FR2854208A1

FR2854208A1 - Centrifugal compressor for overhanging centrifugal compressor unit of machine, has conduit and cavity that compensate axial push created by effort exerted by gas on impeller and applied on rotor, when compressor stops

Info

Publication number: FR2854208A1
Application number: FR0305185A
Authority: FR
Inventors: Jean Marc Pugnet
Original assignee: Thermodyn SAS
Current assignee: Thermodyn SAS
Priority date: 2003-04-28
Filing date: 2003-04-28
Publication date: 2004-10-29
Anticipated expiration: 2023-04-28
Also published as: FR2854208B1; EP1473464B1; DE602004029956D1; EP1473464A1

Abstract

The compressor has a radial flow impeller (38) mounted on a rotor (28) rotated by two stator bodies (30, 32). The body (30) has a conduit (44) opening in a cavity (48). The conduit and cavity create a depression on one side (40) of the impeller to compensate an axial push that is created by effort exerted by gas on the impeller and is applied on the rotor, when the compressor stops.

Description

Compresseur pour groupe compresseur centrifuge du type en porte-à-fauxCompressor for cantilever type centrifugal compressor group

L'invention concerne un groupe compresseur centrifuge et, en particulier, un compresseur centrifuge pour groupe compresseur du type en porte-à-faux. The invention relates to a centrifugal compressor group and, in particular, to a centrifugal compressor for a compressor group of the cantilever type.

Plus particulièrement, l'invention concerne l'équilibrage de la poussée axiale d'un compresseur centrifuge lors de sa mise en service, 10 afin de permettre le démarrage même avec une machine restée pressurisée à l'arrêt. More particularly, the invention relates to balancing the axial thrust of a centrifugal compressor when it is put into service, in order to allow starting even with a machine that has remained pressurized when stopped.

Comme on le voit sur la figure 1, un groupe compresseur du type en porteà-faux conventionnel comporte classiquement un moyen moteur 10, constitué par exemple par un moteur électrique ou par une 15 turbine disposée à l'intérieur d'un carter 12 et entraînant en rotation un rotor 14, lequel est maintenu en position par un ensemble de paliers radiaux, tels que 16, et de paliers axiaux, tels que 18. As can be seen in FIG. 1, a compressor assembly of the conventional cantilever type conventionally comprises a motor means 10, constituted for example by an electric motor or by a turbine arranged inside a casing 12 and driving in rotation a rotor 14, which is held in position by a set of radial bearings, such as 16, and axial bearings, such as 18.

En outre, le turbocompresseur comporte un compresseur 20. In addition, the turbocharger includes a compressor 20.

Dans l'exemple de réalisation représenté sur la figure 2, le 20 compresseur 20 est un compresseur mono étagé. Ce compresseur comporte une roue à aubes 22 entraînée en rotation par le rotor 14 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 FI à partir d'une conduite d'admission 26 et, d'autre part, un 25 accroissement de l'énergie cinétique de ce gaz. En aval de la roue 22, le gaz est recueilli par une volute de sortie 28 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. In the embodiment shown in FIG. 2, the compressor 20 is a single-stage compressor. This compressor comprises an impeller 22 driven in rotation by the rotor 14 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 FI from d an intake pipe 26 and, on the other hand, an increase in the kinetic energy of this gas. Downstream of the wheel 22, the gas is collected by an outlet volute 28 in order to channel it, then to slow it down, thus transforming into pressure a significant part of its kinetic energy, then is delivered at the outlet of the compressor according to the arrow 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. In a manner known per se, the increase in pressure of the gas in the paddle wheel 22 causes an axial reaction force, directed towards the entry of the gas into the wheel. This is why the compressor is provided with means for balancing the axial thrust thus generated.

Par ailleurs, afin d'éviter de rejeter dans l'atmosphère ambiante des effluents gazeux qui peuvent être nuisibles pour le personnel ou 5 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 10 sont généralement maintenus sous pression lorsqu'ils sont à l'arrêt. Furthermore, in order to avoid discharging into the ambient atmosphere gaseous effluents which may be harmful to the personnel or to the environment or to save gas, or else in order to speed up the starting procedures, to speed up the supply of gas to the units in which the compressors are installed, in particular by eliminating preliminary inerting by an inert gas when the process gas is flammable, the compressors 10 are generally kept under pressure when they are at 'stop.

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 15 d'étanchéité de la garniture d'étanchéité. As is known, this maintenance under pressure of the compressor generates, when stationary, forces on the impeller 22 causing the appearance of a resultant force on the rotor, which is applied to the seal of end of the shaft, on a surface defined by a sealing diameter of the seal.

