FR3011291A1 - Turbomachine a accouplement torsible integre a au moins un arbre menant et/ou mene - Google Patents

Abstract

Cette turbomachine comprend un arbre menant (3) et un arbre mené (8) entraîné par l'arbre menant en étant couplé à cet arbre menant par un accouplement torsible. L'accouplement torsible est intégré à l'un au moins des arbres mené et menant qui comporte une zone (11 ; 17) flexible en torsion de manière à constituer ledit accouplement torsible.

Description

Turbomachine à accouplement torsible intégré à au moins un arbre menant et/ou mené L'invention concerne les turbomachines, par exemple les motocompresseurs intégrés. Mais, bien entendu, on ne sort pas du cadre de l'invention lorsqu'elle concerne un autre type de turbomachine, tel qu'un turboalternateur. Un groupe motocompresseur intégré comporte un carter étanche dans lequel sont placés un moteur, par exemple électrique, et un groupe compresseur, par exemple à plusieurs étages, qui comporte une ou plusieurs roues à aube de compression portée par un arbre mené entraîné par un arbre menant, constitué par le rotor du moteur ou entraîné par ce dernier.

Une solution d'accouplement de l'arbre menant et de l'arbre mené consiste à coupler l'arbre mené et l'arbre menant au moyen d'un accouplement rigide, des paliers étant prévus pour supporter les extrémités de la ligne d'arbres du groupe motocompresseur, ainsi que sa portion médiane.

Cette solution pose dans un certain nombre de cas des problématiques de fabrication et de rotodynamique. Il a ainsi été proposé de coupler l'arbre menant et l'arbre mené au moyen d'un accouplement flexible, afin de s'affranchir des problèmes d'alignement. On pourra à cet égard se référer au document WO 2004/083644 qui décrit un tel agencement. Les accouplements flexibles utilisés, qui sont généralement de type à membrane, augmentent l'encombrement axial du groupe motocompresseur, typiquement de l'ordre de 35 à 40 cm par rapport à un accouplement rigide à bride. Ils présentent en outre une zone de fragilité car ils ne peuvent par exemple être soumis qu'à des contraintes de traction ou de compression limitée dans la direction axiale.

Or, lors du fonctionnement de l'agencement décrit par le document WO 2004/083644, le gaz alimentant le compresseur est extrait après tout ou partie de la compression et utilisé pour refroidir le moteur. Le flux du gaz de refroidissement dans le moteur se fait en direction du compresseur. Le motocompresseur comporte une unique butée axiale, sur le rotor du compresseur, du côté opposé à l'accouplement. De ce fait, une poussée axiale est générée dans le moteur et encaissée par l'accouplement avant d'être reprise par la butée axiale.

Pour pallier ces inconvénients, il a été proposé d'utiliser un accouplement torsible placé dans un arbre creux du compresseur. Un tel agencement est décrit dans le document FR 2 969 722. Bien qu'efficace pour pallier les inconvénients liés à l'utilisation d'un accouplement flexible entre l'arbre menant et l'arbre mené, un tel agencement complique la structure de la ligne d'arbres. Au vu de ce qui précède, le but de l'invention est de pallier les inconvénients liés aux agencements selon l'état de la technique et, en particulier, de permettre de supporter les efforts axiaux engendrés lors du fonctionnement des étages de compression et ce, dans un agencement simple. L'invention a donc pour objet une turbomachine comprenant un arbre menant et un arbre mené entraîné par l'arbre menant en étant couplé à cet arbre menant par un accouplement torsible. En outre, l'accouplement torsible est intégré à l'un au moins des arbres mené et menant qui comporte une zone flexible en torsion de manière à constituer ledit accouplement torsible. Il peut s'agir par exemple d'un groupe motocompresseur comportant un moteur entraînant un compresseur, comprenant un ensemble de roues à aube de compression montées sur l'arbre mené, l'ensemble étant disposé dans un carter commun étanche au gaz manipulé par le groupe motocompresseur. Grâce à l'intégration de l'accouplement torsible dans l'arbre menant et/ou mené, on s'abstrait des problématiques, notamment en termes de conception et de fabrication, d'assemblage présentes en cas d'accouplement torsible assemblé à un arbre menant ou mené, tel que décrit dans le document FR 2 969 722 cité ci-dessus. L'arbre auquel est intégré l'accouplement torsible comporte en outre de préférence une zone périphérique externe qui constitue un moyen de support de fonctions mises en oeuvre par le rotor. Cette zone torsible, pratiquée dans l'un au moins des arbres menant et mené, est formée par exemple par une partie cylindrique de diamètre inférieur au reste de l'arbre auquel l'accouplement torsible est intégré.

