces pour compenser la poussée axiale qui s'exerce sur la garniture d'étanchéité de bout d'arbre, à l'arrêt du compresseur alors que celui-ci est maintenu sous pression à l'arrêt.
  • Le but de l'invention est donc de pallier cet inconvénient et de fournir un compresseur pour groupe compresseur centrifuge du type en porte-à-faux capable d'équilibrer la poussée axiale engendrée sur le rotor à l'arrêt du compresseur.
  • L'invention a donc pour objet un compresseur centrifuge pour groupe compresseur du type en porte-à-faux comprenant un ensemble d'au moins une roue à aubes de compression montée sur un rotor destiné à être entraîné en rotation par un moyen moteur dans un corps statorique et des moyens de compensation de la poussée axiale qui est engendrée par l'effort exercé par le gaz sur la roue à aubes et qui est appliquée sur le rotor.
  • Selon une caractéristique générale de ce compresseur, les moyens de compensation sont adaptés pour compenser la poussée axiale supportée par le rotor à l'arrêt du compresseur.
  • Selon une autre caractéristique du compresseur selon l'invention, les moyens de compensation comportent des moyens pour engendrer une dépression sur l'une des faces aptes à compenser au moins en partie ladite poussée axiale.
  • Dans le cas où le compresseur est multiétagé, la dépression est formée sur la roue du premier étage de compression. La face sur laquelle est engendrée la dépression est dès lors la face d'aspiration d'un gaz manipulé par le compresseur.
  • Dans un mode de réalisation, le corps statorique comporte une canalisation traversante débouchant en regard de ladite face de la roue.
  • Afin d'exercer un effort apte à compenser la poussée axiale appliquée sur le rotor, le bord d'attaque des aubes de la roue à aubes comporte un flasque avant pourvu d'un épaulement annulaire axial délimité par deux portions cylindriques de diamètre croissant du bord d'attaque vers le bord de fuite de la roue, la canalisation débouchant en regard de cet épaulement annulaire.
  • En ce qui concerne la canalisation, celle-ci débouche vers l'extérieur du compresseur et est équipée avantageusement d'un dispositif de régulation de pression adapté pour obturer ladite canalisation lors du fonctionnement du compresseur et à ouvrir ladite canalisation à l'arrêt du compresseur.
  • 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 conventionnel ;
    • la figure 2 illustre une vue en coupe d'une partie d'un compresseur conforme à l'invention ; et
    • la figure 3 illustre un autre mode de réalisation d'un compresseur selon l'invention pourvu d'un dispositif de régulation de pression.
  • Sur la figure 2, on a représenté un compresseur centrifuge d'un groupe compresseur du type en porte-à-faux.
  • Sur cette figure, seule une partie pertinente du compresseur a été représentée, le reste du groupe compresseur étant par ailleurs identique au groupe compresseur décrit précédemment en référence à la figure 1.
  • Sur cette figure 2, on a également considéré que le compresseur est un compresseur à un seul étage. On conçoit cependant que l'invention s'applique également à la réalisation d'un compresseur multiétagé, par exemple à deux étages.
  • Ainsi, la portion de compresseur représentée sur cette figure 2 est destinée à faire partie d'un compresseur centrifuge d'un groupe compresseur du type en porte-à-faux, c'est-à-dire un groupe compresseur qui comporte un moyen moteur, par exemple un moteur électrique ou une turbine entraînant en rotation un rotor 28, dont seule une partie a été représentée, sur lequel est directement monté un compresseur.
  • Le compresseur, quant à lui, comporte un certain nombre d'éléments statoriques, tels que 30 et 32, délimitant conjointement une conduite d'admission 34 par laquelle le gaz à manipuler est aspiré et, en aval, en considérant la direction de distribution du gaz dans le compresseur, un diffuseur 36, lequel débouche dans une volute de refoulement (non représentée).
  • Une roue à aube 38 est solidaire du rotor 28. Cette roue à aubes comporte, au niveau de son bord d'attaque, un flasque avant 40 et, au niveau du bord de fuite, un flasque arrière 42.
  • Afin d'équilibrer la pression appliquée sur le rotor à l'arrêt du compresseur, lorsque celui-ci est maintenu sous pression, le corps statorique, constitué par les éléments précités 30 et 32, est pourvu d'une canalisation 44 traversant le corps et, en particulier, l'élément statorique désigné par la référence numérique 30, de manière à mettre à la pression atmosphérique une portion annulaire axiale 46 du flasque avant 40. On voit en particulier sur cette figure 2 que la canalisation 44 débouche dans une cavité 48 ménagée entre le corps statorique et le flasque avant 40, au voisinage de cette surface annulaire 46. Cette surface 46 est délimitée par une première portion cylindrique 50 du flasque avant 40 et par une deuxième portion cylindrique 52 de diamètre extérieur supérieur à la première portion 50 et disposées coaxialement respectivement vers l'avant du compresseur et vers l'arrière du compresseur, en considérant la circulation du gaz à l'entrée du compresseur.
