Brevet FR2459388A1 — publié le 19810109

Un état de pompage est une violente instabilité (qui suit normalement un pompage naissant ou un état de blocage) qui se produit dans-des turbocompresseurs tels que des compresseurs axiaux et centrifuges. Cet état est bien connu des spécialistes et son amorçage dépend à la fois du débit volumétrique et du rapport de pression auxquels le compresseur est soumis. Les divers types de turbocompresseurs présentent des caractéristi- ques de pompage différentes, mais tous les compresseurs sont sujets à cette difficulté. L'état de pompage peut être provoqué par toute cause qui élève la pression de refoulement, abaisst la pression d'aspiration, ou diminue le débit du gaz par- venant au compresseur. Dans le domaine le plus fami- lier à la Demanderesse, la plupart des difficultés dues au pompage sont provoquées par un mauvais entretien, la défaillance de certains éléments du système (par exemple, les ventilateurs des tours de refroidissement nor- malement utilisés avec les systèmes de refroidissement des compresseurs centrifuges), le fait que certains groupes sont fortement surdimensionnés ou de simples erreurs hu- maines,par exemple,la non-ouverture d'une valve. Lorsqu'un élément du compresseur devient défaillant à la suite d'un pompage prolongé, la cause ne peut pas toujours être facilement déterminée. Cependant, on a constaté que des machines qui ont subi des pannes répétées de paliers et de rotors ont habituellement eu des problè- mes de pompage. On estime donc que la réalisation d'un dispositif de protection contre le pompage et de maîtrise de ce dernier, qui soit efficace et peu onéreux, dimi- nuerait notablement les frais de garantie et améliorerait la fiabilité d'installations sujettes au pompage. On utilise actuellement un certain nombre de techniques de maltrise du pompage-. Selon l'une de ces techniques,on contrôle les vi- brations du compresseur en montant un détecteur de vi- brations sur le compresseur ou près de celui-ci pour dé- tecter les vibrations produites par le compresseur dans un état de pompage. Une telle technique peut être efficace avec certains compresseurs et certaines installations, mais l'expérience avec les compresseurs d'agent de refroidissement centrifuges a montré que ces compres- seurs peuvent se trouver dans un état de pompage et ne présenter que de très faibles vibrations. Un détecteur de vibration doit donc être extrêmement sensible pour être efficace et il faut aussi tenir compte des faus- ses indications de pompage dues à des vibrations prove- nant d'autres sources, telles que les vibrations tran- sitoires produites lors de la mise en route du compres- seur. Dans un autre système de contrôle, on contrôle les différences de débit et de pression, ces systèmes étant habituellement utilisés dans l'industrie chimique et dans l'industrie du pétrole. Dans ces systèmes, le débit volumétrique du compresseur, sa pression d'admis- sion et sa pression de refoulement sont détectés. Ces variables sont traitées dans un dispositif tel qu'un calculateur ou un microprocesseur qui met en route un pro- gramme antipompage visant à atténuer les conditions de pompage. Ces systèmes sont relativement compliqués et onéreux. Une variante apparemment peu onéreuse d'un tel système est décrite dans le brevet des Etats-Unis d'Amérique n0 3.555.844 qui se rapporte au même type général de compresseur centrifuge que celui faisant l'objet de l'invention, habituellement un compresseur pourvu d'un dispositif de réglage de la capacité. Se- lon ce brevet, on suppose que le débit volumétrique est proportionnel aux positions de réglage de la capacité et que la pression d'admission du compresseur est fixée par la température de l'eau sortant de l'évaporateur dans l'installation à laquelle le compresseur est rac- cordé. On estime que cette installation n'est pas en- tièrement adéquate parce que les hypothèses ne se vérifient que, entre autres, si l'installation est conve- nablement chargée d'agent de refroidissement, si le débit de l'eau de l'évaporateur n'est pas modifié, si l'évaporateur ne présente pas d'infiltrations d'huile, si les tubes de cet évaporateur ne sont pas encrassés et si le dispositif d'alimentation d'agent de refroidissement fonctionne convenablement. Dans un autre système servant à maîtriser le pompage, on détecteun pompage naissant en amont du ro- tor en détectant le gradient de température par des ther- mocouples séparés placés à cet endroit. Un tel système est décrit dans le brevet des Etats-Unis d'Amérique n0 2.696.345 qui indique qu'à cet endroit, tout pompage majeur est précédé d'une recirculation initiale, le gradient de température en des endroits espacés radiale- ment étant utilisé pour indiquer le début d'un pompage. Ce même brevet décrit le principe consistant à utiliser des thermocouples à la sortie d'un compres- seur axial et à mesurer le gradient de température en- tre les thermocouples. Le brevet des Etats-Unis d'Amé- rique n0 2.442.049 décrit aussi l'utilisation de résis- tances sensibles à la température dans l'entrée et dans la sortie d'un compresseur