Elle a avantageusement une longueur choisie, relativement au diamètre, de manière à conférer à l'accouplement un caractère torsible. Grâce à la présence de cette réduction de diamètre, la ligne d'arbres comporte un arbre interne de dimensions réduites, par lequel les arbres menant et mené sont couplés, autorisant une déformation par torsion localisée de la ligne d'arbres. Dans divers modes de réalisation, la partie cylindrique torsible peut être pratiquée soit dans l'arbre mené, soit dans l'arbre menant, soit dans les deux arbres menant et mené. La partie cylindrique torsible peut être entièrement en saillie à partir de l'arbre auquel l'accouplement est intégré ou bien être partiellement ou totalement située à l'intérieur d'une partie creuse, en l'espèce un arbre creux, permettant à l'arbre creux de supporter une ou plusieurs fonctions assurée par le rotor. Lorsque la partie cylindrique torsible est située à l'intérieur de l'arbre creux, celui-ci se trouve ainsi en porte-à-faux, autour de la partie torsible. Cette solution peut être réalisée par une gorge ou par une réduction de diamètre et un assemblage. La réalisation de la partie torsible partiellement ou entièrement à l'intérieur d'une partie creuse permet de limiter la longueur de la ligne d'arbres et ainsi l'encombrement, le poids et le coût de la turbomachine. Cela peut également avoir un effet bénéfique sur la dynamique de rotor. On notera que la ou les partie(s) cylindrique(s) peuv(en)t être obtenue(s) par plusieurs techniques.

Dans un mode de réalisation, on réalise une gorge cylindrique axiale délimitant dans ledit arbre un arbre interne couplé à l'autre arbre menant ou mené et un arbre externe. Par exemple, la gorge cylindrique axiale est formée par électroérosion.

Alternativement, cet accouplement torsible est obtenu, en réalisant dès la fabrication une réduction de diamètre (par exemple au moyen d'une forge et par usinage) dans l'arbre mené et/ou menant. Dans ce cas, l'un au moins des arbres mené et menant comporte, dans sa zone de couplage torsible, une gorge cylindrique axiale délimitée par un arbre interne et un arbre externe assemblé autour de l'arbre interne. Dans un mode de réalisation, l'arbre externe s'étend jusqu'à la zone de liaison des arbres menant et mené. Selon encore un autre mode de réalisation, l'extrémité libre de l'arbre auquel l'accouplement torsible est intégré a un diamètre supérieur à celui de sa partie médiane et forme une zone de couplage dudit arbre interne avec l'autre arbre menant ou mené. On peut également, en variante, prévoir que l'extrémité libre de l'arbre auquel l'accouplement torsible est intégré a un diamètre inférieur à celui de la zone de couplage correspondante de l'autre arbre menant ou mené avec lequel il est couplé, une bride assurant le couplage desdits arbres menant ou mené. 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 que lesquels : - La figure 1 est un schéma synoptique illustrant la structure générale d'un groupe motocompresseur conforme à l' invention ; - La figure 2 illustre un premier mode de réalisation du groupe motocompresseur selon la figure 1 ; - La figure 3 illustre un autre mode de réalisation d'un groupe motocompresseur conforme à l'invention ; - La figure 4 illustre encore un autre exemple de réalisation d'un groupe compresseur selon l'invention ; et - La figure 5 illustre un autre mode de mise en oeuvre de la zone torsible.

En se référant tout d'abord à la figure 1, un motocompresseur conforme à l'invention, désigné par la référence générale G, comporte essentiellement un moteur 1, par exemple un moteur électrique à grande vitesse de rotation, par exemple comprise entre 6 000 et 16 000 tours/minute, alimenté par un variateur de fréquence et comportant un stator 2 et un rotor 3 constituant un arbre menant pour le groupe motocompresseur, et un groupe compresseur 4 comportant un ensemble de roues à aube 5, 6 et 7, ici au nombre de trois, montées sur un arbre mené 8. Comme on le voit, l'arbre mené 8 est supporté par des paliers radiaux 9.

L'ensemble est monté sur un socle (non représenté) et est disposé dans un carter 10 commun étanche au gaz manipulé par le groupe motocompresseur. Le carter 10 comporte toutefois une entrée « ENTREE » par laquelle le gaz à manipuler est aspiré dans le compresseur et une sortie « SORTIE » par laquelle le gaz comprimé est délivré en sortie du groupe compresseur 4. Dans l' exemple de réalisation représenté, le groupe compresseur 4 comporte trois roues à aube montées sur l'arbre mené 8. Bien entendu, le groupe compresseur 4 peut comporter un nombre quelconque de telles roues à aube ou comporter un autre agencement des roues à aube. Dans l'exemple de réalisation illustré aux figures 1 et 2, l'arbre mené 8 est pourvu, au niveau de sa zone d'extrémité, d'un épaulement E par lequel cet arbre est boulonné sur une extrémité en regard de l'arbre menant 3 du moteur 1.