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 20 de bout d'arbre, à l'arrêt du compresseur alors que celui-ci est maintenu sous pression à l'arrêt. Thus, while the axial thrust balancing means are effective in compensating for the forces exerted on the rotor during the operation of the turbocharger, they are ineffective in compensating for the axial thrust exerted on the seal 20 at the end of the shaft, when the compressor stops while it is kept under pressure when stopped.

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 25 rotor à l'arrêt du compresseur. The object of the invention is therefore to overcome this drawback and to provide a compressor for a centrifugal compressor group of the cantilever type capable of balancing the axial thrust generated on the rotor when the compressor stops.

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 30 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. The invention therefore relates to a centrifugal compressor for compressor group of the cantilever type comprising a set of at least one compression paddle wheel mounted on a rotor intended to be driven in rotation by a motor means in a stator body and means for compensating the axial thrust which is generated by the force exerted by the gas on the impeller and which is applied to the 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. According to a general characteristic of this compressor, the compensation means are adapted to compensate the axial thrust supported by the rotor when the compressor stops.

Selon une autre caractéristique du compresseur selon 5 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. According to another characteristic of the compressor according to the invention, the compensation means comprise means for generating a depression on one of the faces capable of at least partially compensating for said axial thrust.

Dans le cas o le compresseur est multiétagé, la dépression est formée sur la roue du premier étage de compression. La face sur 10 laquelle est engendrée la dépression est dès lors la face d'aspiration d'un gaz manipulé par le compresseur. In the case where the compressor is multi-stage, the vacuum is formed on the wheel of the first compression stage. The face on which vacuum is generated is therefore the suction face of a gas handled by the compressor.

Dans un mode de réalisation, le corps statorique comporte une canalisation traversante débouchant en regard de ladite face de la roue. In one embodiment, the stator body comprises a through pipe opening facing said face of the wheel.

Afin d'exercer un effort apte à compenser la poussée axiale 15 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. In order to exert a force capable of compensating for the axial thrust applied to the rotor, 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 leading edge towards the trailing edge of the wheel, the pipe emerging opposite this annular shoulder.

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. With regard to the pipe, the latter opens towards the outside of the compressor and is advantageously equipped with a pressure regulation device suitable for closing said pipe during the operation of the compressor and for opening said pipe when the compressor stops. .

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 30 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. Other objects, characteristics and advantages of the invention will appear on reading the following description, given solely by way of nonlimiting example, and made with reference to the appended drawings in which: FIG. 1, of which it has already been mentions, illustrates the general structure of a conventional compressor unit; - Figure 2 illustrates a sectional view of part of a compressor according to the invention; and - Figure 3 illustrates another embodiment of a compressor according to the invention provided with a pressure regulation device.

Sur la figure 2, on a représenté un compresseur centrifuge d'un groupe compresseur du type en porte-à-faux. FIG. 2 shows a centrifugal compressor of a compressor group of the cantilever type.

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. In this figure, only a relevant part of the compressor has been shown, the rest of the compressor unit being moreover identical to the compressor unit described above with reference to FIG. 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. In this figure 2, it has also been considered that the compressor is a single-stage compressor. It is understood, however, that the invention also applies to the production of a multistage compressor, for example with two stages.

Ainsi, la portion de compresseur représentée sur cette figure 2 15 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 20 compresseur. Thus, the compressor portion shown in this FIG. 2 is intended to be part of a centrifugal compressor of a compressor group of the cantilever type, that is to say a compressor group which comprises a motor means, for example an electric motor or a turbine driving in rotation a rotor 28, of which only a part has been shown, on which a compressor is directly mounted.

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 25 compresseur, un diffuseur 36, lequel débouche dans une volute de refoulement (non représentée). The compressor, for its part, comprises a certain number of stator elements, such as 30 and 32, jointly delimiting an intake pipe 34 by which the gas to be handled is sucked in and, downstream, considering the direction of distribution of the gas in the compressor, a diffuser 36, which opens into a discharge volute (not shown).

