Brevet FR2307150A1 — publié le 19761105

La présente invention concerne la construction des turbomachines et plus précisément les turbocompresseurs. L'invention peut entre utilisée d'une manière particulièrement efficace pour les turbocompresseurs puissants à haute vitesse et régimes divers avec une disposition des roues en porte à faux, par exemple pour les turbocompresseurs destinés au traitement du gaz naturel sur les gisements de gas naturel contenant des hydrocarbures lourds et de l'eau. On connatt un turbocompresseur à l'intèrieur du corps duquel se trouve un arbre monté sur deux paliers à roulements, dont l'un supporte les charges axiales et radiales et l'autre exclusivement les charges radiales. Sur l'arbre sont montées la roue du compresseur et la roue de la turbine. La bague externe du roulement supportant la charge axiale et la charge radiale est fixée rigidement dans le corps tandis que la bague interne est fixée rigidement sur 1, arbre. La bague externe du roulement supportant seulement la charge radiale est montée libre dans le corps, tandis que la bague interne est fixée rigidement sur l'arbre. Ce roulement crée un appui "flottant". Pour protéger les logements du corps les bagues externes des roulements sont montées dans des douilles fixées sur le corps. Le roulement supportant les charges axiale et radiale possède une durée de vie notablement inférieure à celle du roulement supportant exclusivement une charge radiale. Ceci doit Entre pris en considération plus particulièrement peur les turbocompresseurs puissants, dans lesquels la charge axiale est toujours assez importante. Pour la supporter, on utilise des roulements des séries moyennes et lourdes. Les roulements des stries moyennes et lourdes ont un encombrement important et n'admettent pas les vitesses de retatien élevées.Cette limitation fait que l'on construit des turbocompresseurs à faible vitesse, dans lesquels pour obtenir les vitesse périphériques nécessaires on doit augmenter les dimensions des roues. Les circonstances ci-dessus entraînent ltaeoroissement d- l'encombrement et du poids des turbocompresseurs. On s'est proposé de réaliser un turbocompresseur dans lequel les roulements sur lesquels est monté le rotor ont une plus longue durée de vie gracie à une répartition optimale entre eux de la force axiale variable on grandeur et en direction. La solution consiste en ce que dans le turbocompresseur, dans le corps duquel est installé un roter constitué par un arbre avec la roue de la turbine et la roue du compresseur, montées sur lui en porte à faux, monté sur des roulements dont les bagues internes sont fixées sur l'arbre tandis que les bagues externes sont dispo Bées dans des douilles raccordes au corps, selon l1invention, les douilles portent sur leur surface externe un filetage ayant un angle d'inclinaison hilicoid-l du filet à peu près égal à 45 , d'autre part la direction du filet d'une douille est opposée à celle du filet de l'autre douille et sur le corps dans la zone de sa jonction avec les douilles est prévu un filetage correspondant au filetage des douilles et les douilles sont raccordées entre elles au moyen dlun manchon permettant le déplacement axial des douillet. Il est avantageux de réaliser ce manchon à griffes. Cette réalisation du turbocompresseur confère aux roulements, sur lesquels est mont le roter, une longue durée de vie, car elle assure une répartition optimale de la charge axiale de grandeur et de direction variable entre les roulements, ce qui permet d'augmen- ter les intervalles de fonctionnement sans réparation du turbo- compresseur. La diminution de la charge axiale agissant sur les roulementr permet d'utiliser ades roulements do séries plus légères, ayant un faible encombrement et qui permettent d'augmenter la vitesse du rotor.Ceci permet, par ailleurs, de réduire les dimensions des roues, tout on gardant la vitesse périphérique nésessaire, ce qui entratne une diminution notable du poids et de l'encombrement atl turbocompresseur. Les roulements du turbocompresseur réalisé selon la présente invention ont ane durée do vie huit fois supérieure & celle des roulements des turbocompresseurs connus, par exemple dans les turbocompresseurs puissant à régimes variables pour le traitament du gaz naturel sur les gisements, contenant des hydrocarbures lourds et de l'eau. Un turbocompresseur peur le refroidissement du gaz naturel d'une puissance de 600 kW, avec une pression d'admission égale à 64 atmosphères et une vitesse du rotor égale à 6000 tr/n pesait 4000 kg, un turbocompresseur avec les mêmes paramètres réa- lisé selon l'invention, pour une vitesse du rotor égale à 12000 tr/ mn pèse 1500 kg. Dtautres caractéristiques et avantages do l'invention seront mieux compris à la lecture de la description qui va suivre d'un exemple de réalisation et en se référant aux dessins annexés, dans lesquels 5 - la Fig. 1 est un schéma du turbocompresseur selon l'inven- tion, avec une coupe longitudinale partielle - la Fig. 2 est une vue en coupe suivant II-II de la Fig. 1. Dans le turbocompresseur, selon l'invention, à l'intérieur d'un corps 1 se trouve un rotor 2, qui est monté sur des roulements 3 et 4. Le rotor 2 comprend un arbre 5, sur lequel est montée en porte à faux une roue 6 du compresseur et une roue 7 de la turbine. Des bagues internes 8 et 9 des roulements 3 et 4 sont montées fixes sur l'arbre 5. Des bagues externes 10 et 11 