Toutefois, le couplage entre l'arbre mené et l'arbre menant est constitué par un accouplement torsible. Cet accouplement torsible est obtenu en réalisant dans au moins l'un des arbres mené et menant une zone torsible, c'est-à-dire flexible en torsion.

Dans l'exemple de réalisation des figures 1 à 4, cet accouplement torsible est obtenu en usinant une gorge cylindrique axiale 11 dans l'arbre mené 8, de manière à former dans l'arbre mené 8 un arbre interne 12, par lequel l'arbre mené 8 est couplé à l'arbre menant 3 et un arbre externe 13 par lequel l'arbre mené 8 est guidé par le palier radial 9. La longueur de la gorge sera choisie, par rapport au diamètre de l'arbre dans lequel elle est pratiquée de manière à une longueur choisie de manière à conférer à l'accouplement un caractère torsible.

Ainsi, en pratiquant la gorge cylindrique axiale dans l'arbre mené 8, on diminue localement le diamètre utile de l'arbre 8 qui transmet les efforts d'entraînement, et l'on réduit, de la sorte, sa résistance à la torsion et aux déformations radiales, tout en conservant une rigidité axiale très importante. L' arbre mené et plus particulièrement l'arbre interne 12 reste notamment capable de supporter les efforts axiaux engendrés lors du fonctionnement des roues à aube de compression 5, 6 et 7. La présence de la partie torsible permet, grâce à la réduction localisée de la section utile de la ligne d'arbres, de doter l'arbre mené 8 d'un comportement deformable par flexion et par torsion élastique permettant de compenser les défauts d'alignement angulaires, d'une part et latéraux, d'autre part entre l'arbre mené et l'arbre menant, soit lors de l'installation du groupe motocompresseur, soit lors du fonctionnement.

Cette flexibilité permet en outre de filtrer les vibrations de flexion entre l'arbre menant et l'arbre mené. Par ailleurs, la zone torsible permet d'obtenir une gradation des efforts transmis lors de changements brusques du couple transmis par le moteur, ou du couple résistif exercé par le compresseur.

En outre, le montage est grandement simplifié puisque la ligne d'arbres est simplement constituée de deux portions d'arbres, à savoir l'arbre menant et l'arbre mené. On notera que dans l'exemple de réalisation illustré aux figures 1 et 2, la partie torsible est pratiquée dans l'arbre mené 8. En outre, l'arbre mené 8 comporte un arbre externe 13 dont l'extrémité est en retrait par rapport à l'extrémité libre de l'arbre interne 12 par laquelle cet arbre 12 vient se fixer sur l'arbre menant 3. En d'autres termes, dans ce mode de réalisation, l'arbre interne 12 comporte un diamètre inférieur au diamètre d'extrémité formé par l'épaulement E. L'accouplement torsible est en outre obtenu, comme on le voit sur les figures 1 et 2, en réalisant dès la fabrication, par exemple au moyen d'une forge et par usinage de l'arbre mené 8, une réduction localisée de diamètre de manière à former la zone d'extrémité 12 de l'arbre mené de diamètre réduite, la gorge cylindrique étant ensuite réalisée pour former l'arbre externe 13. L'accouplement torsible obtenu, dans le mode de réalisation des figures 1 et 2, en pratiquant une gorge dans l'arbre menant peut bien entendu être formé en réalisant cette gorge dans l'arbre menant ou dans les deux arbres menant et mené. Dans un autre mode de réalisation, visible sur la figure 3, l'arbre externe 13 s'étend sur une partie substantielle de l'arbre interne 12, qui est ici dépourvue d'épaulement d'extrémité. On utilise alors, pour le montage de l'arbre interne 12 sur l'extrémité de l'arbre menant 3, une bride 14 fixée par boulonnage sur l'extrémité libre de l'arbre menant 3 et liée en rotation à l'arbre interne 12. On pourra par exemple prévoir des gorges axiales prévues dans la surface périphérique interne de la bride 14 destinées à coopérer avec des nervures correspondantes pratiquées à l'extrémité libre de l'arbre interne 12. On pourra à cet égard utiliser une bride de forme générale conique ou dotée d'un épaulement d'extrémité, comme visible sur la figure 3. Ce mode de réalisation est avantageux dans la mesure où il permet de réduire la distance entre les extrémités d'arbres, c'est-à-dire la distance entre l'extrémité libre de l'arbre externe 13 et l'extrémité libre en regard de l'arbre menant 3, cette distance étant fixée par la longueur de la bride 14.

