EP2650543B1

EP2650543B1 - Diaphragme avec contrôle passif de débit pour étage de compression

Info

Publication number: EP2650543B1
Application number: EP13162922.2A
Authority: EP
Inventors: Gilles Nawrocki
Original assignee: Thermodyn SAS
Current assignee: Thermodyn SAS
Priority date: 2012-04-11
Filing date: 2013-04-09
Publication date: 2021-02-24
Anticipated expiration: 2033-04-09
Also published as: EP2650543A3; EP2650543A2; BR102013008608A2; US20130272909A1; FR2989434B1; US9447784B2; FR2989434A1

Description

La présente invention concerne les compresseurs centrifuges. Elle se rapporte plus particulièrement au contrôle de la stabilité aérodynamique des compresseurs, à faible débit.
Les compresseurs comportent généralement un moteur électrique et un groupe compresseur, par exemple à plusieurs étages, qui comporte un ensemble de roues à aube portées par un arbre. Le moteur entraîne en rotation un rotor qui est accouplé à l'arbre du compresseur. En fonctionnement, le gaz manipulé est admis en entrée du compresseur puis est transmis aux étages successifs de compression du groupe compresseur pour être refoulé en sortie du compresseur.
La courbe caractéristique de la compression fournie par un compresseur, qui représente la pression de refoulement en fonction du débit, est fonction d'une série de paramètres, tels que la pression d'aspiration, la vitesse de rotation du rotor, la nature du gaz comprimé, ...
Il a été constaté que, à de faibles débits, c'est-à-dire à des débits inférieurs à la plage de stabilité du compresseur, il apparaît des instabilités aérodynamiques correspondant à une apparition d'un décollement du flux de gaz manipulé par le compresseur et au phénomène connu par le terme de « pompage ».
De telles instabilités, en aval de la roue à aube, sont susceptibles d'entraîner des vibrations, voire des altérations des éléments constitutifs du compresseur et limitent, dans tous les cas, la plage de fonctionnement de la machine.
C'est la raison pour laquelle il a été proposé, pour des applications à basse pression, de doter les compresseurs et, notamment les diffuseurs prévus en aval des roues, d'aubages à calage variable, en ce qui concerne les diffuseurs aubés ou de parois mobiles, en ce qui concerne les diffuseurs lisses. Toutefois, des tels aubages sont généralement déplacés par des dispositifs mécaniques qui nécessitent des perçages dans le corps de la machine tournante et, en conséquence, de prévoir des dispositifs additionnels pour assurer l'étanchéité.
De telles solutions limitent dès lors leur utilisation à des pressions généralement inférieures à 20 bars.
Il a par ailleurs été proposé de doter les compresseurs de dispositifs de protection antipompage, assurant une mise en communication entre le refoulement et l'aspiration, afin d'augmenter artificiellement le débit d'alimentation du compresseur.
De tels dispositifs nécessitent l'utilisation d'une instrumentation permettant de mesurer le débit traversant le compresseur, ainsi que les pressions d'aspiration et de refoulement, ainsi que des dispositifs de contrôle pilotant une vanne de commande de recirculation des gaz.
Une solution alternative est décrite dans le document US 2007/147987 A1 .
De telles solutions sont dès lors relativement coûteuses, difficiles à mettre en œuvre et susceptibles d'être le siège de dysfonctionnements.
Le but de l'invention est donc de pallier les inconvénients liés aux solutions selon l'état de la technique et de réduire les risques d'apparition des phénomènes de pompage et, en particulier, les phénomènes d'instabilité des gaz circulant dans le diffuseur du compresseur.
L'invention a donc pour objet, selon un premier aspect, un diaphragme pour étage de compression d'un compresseur selon la revendication
L'invention a également pour objet, selon un deuxième aspect, un étage de compression de compresseur selon la revendication 2.
L'invention a encore pour objet un compresseur, comprenant un diaphragme par étage de compression tel que défini ci-dessus.
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 est une vue schématique en coupe d'un étage de compression d'un compresseur centrifuge selon l'invention ;
la figure 2 est une vue de profil de l'étage de compression de la figure 1, montrant les passages de gaz en entrée de l'étage de compression ;
la figure 3 est une vue de profil de l'étage de compression de la figure 1, montrant les passages de gaz au niveau du diffuseur ; et
la figure 4 est une courbe caractéristique de compression d'un compresseur illustrant les avantages liés à l'invention.

