FR2596463A1

FR2596463A1 - High-speed centrifugal compressor

Info

Publication number: FR2596463A1
Application number: FR8604525A
Authority: FR
Original assignee: MONCEL PHILIPPE
Current assignee: MONCEL PHILIPPE
Priority date: 1986-03-28
Filing date: 1986-03-28
Publication date: 1987-10-02
Anticipated expiration: 2006-03-28
Also published as: FR2596463B1

Abstract

The gaseous-fluid compressor according to the invention comprises a compression wheel 68 rotationally driven by an electric motor by virtue of a common shaft 52 rotationally supported by at least two bearings 30, 48 using the said fluid as a load-bearing fluid. The compression wheel 68 is arranged so as to be subjected to an axial force under the effect of the pressures exerted by the fluid, whilst the bearings 30 and 48 are designed so as to allow an axial displacement of the shaft 52. In this compressor, the weight of the rotary assembly 60, 52, 68 is provided so as to be balanced by the abovementioned axial force. This compressor may be used in an air-conditioning or refrigeration installation.

Description

COMPRESSEUR CENTRIFUGE A HAUTE VITESSE. HIGH SPEED CENTRIFUGAL COMPRESSOR.

La présente invention concerne un perfectionnement à un compresseur centrifuge de fluide gazeux comprenant une roue (ou turbine) de compression montée directement sur 11 arbre de rotation du rotor d'un moteur électrique à grande vitesse, ce rotor étant. supporté en rotation par au moins deux paliers utilisant ledit fluide comme fluide porteur.The present invention relates to an improvement to a centrifugal compressor for gaseous fluid comprising a compression wheel (or turbine) mounted directly on the rotation shaft of the rotor of a high speed electric motor, this rotor being. supported in rotation by at least two bearings using said fluid as carrier fluid.

On rappelle qu'il existe deux solutions permettant d'éviter l'utilisation, dans le montage rotatif de l'arbre commun au rotor et à la roue de compression, de roulements à billes qui, aux vitesses de rotation élevées du moteur (de l'ordre de 50.000 tours/mn), se dégradent très rapidement, ainsi que des circuits de lubrification faisant intervenir un lubrifiant liquide, qui, outre leurs complexités et leurs coûts, peuvent constituer une source de pollution du fluide compressé, notamment du fréon, dans le cas où le compresseur est utilisé dans une installation de climatisation ou de réfrigération.It will be recalled that there are two solutions which make it possible to avoid the use, in the rotary mounting of the shaft common to the rotor and to the compression wheel, of ball bearings which, at the high rotational speeds of the motor (from l '' around 50,000 rpm), degrade very quickly, as well as lubrication circuits involving a liquid lubricant, which, in addition to their complexities and costs, can constitute a source of pollution of the compressed fluid, in particular freon, in if the compressor is used in an air conditioning or refrigeration installation.

L'une de ces deux solutions consiste à utiliser des paliers hydrostatiques comportant chacun un manchon cylindrique dans lequel est logé à glissement avec un léger jeu un tronçon cylindrique de l'arbre, ce jeu dépendant de la vitesse de rotation de l'arbre et de l'état des surfaces en regard. One of these two solutions consists in using hydrostatic bearings each comprising a cylindrical sleeve in which is slidably housed with a slight clearance a cylindrical section of the shaft, this clearance depending on the speed of rotation of the shaft and of the condition of the facing surfaces.

La deuxième solution consiste à utiliser des paliers hydrodynamiques utilisant comme fluide porteur le gaz comprimé par la roue et amené par des canalisations.The second solution consists in using hydrodynamic bearings using as carrier fluid the gas compressed by the wheel and brought in by pipes.

Or, il s'avère que ces solutions ne fournissent pas tous les éléments susceptibles de résoudre l'ensemble des problèmes de frottement qui existent entre l'arbre de rotation et les éléments qui le supportent, notamment lorsque cet arbre est vertical.However, it turns out that these solutions do not provide all the elements capable of solving all of the friction problems which exist between the rotation shaft and the elements which support it, in particular when this shaft is vertical.

En effet, il apparaît clairement que le montage de l'arbre de rotation doit nécessairement comprendre, en plus des paliers qui réalisent son centrage radial, des moyens permettant d'assurer son maintien axial ,et, en conséquence, celui de la turbine et du rotor.Indeed, it clearly appears that the mounting of the rotation shaft must necessarily comprise, in addition to the bearings which achieve its radial centering, means making it possible to ensure its axial retention, and, consequently, that of the turbine and of the rotor.