Selon un troisième mode de réalisation, visible sur la figure 4, l'arbre menant 3 et l'arbre mené 4 sont tous deux dotés d'une gorge cylindrique axiale 11 et 1 la. La gorge 11 est similaire à la gorge utilisée dans le mode de réalisation de la figure 3.

Comme dans les exemples de réalisation décrits précédemment, en ce qui concerne l'arbre mené 4, la gorge cylindrique axiale 11 crée un arbre interne 12 et un arbre externe 13 qui s'étend le long d'une partie substantielle de l'arbre interne 12, cet arbre interne 12 s'étendant toutefois en saillie à partir de l'arbre externe 13 sur une longueur suffisante pour le montage d'une bride 15. En ce qui concerne l'arbre menant 3, la gorge cylindrique axiale 1 la crée, dans cet arbre 3, un arbre interne 16 et un arbre externe 17 qui s'étend le long d'une partie substantielle de l'arbre interne 16, ce dernier s'étendant toutefois en saillie au-delà de l'extrémité libre de l'arbre externe 17 sur une longueur suffisante pour le montage de la bride 15. Ainsi, dans ce mode de réalisation, la zone torsible de la ligne d'arbres est formée dans l'arbre menant 3 et dans l'arbre mené 8. En d'autres termes, par rapport aux modes de réalisation décrits précédemment, la ligne d'arbre comporte une zone torsible de longueur accrue. On notera que les modes de réalisation des figures 3 et 4, dans lesquels la fixation de l'arbre mené et de l'arbre menant s'effectue au moyen d'une bride rapportée, permettent de réaliser entièrement la zone torsible dès la fabrication, notamment au moyen d'une forge puis par usinage. La réalisation de la zone torsible consiste en particulier à réaliser, dans l'arbre mené 8, l'arbre interne 12, par lequel l'arbre mené 8 est couplé à l'arbre menant 3, et un arbre externe 13, qui est ensuite assemblé à l'arbre mené 8 et par lequel ce dernier est guidé par le palier radial 9, de manière à ménager entre les deux arbres interne et externe une gorge cylindrique. En d'autres termes, et comme illustré en pointillés sur les figures, l'arbre externe est assemblé autour de la zone de l'arbre qui présente un diamètre réduit.

Un tel assemblage peut être obtenu par divers moyens. La partie creuse peut être assemblée au rotor, par exemple à proximité de la zone torsible, par exemple par boulonnage et/ou par diamètre d'emboîtement et/ou par denture hirth, et/ou par un ou plusieurs autres modes d'assemblage. Les modes de réalisations des figures 3 et 4, dans lesquels l'arbre mené comporte un arbre interne 12 et un arbre externe 13 est également avantageux dans la mesure où l'arbre externe peut alors être utilisé pour mettre en oeuvre des fonctions qui sont assurées par le rotor. Il peut en particulier s'agir de réaliser un support de pallier et/ou un support d'une ou plusieurs roue(s) à aube(s) (figure 3). Bien entendu, l'invention n'est pas limitée aux modes de réalisation décrits. Il serait également possible, en variante, de prévoir la gorge cylindrique axiale dans l'arbre menant et dans l'arbre mené et de prévoir, tant en ce qui concerne l'arbre menant que l'arbre mené, que la distance entre les extrémités d'arbres, à savoir entre les extrémités des deux arbres extérieurs 13 et 17 soit égale à la moitié de la longueur torsible ou, en d'autres termes, de prévoir que la longueur de l'arbre intérieur qui s'étend au-delà de l'arbre extérieur soit égale à la longueur de l'arbre extérieur, comme dans le mode de réalisation décrit en référence à la figure 2, tant en ce qui concerne l'arbre menant que l'arbre mené. Par ailleurs, dans le mode de réalisation décrit en référence à la figure 5, la zone torsible peut être formée en réalisant, lors de la fabrication de l'arbre mené, une zone 18 de diamètre réduit de manière à conférer à l'accouplement un caractère torsible. Comme dans les modes de réalisations décrits précédemment, le couplage avec l'arbre menant peut être réalisé soit en prévoyant un épaulement E d'extrémité, comme représenté, soit en utilisant une bride rapportée. 30 La zone de diamètre réduit peut également être réalisée indépendamment du reste de l'arbre mené et être assemblée, comme indiqué précédemment en référence aux figures 2 à 4, à l'arbre mené. Bien entendu, comme indiqué précédemment, la zone de diamètre réduit peut être formée, en variante, dans l'arbre menant ou dans les deux arbres mené et menant. On notera toutefois que, comme dans l'exemple de réalisation des figures 1 à 4, la longueur de la zone de diamètre réduit est choisie, par rapport au diamètre de cette zone de manière à conférer à l'arbre son caractère torsible.