  • Afin d'assurer une étanchéité au gaz, deux joints à labyrinthe 54 et 56 sont interposés entre le corps statorique et les première et deuxième portions cylindriques 50 et 52, respectivement.
  • Comme on le conçoit, la mise à la pression atmosphérique de la cavité 48 alors que le reste du compresseur est sous pression provoque l'apparition d'un effort d'aspiration sur le flasque avant 40, localisé à la surface annulaire 48, dirigé selon la flèche F3. La force d'attraction ainsi créée par cette dépression régnant dans la cavité 48 est prévue pour compenser la force développée sur la garniture d'étanchéité de bout d'arbre par la pression interne régnant dans le reste de la machine.
  • Ainsi, de préférence, la surface annulaire axiale 46 présente des dimensions correspondant à celles de la garniture d'étanchéité de sorte que les pressions soient valablement compensées. La butée du compresseur est soulagée, et celui-ci, peut aisément démarrer.
  • On notera que la mise en communication de la cavité 48 avec l'atmosphère ne s'effectue que lors du démarrage du compresseur de manière à faciliter ce dernier. Au cours de cette mise en communication, une fuite de gaz ainsi créée, à partir d'une zone du corps pressurisé délimitée par les deux joints 54 et 56, est envoyée à un réseau de torches afin d'éviter l'apparition d'effluents gazeux au voisinage du compresseur. Comme indiqué précédemment, cette fuite n'est cependant créée que pendant le court instant pendant lequel la vitesse du compresseur est augmentée.
  • Comme on le voit sur la figure 3, afin de permettre cette dépression localisée et momentanée dans le compresseur lors du démarrage de la machine, la canalisation 44 est raccordée au réseau de torches 58 par l'intermédiaire d'un dispositif de régulation de pression 60. Ce dispositif comporte une vanne 62 pilotée à l'ouverture et à la fermeture par un dispositif de commande 64. Des moyens de mesure 66 de la pression régnant dans la canalisation 44 fournissent des informations quant à la pression régnant dans la canalisation 44, et donc dans la cavité 48. Le dispositif de commande 64 est dûment programmé de manière à dépressuriser la cavité 48 lors du démarrage du compresseur et à obturer la canalisation 44 par action sur la vanne 62 lors du fonctionnement normal du compresseur.

Claims (5)

  1. Compresseur pour groupe compresseur centrifuge du type en porte-à-faux, comprenant un ensemble d'au moins une roue à aubes (38) de compression montée sur un rotor (28) destiné à être entraîné en rotation par un moyen moteur dans un corps statorique (30, 32) et des moyens (44, 48) de compensation de la poussée axiale qui est engendrée par l'effort exercé par le gaz sur la roue à aubes et qui est appliquée sur le rotor, les moyens de compensation étant adaptés pour compenser la poussée axiale supportée par le rotor à l'arrêt du compresseur, caractérisé en ce que les moyens de compensation comportent des moyens (44, 48) pour engendrer une dépression sur l'une des faces (40) d'une roue à aubes apte à compenser au moins en partie ladite poussée axiale, la face sur laquelle est engendrée la dépression étant la face (40) d'aspiration d'un gaz manipulé par le compresseur.
  2. Compresseur selon la revendication 1, caractérisé en ce que la roue à aubes (38) sur laquelle est appliquée la dépression est la roue constitutive d'un premier étage de compression.
  3. Compresseur selon l'une quelconque des revendications 1 à 2, caractérisé en ce que le corps statorique comporte une canalisation traversante (44) débouchant en regard de ladite face de la roue.
  4. Compresseur selon la revendication 3, caractérisé en ce que le bord d'attaque des aubes de la roue à aubes comporte un flasque avant (40) pourvu d'un épaulement annulaire axial (46) délimité par deux portions cylindriques (50, 52) de diamètre croissant du bord d'attaque vers le bord de fuite de la roue, la canalisation débouchant en regard dudit épaulement annulaire (46).
  5. Compresseur selon l'une des revendications 3 et 4, caractérisé en ce que la canalisation (44) débouche vers l'extérieur du compresseur et est équipée d'un dispositif de régulation de pression (60) adapté pour obturer ladite canalisation lors du fonctionnement du compresseur et à ouvrir ladite canalisation à l'arrêt du compresseur.
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