Ainsi, on a déjà proposé à cet effet des paliers hydrostatiques ou hydrodynamiques permettant d'éviter des couples de frottement qui, à la vitesse de rotation élevée du moteur, sont la source d'échauffement et d'usure.Thus, hydrostatic or hydrodynamic bearings have already been proposed for this purpose, making it possible to avoid friction torques which, at the high speed of rotation of the engine, are the source of heating and wear.

Toutefois ces dispositions demeurent relativement complexes et coûteuses et pour la plupart ne conviennent pas à la gamme de vitesses de rotation dont il est question ici.However, these arrangements remain relatively complex and costly and for the most part are not suitable for the range of rotational speeds in question here.

L'invention a donc tout d'abord pour but de résoudre ce problème d'une façon simple et particulièrement efficace qui utilise l'effort de traction effectué sur l'arbre par la turbine sous l'effet du fluide comprimé.The invention therefore firstly aims to solve this problem in a simple and particularly effective way which uses the tensile force applied to the shaft by the turbine under the effect of the compressed fluid.

Elle propose donc un compresseur du type susdit, à arbre de rotation vertical, ou légèrement incliné par rapport à la verticale, et faisant plus particulièrement intervenir - une roue de compression agencée de manière à etre soumise,
lors de sa rotation, à un effort axial, sous l'effet des
forces résistantes exercées par le fluide - des paliers utilisant ledit fluide pour assurer le centra
ge de l'arbre et son glissement rotatif, ces paliers étant
agencés de manière à autoriser un déplacement axial dudit
arbre ; et - au moins un dispositif de butée basse permettant de limi
ter vers le bas le jeu axial de cet arbre.It therefore proposes a compressor of the aforementioned type, with a vertical rotation shaft, or slightly inclined relative to the vertical, and more particularly involving - a compression wheel arranged so as to be subjected,
during its rotation, to an axial force, under the effect of
resistant forces exerted by the fluid - bearings using said fluid to provide centra
age of the shaft and its rotary sliding, these bearings being
arranged to allow axial movement of said
tree ; and - at least one low stop device allowing to limit
ter down the axial play of this shaft.

Le compresseur est alors conformé de manière à ce qu'à la vitesse nominale du moteur, le poids de l'ensemble rotatif comprenant notamment le rotor du moteur, l'arbre de rotation et la roue de compression, soit sensiblement équilibré par l'effort axial exercé par le fluide et, qu'en conséquence, le couple de frottement exercé au niveau du dispositif de butée soit réduit au minimum, voire même supprimé.The compressor is then shaped so that at the nominal speed of the motor, the weight of the rotary assembly comprising in particular the motor rotor, the rotation shaft and the compression wheel, is substantially balanced by the force axial force exerted by the fluid and, as a result, the friction torque exerted at the stop device is reduced to a minimum, or even eliminated.

Bien entendu, le compresseur précédemment décrit peut comprendre deux dispositifs de butées axiales haut et bas permettant de limiter le jeu axial de l'arbre de rotation entre deux positions axiales respectivement haute et basse.Of course, the compressor described above can comprise two top and bottom axial stop devices making it possible to limit the axial play of the rotation shaft between two respectively high and low axial positions.

Par ailleurs, les paliers servant à assurer le-centrage de l'arbre et son glissement rotatif peuvent être avantageusement du type comprenant un manchon tubulaire muni d'une pluralité d'ailettes intérieures, uniformément réparties sur la surface intérieure du manchon, qui s'étendent tangentiellement à une surface cylindrique imaginaire, et dont les bords intérieurs délimitent un volume libre cylindrique par lequel passe un tronçon cylindrique correspondant, de diamtè- tre légèrement inférieur, de l'arbre de rotation.Furthermore, the bearings serving to ensure the centering of the shaft and its rotary sliding can advantageously be of the type comprising a tubular sleeve provided with a plurality of internal fins, uniformly distributed over the internal surface of the sleeve, which s' extend tangentially to an imaginary cylindrical surface, the internal edges of which delimit a cylindrical free volume through which passes a corresponding cylindrical section, of slightly smaller diameter, of the rotation shaft.