Par exemple, pour un diamètre d'arbre de l'ordre de 50 mm, on réalisera la zone torsible sur une longueur comprise entre 600 et 700 mm. On notera enfin que dans les différents modes de réalisation, la gorge cylindrique axiale pratiquée dans l'arbre mené et/ou dans l'arbre menant peut être formée par électroérosion ou EDM (« Electrical Discharge Machining », en langue anglaise), qui est un procédé d'usinage qui consiste à enlever de la matière dans une pièce en utilisant des décharges électriques.

Claims (15)

1. REVENDICATIONS1. Turbomachine, comprenant un arbre menant (3) et un arbre mené (8) entraîné par l'arbre menant en étant couplé à cet arbre menant par un accouplement torsible, caractérisée en ce que l'accouplement torsible est intégré à l'un au moins des arbres mené et menant qui comporte une zone (11 ; 17) flexible en torsion de manière à constituer ledit accouplement torsible.
2. 2. Turbomachine selon la revendication 1, dans laquelle l'arbre auquel est intégré l'accouplement torsible comporte en outre une zone périphérique externe qui constitue un moyen de support de fonctions mises en oeuvre par le rotor.
3. 3. Turbomachine selon l'une des revendications 1 et 2, dans laquelle la zone flexible comporte une partie cylindrique de diamètre inférieur au reste de l'arbre auquel l'accouplement flexible est intégré.
4. 4. Turbomachine selon la revendication 3, dans laquelle la partie cylindrique a une longueur choisie, relativement au diamètre, de manière à conférer à l'accouplement un caractère torsible.
5. 5. Turbomachine selon l'une des revendications 3 et 4, dans laquelle la partie cylindrique (11) est pratiquée dans l'arbre mené ou dans l'arbre menant.
6. 6. Turbomachine selon l'une des revendications 2 et 4, dans laquelle la partie cylindrique (11) est pratiquée dans l'arbre mené et dans l'arbre menant.
7. 7. Turbomachine selon l'une quelconque des revendications 3 à 6, dans laquelle la partie cylindrique torsible est entièrement en saillie à partir de l'arbre auquel l'accouplement est intégré.
8. 8. Turbomachine selon l'une quelconque des revendications 3 à 6, dans laquelle la partie cylindrique torsible est partiellement ou totalement située à l'intérieur d'une partie creuse (13).
9. 9. Turbomachine selon la revendication 8, dans laquelle l'un au moins des arbres mené et menant comporte, dans sa zone de couplage torsible, une gorge (11, 11a) cylindrique axiale délimitant dans leditarbre un arbre interne (12) couplé à l'autre arbre menant ou mené et un arbre externe (13).
10. 10. Turbomachine selon la revendication 9, dans laquelle la gorge cylindrique axiale est formée par électroérosion.
11. 11. Turbomachine selon la revendication 8, dans laquelle l'un au moins des arbres mené et menant comporte, dans sa zone de couplage torsible, une gorge (11, 11a) cylindrique axiale délimitée par un arbre interne et un arbre externe assemblé autour de l'arbre interne.
12. 12. Turbomachine selon l'une quelconque des revendications 9, 10 et 11, dépendante de la revendication 2, dans laquelle l'arbre externe constitue ledit moyen de support de fonctions mises en oeuvre par le rotor.
13. 13. Turbomachine selon l'une quelconque des revendications 9, 10 et 11, dans laquelle l'arbre externe (13) s'étend jusqu'à la zone de liaison des arbres menant et mené.
14. 14. Turbomachine selon l'une quelconque des revendications 1 à 13, dans laquelle l'extrémité libre de l'arbre (12) auquel l'accouplement torsible est intégré a un diamètre supérieur à celui de sa partie médiane et forme une zone de couplage dudit arbre interne avec l'autre arbre menant ou mené.
15. 15. Turbomachine selon l'une quelconque des revendications 1 à 13, dans laquelle l'extrémité libre de l'arbre auquel l'accouplement torsible est intégré a un diamètre inférieur à celui de la zone de couplage correspondante de l'autre arbre menant ou mené avec lequel il est couplé, et dans laquelle une bride (14) assure le couplage desdits arbres.