sont fixées rigidement dans des douilles 12 et 13. Ces douilles 12, 13 ont un filetage sur la surface externe avec un angle d'inclinaison hélicoïdal du filet égal à 45 3 d'autre part, le sens du filetage de la douille 12 est opposé au sens du filetage de la douille 13. Dans le corps 1 sont fixés des supports 14 et 15. Ces supports comportent sur leur surface interne un filetage qui vient en contact avec la surface externe des douilles 12 et 13. Les douilles 12 et 13 sont raccordées au moyen d'un manchon à griffes 16 (Fig. 2). La douille 12 comporte des griffes 17 et la douille 13 des griffes 18.Le nanchon 16 présente des créneaux 19 et 20 dans lesquels viennent s'engager les griffes 17 et 18 des douilles 12 et 13 respectivement. Au cours au fonctionnement du compresseur lorsqu'une charge axiale A apparaît (un vecteur 21) agissant dans le sens de la roue 7 de la turbine, elle est transmise à travers la bague interne 8, les billes 22 et la bague externe 10 à la douille 12. Sous l'action de la charge axiale la douille 12 n déplace dans le sens axial et tourne simultanément, c'est à dire quelle effectue un mouvement hélicotdal. Du fait que la douille 12 avec ses griffes 17 engrène avec le manchon 16, elle fait tourner le manchon 16.Ce dernier engrène par l'intermédiaire des griffes 18 avec la douille 13 et fait tourner celle-ci. Du fait que la douille 13 présente un filetage de sens inverse à celui de la douille 12, elle se déplace dans le sens axial à la rencontre de la douille 12 et entraxe avec elle la bague externe 11 du roulement 4. il stensuit que la bague exter- ne 11 sollicite les billes 23, et la force B (un vecteur 24) qui survivent alors est transmise à travers la bague interne 9 du roulenent 4 à l'arbre 5 et est dirigée dans le sens opposé à celui de la charge A. Du fait que la force B est dirigée dans le sens inverse à celui de la charge axiale A, elle équilibre partiellement la charge A. Ceci signifie que le roulement 4 est soumis à une partie de la charge A. Si les angles de contact dans les roulements 3 et 4 sont égaux le mouvement des douilles 12 et 13 a lieu jusqu'à ce que la charge axiale soit également répartie entre les roulements 3 et 4. Lorsque la charge axiale A sollicite sabord le roulement 4, les douilles 12 et 13 s'écartent l'une de l'autre en tournant simultanUment ce qui entraîne la répartition uniforme de la charge A entre les roulements 3 et 4. Lorsqu'une charge axiale apparaît agissant dans le sens de la roue 6 du compresseur cette charge est équilibrée de façon analogue i celle indiquée plus haut, gracie à la symétrie de la construction des appuis du turbocompresseur. Le mouvement hélicoïdal des douilles 12 et 13 peut être provoqué non seulement par l'action d'une charge axiale At mais par la différence des couples de friction dans les roulements 3 et 4, qui apparaît en eas d'une différence entre les angles de contact dans les roulements 3 et 4. Si l'angle de contact dans le roulement 3 s'avère inf4rieur à l'angle de contact du roulenent 4, dans le roulement 3 apparaissent des sollicitations plus importantes avec une répartition uniforme de la charge axiale A entre les deux roulements 3 et 4. Le roulement 3 étant plus sollicité, il apparaît dans ce dernier un plus grand couple de friction, qui fait tourne la bague externe 10, et par conséquent la douille 12, qui fait tourner la douille 13 par l'intermédiaire du manchon 16.Le rappro chenet des douilles 12 et 13 se produit de nouveau (ou l'écarte- ment l'une de ltautre; si le couple de friction est plus grand dans le roulement 4 et dure jusqu'à ce que les couples de friction deviennent égaux dans les deux roulements 3 et 4. Les forces de friction qui apparaissent dans les Jonctions filetées et dans le manchon à griffes 16 n'influencent pas en pratique le déplacement des douilles 12 et 13 du fait de l'angle d'inclinaison hélicoïdal important du filet et grâce à la présence de faibles vibrations qui sont toujours présentes dans des machines tournantes. En cas de dilatation thermique de l'arbre 5 les roulements 3 et 4 ne sont pas coincés. Lors de l'allongement de l'arbre 5 des forces égales et diriges en sens opposé apparaissent, elles agissent alors sur les roulements 3 et 4 et les douilles 12 et 13 se déplacent sur leur filetage Jusqu'à ce que ces forces deviennent nulles. il est évident que ce processus n'a aucune influence sur la grandeur et la répartition de la charge axiale entre les roulements 3 et 4. - REVENDICATIONS - 1 - Turbocompresseur dans le corps duquel est monté un roter constitué par un arbre avec une roue du compresseur et une roue de la turbine montées sur lui en porte à faux, monté sur des roulemonts, dont les bagues internes sont fixées sur arbre tandis que les bagues externes sont montées dans des douilles raccordées au corps, caractérisé en ce que les douilles comportent sur leur surface externe un filetage ayant un angle d'inclinaison du filet hélicoïdal à peu près égal à 45 , la direction du filet hélicoïdal dune douille étant opposée à celle du filet de la seconde douille, et sn ce qutil est prévu sur le corps, dans la zone de sa Jonction avec les douilles, un filetage approprié,les douilles étant raccer- dées entre elles par un manchon permettant un déplacement axial de ces douilles. 2 - Turbocompresseur selon la revendication 1, caractérisé on ce que le manchon pour le raccordement des douilles est du type à griffes.