Dans ce cas, pour une vitesse de rotation suffisamment élevée du moteur, le centrage de ce tronçon cylindrique est alors réalisé par des coins de fluide à haute pression qui s'établissent entre la surface du tronçon et les régions des ailettes situées au voisinage dudit tronçon.In this case, for a sufficiently high speed of rotation of the motor, the centering of this cylindrical section is then achieved by wedges of high pressure fluid which are established between the surface of the section and the regions of the fins located in the vicinity of said section. .

Un mode de réalisation de l'invention-sera décrit ci-après, à titre d'exemple non limitatif, avec référence aux dessins annexés dans lesquels :
La figure 1 est une coupe axiale d'un compresseur
selon l'invention ;
La figure 2 est une coupe transversale schématique
d'un palier utilisé dans le compresseur de la figure
1.An embodiment of the invention will be described below, by way of nonlimiting example, with reference to the appended drawings in which:
Figure 1 is an axial section of a compressor
according to the invention;
Figure 2 is a schematic cross section
of a bearing used in the compressor of the figure
1.

Tel que représenté sur la figure 1, le compresseur comprend, une enceinte étanche 2 présentant une paroi cylindrique 4 dont la partie inférieure est obturée par un fond 5 et la partie supérieure est refermée par un couvercle 6.As shown in FIG. 1, the compressor comprises a sealed enclosure 2 having a cylindrical wall 4, the lower part of which is closed by a bottom 5 and the upper part is closed by a cover 6.

Cette enceinte 2 renferme un bâti 10 en forme de pot comprenant une paroi latérale cylindrique 12 définissant un axe géométrique vertical 13, et un fond 14 pourvu d'un bossage 26 en saillie vers le bas dans lequel est pratiqué un alésage borgne 28 centré sur l'axe 13.This enclosure 2 contains a jar-shaped frame 10 comprising a cylindrical side wall 12 defining a vertical geometric axis 13, and a bottom 14 provided with a boss 26 projecting downwards in which a blind bore 28 is centered centered on the axis 13.

Ce bâti 10 est rigidement fixé à l'enceinte 2 au moyen d'une collerette 16 fixée au moyen de boulons 18 sur des pattes de fixation 8 soudées sur la paroi cylindrique 4 dans un même plan transversal.This frame 10 is rigidly fixed to the enclosure 2 by means of a flange 16 fixed by means of bolts 18 on fixing lugs 8 welded to the cylindrical wall 4 in the same transverse plane.

A l'intérieur de l'alésage borgne 28 sont successivement montés un disque 34 reposant sur le fond 26 et présentant une surface supérieure évidée par un trou conique 36 centré sur l'axe 13 et dans lequel repose une bille 38 et un palier 30 du type de celui représenté sur la figure 2. Inside the blind bore 28 are successively mounted a disc 34 resting on the bottom 26 and having an upper surface hollowed out by a conical hole 36 centered on the axis 13 and in which a ball 38 and a bearing 30 of the type of that shown in figure 2.

Le bâti 10 est par ailleurs refermé par un chapeau 40 fixé sur la collerette 16 au moyen de vis 42. Ce chapeau 40 comporte, dans sa partie centrale, un support cylindrique 44 pourvu d'un alésage traversant 46 centré sur ledit axe 13.The frame 10 is also closed by a cap 40 fixed to the flange 16 by means of screws 42. This cap 40 comprises, in its central part, a cylindrical support 44 provided with a through bore 46 centered on said axis 13.

Cet alésage 46 contient également un palier 48 du type de celui représenté sur la figure 2.This bore 46 also contains a bearing 48 of the type shown in FIG. 2.

Dans les paliers 30 et 48 est monté rotatif un arbre 52 dont la partie centrale porte un rotor de moteur 60 et dont l'extrémité inférieure comprend un trou conique coaxial 58 venant porter sur la bille 38 lorsque le moteur est à l'arrêt ou tourne à faible vitesse.In the bearings 30 and 48 is rotatably mounted a shaft 52 whose central part carries a motor rotor 60 and whose lower end comprises a coaxial conical hole 58 coming to bear on the ball 38 when the motor is stopped or running at low speed.