Sur la figure 1, on a représenté une vue en coupe d'un étage de compression d'un compresseur multi-étagé conforme à l'invention.
Dans l'exemple de réalisation représenté, le compresseur est un compresseur centrifuge et est destiné à assurer la compression d'un gaz prélevé en amont de l'étage et restitué à l'aval à une pression supérieure.
Par ailleurs, sur les figures 1 à 3, l'étage de compression est un étage intermédiaire disposé entre deux étages de compression. Mais bien entendu, l'invention s'applique également aux étages d'entrée et de sortie.
Comme on le voit, l'étage de compression, désigné par la référence numérique générale 1, comporte une roue aubée 2 entraînée en rotation par un rotor 3 lui-même couplé à un arbre (non représenté) entraîné en rotation par un moteur électrique.
En amont de la roue 2, c'est-à-dire du côté de l'aspiration du gaz, l'étage de compression comprend un diaphragme 4 destiné à faire communiquer l'entrée de l'étage de compression 1 avec la sortie d'un étage de compression immédiatement placé en amont, ainsi qu'un diffuseur 5 destiné à ralentir la vitesse des gaz issus de la roue aubée 2 et augmenter de la sorte la pression en sortie de l'étage 1.
En se référant également à la figure 2, sur laquelle des éléments identiques à ceux de la figure 1 portent les mêmes références numériques, le diaphragme 4 a une forme globalement annulaire et constitue, avec le diffuseur 5, l'une des parties statoriques de l'étage de compression.
Il comporte deux grandes faces 6 et 7 mutuellement opposées dont l'une, à savoir la face désignée par la référence 6, est ici dotée d'aubes fixes, telles que 8, et dont l'autre délimite le diffuseur 5.
On voit par ailleurs que le diaphragme 4 est doté d'un ensemble de passages traversants, tels que 9, s'étendant entre les deux faces 6 et 7 du diaphragme de manière à assurer une communication entre le diffuseur 5 et la zone d'aspiration de l'étage de compression située immédiatement en amont de la roue 2.
Dans l'exemple de réalisation représenté, le nombre de passages 9 correspond à celui des aubes fixes du diaphragme 4, de sorte que les passages débouchent chacun, du côté de l'aspiration, par un orifice 10 disposé entre deux aubes fixes 8. Bien entendu, de manière générale, le diaphragme 4 peut comporter un nombre quelconque de tels passages supérieur à un.
Les passages sont disposés dans l'épaisseur du diaphragme 4 de manière à s'étendre de manière inclinée de façon radialement externe entre une zone convergeant vers le rotor 3, du côté de l'aspiration, et une zone radiale, située dans le diffuseur, en aval de la roue 2 (figure 3).
Il a été constaté que la présence de tels passages permettait de compenser les phénomènes d'instabilité provoquant le pompage de la machine, en particulier pour des diffuseurs de dimensions très faibles, ou pour des débits relativement faibles.
Il est à cet égard d'usage de représenter le débit à partir du débit volumique aspiré (Qv) de la surface frontale de la roue S pour un étage centrifuge et une vitesse périphérique U, à partir de la relation suivante : $φ = \frac{Qv}{S \cdot U}$
Il a été constaté que la présence des passages 9 au sein du diaphragme 4 permettait d'éliminer les instabilités aérodynamiques et notamment les phénomènes de pompage pour des débits relativement faibles correspondant à des coefficients de débits inférieurs à 0,01, en créant un flux de gaz du diffuseur vers la partie amont de la roue aubée à travers les passages, selon la différence de pression régnant entre la zone de refoulement et la zone d'aspiration, permettant d'augmenter le débit du compresseur et maintenir de la sorte le compresseur dans sa plage de stabilité (figure 4).
On notera à cet égard que la quantité de gaz recirculés, du refoulement vers l'aspiration, à travers les passages 9, qui dépend de la pression différentielle de part et d'autre du diaphragme, est dès lors plus importante pour des débits faibles. Elle est, au contraire, moins importante pour des débits relativement plus élevés pour lesquels les phénomènes de pompage sont moins susceptibles de se produire.
En d'autres termes, comme illustré sur la figure 4, conformément à l'invention, en créant cette circulation artificielle en entrée de l'étage de compression, on augmente artificiellement le débit aspiré, de sorte que l'on repousse le point de fonctionnement du compresseur dans sa plage de stabilité.
On notera par ailleurs que le nombre et la dimension des passages de gaz sont adaptés au coefficient de débit de l'étage centrifuge, au nombre d'aubages redresseurs du diaphragme et à la quantité de gaz nécessaire au maintien de la stabilité de fonctionnement.
On notera en outre que l'agencement qui vient d'être décrit constitue un dispositif entièrement passif qui ne nécessite aucun autre dispositif de contrôle ou moyen de mesure et constitue dès lors un système très fiable. Il est par ailleurs applicable à tous types de gaz et de niveaux de pression, tout en restant particulièrement intéressant pour des étages à faible coefficient de débit induisant des largeurs de diffuseur très faibles qui sont dès lors difficiles à mettre en œuvre et à contrôler.
Le diffuseur qui vient d'être décrit présente en outre un certain nombre d'avantages additionnels.
Il a en effet été constaté qu'aucune fuite de gaz vers l'extérieur n'était occasionnée par la présence des passages dans le diaphragme, ce qui contribue à la protection de l'environnement.
Le principe de fonctionnement du diaphragme reste disponible pour toutes les conditions de plus haute pression.
Il est par ailleurs possible d'utiliser la technologie des étages centrifuges à des très faibles débits tout en conservant l'opérabilité en installation industrielle.
Il a enfin été constaté que l'invention permettait un fonctionnement stable sur une plage de fonctionnement étendue par rapport aux machines centrifuges selon l'état de la technique.

Claims

Diaphragme pour étage de compression de compresseur, caractérisé en ce qu'il comporte un ensemble d'au moins un passage (9) traversant s'étendant entre deux faces (6, 7) mutuellement opposées du diaphragme, de manière à créer un flux de gaz entre lesdites faces selon la différence de pression régnant de part et d'autre du diaphragme et en ce qu'il comporte un ensemble de passages régulièrement disposés dans l'épaisseur du diaphragme (4) de manière à s'étendre de manière inclinée de façon radialement externe entre une zone convergeant vers le rotor (3), du côté de l'aspiration, et une zone radiale, située dans le diffuseur, en aval de la roue (2) et s'étendant chacun, sur l'une des faces du diaphragme, entre deux aubes fixes (8) prévues sur le diaphragme, le nombre de passages correspondant au nombre d'aubes fixes du diaphragme.
Etage de compression de compresseur comprenant un diaphragme (4) recevant un gaz fourni en entrée dudit étage, une roue aubée (2) assurant une compression du gaz issu du diaphragme et un diffuseur (5) de sortie, caractérisé en ce que le diaphragme (4) est un diaphragme selon la revendication 1.
Compresseur, caractérisé en ce qu'il comporte un ou plusieurs diaphragmes selon la revendication 1.