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. A paddle wheel 38 is integral with the rotor 28. This paddle wheel comprises, at its leading edge, a front flange 40 and, at the trailing edge, a rear flange 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 5 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 10 coaxialement respectivement vers l'avant du compresseur et vers l'arrière du compresseur, en considérant la circulation du gaz à l'entrée du compresseur. In order to balance the pressure applied to the rotor when the compressor is stopped, when the latter is kept under pressure, the stator body, constituted by the aforementioned elements 30 and 32, is provided with a pipe 44 passing through the body and , in particular, the stator element designated by the reference numeral 30, so as to bring to atmospheric pressure an axial annular portion 46 of the front flange 40. It can be seen in particular in this FIG. 2 that the pipe 5 44 opens into a cavity 48 formed between the stator body and the front flange 40, in the vicinity of this annular surface 46. This surface 46 is delimited by a first cylindrical portion 50 of the front flange 40 and by a second cylindrical portion 52 of outside diameter greater than the first portion 50 and arranged 10 coaxially respectively towards the front of the compressor and towards the rear of the compressor, taking into account the circulation of gas between compressor capacity.

Afin d'assurer une étanchéité au gaz, deux joints à labyrinthe 54 et 56 sont interposés entre le corps statorique et les première et 15 deuxième portions cylindriques 50 et 52, respectivement. In order to ensure gas tightness, two labyrinth seals 54 and 56 are interposed between the stator body and the first and second cylindrical portions 50 and 52, respectively.

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 20 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. As can be seen, putting the cavity 48 at atmospheric pressure while the rest of the compressor is under pressure causes the appearance of a suction force on the front flange 40, located at the annular surface 48, directed along arrow F3. The attractive force 20 thus created by this depression prevailing in the cavity 48 is provided to compensate for the force developed on the shaft end seal by the internal pressure prevailing in the rest of the machine.

Ainsi, de préférence, la surface annulaire axiale 46 présente 25 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. Thus, preferably, the axial annular surface 46 has dimensions corresponding to those of the seal so that the pressures are validly compensated. The compressor stop is relieved, and the compressor can easily start.

On notera que la mise en communication de la cavité 48 avec l'atmosphère ne s'effectue que lors du démarrage du compresseur de 30 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. It will be noted that the communication of the cavity 48 with the atmosphere takes place only when the compressor starts up so as to facilitate the latter. During this communication, a gas leak thus created, from an area of the pressurized body delimited by the two seals 54 and 56, is sent to a network of torches in order to avoid the appearance of effluents gas near the compressor. As indicated previously, this leak is however only created during the short time during which the compressor speed is increased.

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 10 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 15 du compresseur et à obturer la canalisation 44 par action sur la vanne 62 lors du fonctionnement normal du compresseur. As can be seen in FIG. 3, in order to allow this localized and momentary depression in the compressor when the machine starts, the pipe 44 is connected to the network of torches 58 by means of a pressure regulating device 60 This device comprises a valve 62 controlled on opening and closing by a control device 64. Means 66 for measuring the pressure prevailing in the pipe 44 provide information as to the pressure prevailing in the pipe 44, and therefore in the cavity 48. The control device 64 is duly programmed so as to depressurize the cavity 48 when the compressor starts 15 and to close the line 44 by action on the valve 62 during normal operation of the compressor.

Claims

1. Compressor for a centrifugal compressor group of the cantilever type, comprising a set of at least one compression impeller (38) mounted on a rotor (28) intended to be driven in rotation by a motor means in a stator body (30, 32) and means (44, 48) for compensating for the axial thrust which is generated by the force exerted by the gas on the impeller and which is applied to the rotor, characterized in that that the compensation means are adapted to compensate the axial thrust supported by the rotor when the compressor stops.

2. Compressor according to claim 1, characterized in that the compensation means comprise means (44, 48) for generating a vacuum on one of the faces (40) of an impeller capable of compensating at least in part said axial thrust.

3. Compressor according to claim 2, characterized in that the face on which the vacuum is generated is the face (40) of suction of a gas handled by the compressor.

4. Compressor according to one of claims 2 and 3, characterized in that the impeller (38) on which the vacuum is applied is the wheel constituting a first compression stage.

5. Compressor according to any one of claims 2 to 4, characterized in that the stator body comprises a through pipe (44) opening opposite said face of the wheel.

6. Compressor according to claim 5, characterized in that the leading edge of the blades of the impeller comprises a front flange (40) provided with an axial annular shoulder (46) delimited by two cylindrical portions (50, 52) of increasing diameter from the leading edge to the trailing edge of the wheel, the pipe opening facing said annular shoulder (46).

7. Compressor according to one of claims 5 and 6, characterized in that the pipe (44) opens outwards from the compressor and is equipped with a pressure regulation device (60) suitable for closing said pipe during the compressor operation and to open said pipe when the compressor stops.