Cet arbre 52 se prolonge au-delà du palier 48 par une partie supérieure 66 de plus faible diamètre sur laquelle est emmanchée à force une roue de compression 68, de type classique comportant des ailettes 69 centrifuges, définissant une embouchure d'entrée 70 axiale se rétrécissant pour former une surface de sortie latérale 72 communiquant avec une chambre torique 74 formée à l'intérieur du chapeau 40.This shaft 52 is extended beyond the bearing 48 by an upper part 66 of smaller diameter on which is forcibly fitted a compression wheel 68, of the conventional type comprising fins 69 centrifugal, defining an inlet mouth 70 axial narrowing to form a lateral outlet surface 72 communicating with an O-ring chamber 74 formed inside the cap 40.

Cette chambre 74 est connectée à un conduit de sortie haute pression 80 passant, de façon étanche, au travers de l'enceinte 2.This chamber 74 is connected to a high pressure outlet conduit 80 passing, in a sealed manner, through the enclosure 2.

Une ouie 82 est disposée autour de la roue 68 de telle manière qu'elle épouse la forme extérieure des ailettes 69.A hole 82 is arranged around the wheel 68 in such a way that it matches the external shape of the fins 69.

La fixation de cette ouie 82 dans un alésage court du chapeau 40 est assurée par un circlips.The attachment of this hole 82 in a short bore of the cap 40 is ensured by a circlip.

Le rotor 60 coopère avec un stator de moteur électrique 62 monté sur la paroi 12 du bâti 10 et fixé par des vis 64 sur le fond 14. Ce stator 62 est relié par des connecteurs (non représentés) à une source électrique à haute fréquence pour permettre au moteur constitué par le stator et le rotor d'atteindre des vitesses de rotation élevées, par exemple de l'ordre de 50.000 tours/mn. The rotor 60 cooperates with an electric motor stator 62 mounted on the wall 12 of the frame 10 and fixed by screws 64 on the bottom 14. This stator 62 is connected by connectors (not shown) to a high frequency electric source for allow the motor constituted by the stator and the rotor to reach high rotational speeds, for example of the order of 50,000 rpm.

L'arrivée du fluide par exemple du fréon (basse pression) s'effectue par l'intermédiaire d'un orifice d'admission 20 prévu dans la partie inférieure de l'enceinte 2. A partir de cet orifice 20, le gaz aspiré par la roue de compression peut circuler au travers du bâti 10 grâce à des évidements 22, 24 prévus notamment dans le fond 14 et dans la paroi latérale 12, ce qui assure un bon refroidissement du moteur et de ses pivoteries.The fluid, for example freon (low pressure), arrives via an inlet orifice 20 provided in the lower part of the enclosure 2. From this orifice 20, the gas sucked in by the compression wheel can circulate through the frame 10 thanks to recesses 22, 24 provided in particular in the bottom 14 and in the side wall 12, which ensures good cooling of the engine and its pivotings.

Comme précédemment mentionné, l'arbre 52 est monté rotatif dans les paliers 30, 48 mais peut axialement coulisser dans ceux-ci. Son jeu axial est cependant limité par deux dispositifs de butée dont l'un (butée basse) est constitué par la bille 38 qui, à l'arrêt et aux basses vitesses de rotation du moteur, joue le rôle d'une crapaudine et dont l'autre (butée haute) est constitué par un épaulement radial 101 (éventuellement conique) venant en butée contre un flanc radial 102 (éventuellement conique) du palier 48.As previously mentioned, the shaft 52 is rotatably mounted in the bearings 30, 48 but can axially slide therein. Its axial clearance is however limited by two stop devices, one of which (bottom stop) is constituted by the ball 38 which, when stopped and at low engine rotation speeds, plays the role of a slider and of which l the other (upper stop) is constituted by a radial shoulder 101 (possibly conical) abutting against a radial flank 102 (possibly conical) of the bearing 48.

I1 convient de noter que sur la figure 1, le jeu axial de l'arbre 52, repéré par l'écart entre l'épaulement 101 et le flanc 102, a été exagéré pour le rendre visible. En réalité, ce jeu péut être très faible et de toute façon limité au jeu possible de la roue de compression. It should be noted that in FIG. 1, the axial play of the shaft 52, identified by the distance between the shoulder 101 and the sidewall 102, has been exaggerated to make it visible. In reality, this play could be very small and in any case limited to the possible play of the compression wheel.

Comme précédemment mentionné, les paliers 30, 48 utilisés dans ce compresseur sont du type de celui représenté schématiquement sur la figure 2 qui comprend - un manchon tubulaire 104 dont le diamètre extérieur 105
est sensiblement égal à celui des alésages 28, 46 - une pluralité d'ailettes intérieures 106 uniformément
réparties sur la surface intérieure du manchon 104, qui
s'étendent tangentiellement à une surface cylindrique
imaginaire 107 et dont les bords intérieurs 108 délimitent
un volume libre cylindrique par lequel passe un tronçon
cylindrique correspondant 54-56, de diamètre légèrement
inférieur, de l'arbre de rotation 52.As previously mentioned, the bearings 30, 48 used in this compressor are of the type shown diagrammatically in FIG. 2 which includes - a tubular sleeve 104 whose outside diameter 105
is substantially equal to that of bores 28, 46 - a plurality of interior fins 106 uniformly
distributed over the inner surface of the sleeve 104, which
extend tangentially to a cylindrical surface
imaginary 107 and whose inner edges 108 define
a cylindrical free volume through which a section passes
corresponding cylindrical 54-56, slightly in diameter
lower, of the rotation shaft 52.

Sur cette figure, on a représenté les coins de fluide 109 localement à haute pression qui se forment lorsque le moteur tourne à grande vitesse dans les régions angulaires saillantes comprises entre les ailettes 106 et les tronçons 54, 56, ces coins de fluide assurant le centrage de l'arbre 52 et son glissement rotatif sans contact avec les ailettes 106.In this figure, the corners of fluid 109 are shown locally at high pressure which form when the engine rotates at high speed in the projecting angular regions comprised between the fins 106 and the sections 54, 56, these corners of fluid ensuring centering. of the shaft 52 and its rotary sliding without contact with the fins 106.

On rappelle qu'à ces vitesses élevées, grâce aux différences de pression s'exerçant sur la roue de compression, le fluide brassé exerce une traction sur l'ensemble rotatif de la roue de compression 68/arbre de rotation 52/rotor 60 qui tend à équilibrer son poids et assure, en conséquence, sa sustenta- tion. De ce fait, le montage crapaudine constitué par la bille 38 et les trous coniques 36, 58 ne joue plus le rôle de support et ne donnera plus lieu à un couple de frottement significatif.It will be recalled that at these high speeds, thanks to the pressure differences exerted on the compression wheel, the stirred fluid exerts traction on the rotary assembly of the compression wheel 68 / rotation shaft 52 / rotor 60 which tends to balance its weight and, consequently, ensure its lift. Therefore, the mounting plate constituted by the ball 38 and the conical holes 36, 58 no longer plays the role of support and will no longer give rise to a significant friction torque.

L'invention permet donc de résoudre de façon très simple et particulièrement efficace tous les problèmes de frottement de l'ensemble des éléments en rotation du compresseur, qui, en raison de sa vitesse élevée de rotation, paraissait a priori difficilement soluble. The invention therefore makes it possible to solve in a very simple and particularly effective manner all the problems of friction of all of the rotating elements of the compressor, which, due to its high speed of rotation, appeared a priori hardly soluble.

Claims

1. High-speed gaseous fluid centrifugal compressor of the type comprising a compression wheel driven in rotation by an electric motor comprising a rotor and a stator, said wheel and said rotor being subject to a common vertical shaft or slightly inclined relative to the vertical supported in rotation by at least two bearings using said fluid as carrier fluid, characterized in that: - the compression wheel (68) is arranged so as to be

subjected to an axial force, under the effect of pressures

exerted by the fluid during its compression t - the bearings (30 and 48) are designed so as to ensure the

centering of the shaft (52) and its rotary sliding while

allowing it to move axially - the axial play of said shaft (52) is limited downwards by

to a low stop device (36, 38, 58), and in that it is shaped so that at the nominal speed of the motor, the weight of the rotary assembly comprising in particular said rotor (60), said shaft (52) and said wheel (68), is substantially balanced by said axial force.

2. Compressor according to claim 1, characterized in that it comprises two axial stop devices (101, 102 and 36, 38, 58) making it possible to limit the axial play of the rotation shaft (52) between two axial positions , respectively high and low.

3. Compressor according to one of claims 1 and 2, characterized in that said bearings (30, 48) comprise a tubular sleeve (104) provided with a plurality of internal fins (106), uniformly distributed over the internal surface of the sleeve (104) and comprising inner edges (108) delimiting a cylindrical free volume through which passes a corresponding cylindrical section (54, 56), of slightly smaller diameter, of the rotation shaft (52).