de suralimentation faisant partie d'un système servant à régler les rapports air-carburant pour un moteur à combustion interne. Aucun de ces systèmes ne semble être entièrement satisfaisant pour le type de dispositif auquel l'inven- tion se rapporte en particulier, c'est-à-dire pour des compresseurs d'agent de refroidissement centrifuges du type comportant des moyens de réglage de la capacité et dans lesquels la sectiondu passage du diffuseur est ré- glée en fonction du débit d'admission ou d'aspiration. Suivant l'invention, on détecte un état de pom- page dans un compresseur de gaz centrifuge en détectant une élévation de température au-delà d'une valeur pré- déterminée dans un espace situé dans la chambre du ro- tor du compresseur, mais à l'extérieur du trajet du gaz qui traverse le rotor. Ce procédé de détection d'un état de pompage est mis en oeuvre dans un compresseur de gaz centrifu- ge qui comprend un rotor tournant présentant une en- trée centrale antérieure et une sortie périphérique, un trajet d'écoulement pour le gaz étant défini entre l'entrée et la sortie et une enveloppe délimitant une chambre de rotor dans laquelle le rotor est situé, le compresseur comportant un dispositif de réglage de la capacité dans son passage d'aspiration pour régler le degré d'ouverture de ce passage et un dispositif sensi- ble à la température étant monté sur l'enveloppe et exposé à l'ambiance d'un espace situé dans la chambre du rotor mais extérieur au trajet d'écoulement traversant le rotor et dans un endroit qui est situé en aval du dis- positif de réglage de la capacité et en amont de la sortie du rotor, le dispositif sensible à la température pouvant intervenir en réaction à une élévation de la tem- pérature dans l'espace à l'ambiance duquel il est exposé au-delà d'une valeur prédéterminée correspondant à un état de pompage du compresseur pour modifier les conditions de fonctionnement du compresseur dans un sens les écartant de l'état de pompage. Une forme d'exécution préférée de l'invention sera décrite ci-après, à titre d'exemple, avec réfé- rence aux dessins annexés, dans lesquels: la Fig. 1 est une vue de côté en partie arra- chée, principalement en coupe verticale, d'un compres- seur conforme à l'invention, et comprend une représen- tation schématique d'un circuit de recirculation de gaz chaud; la Fig. 2 est une vue en élévation d'extrémité du compresseur, vu de la droite de la Fig. 1, les par- ties qui devraient être vues à l'intérieur de l'extré- mité d'admission ouverte étant omises; la Fig. 3 est une vue schématique d'un circuit de commande qui peut être utilisé pour arrêter simple- ment le compresseur lorsqu'un état de pompage est dé- tecté, et la Fig. 4 est une vue schématique d'un autre circuit de commandecomprenant un dispositif servant à régler la recirculation du gaz chaud dans un état de pompage. Sur les Fig. 1 et 2, le compresseur de gaz cen- trifuge qui illustre l'invention à titre d'exemple comprend une enveloppe qui contient une chambre de rotor 40 contenant un rotor 14 et des passages tels qu'un passage d'admission 10, 46 et un passage de refoulement 18, 20 qui délimitent une partie du tra- jet d'écoulement du gaz traversant le rotor. D'une manière plus spécifique, le compresseur comporte un passage d'admission 10 convergent délimité par la paroi annulaire 12 convergente. Le gaz de refroidissement d'aspiration est aspiré par ce passage par le rotor 14 qui tourne et qui reçoit le gaz dans son entrée cen- trale, le comprime et le refoule par sa sortie péri- phérique 16 dans un passage de diffuseur annulaire 18. Ce passage communique avec la volute 20 collectrice de gaz qui fait, à son tour, passer le gaz dans la tu- bulure de refoulement 22 (Fig. 2). La section trans- versale de la volute 20 augmente progressivement dans le sens de l'écoulement du gaz vers la tubulure de refou- lement, tandis que la profondeur du passage de diffu- seur 18 diminue progressivement dans le même sens. Le rotor représenté est d'un type à fût fermé et comprend un plateau postérieur 24, des ai- lettes 26 qui s'incurvent en hélice et un fit an- térieur 28. Le trajet d'écoulement du gaz à travers le rotor va de son entrée centrale vers sa sortie péri- phérique et est défini entre le plateau postérieur 24 et le fCt antérieur 28. Le compresseur représenté est équipé d'un système de réglage de capacité servant à assurer sa dé- charge interne. On modifie la capacité du compresseur en positionnant une série d'aubes de guidage d'entrée pour l'aspiration du compresseur (dont une seulement est indiquée en 30 et est en position de fermeture). Le positionnement des aubes de guidage est commandé par le déplacement d'un piston annulaire 32 dont la position est, à son tour, réglée par le volume d'huile contenu dans deux chambres d'huile annulaires 34 et 36, l'écoulement de l'huile entrant dans une chambre et sortant de l'autre et inversement étant assuré par un système tel que celui décrit dans le brevet des Etats-Unis d'Amérique no 3.350.897. Le compresseur représenté est également équipé d'un registre ou de ce qui est parfois appelé bloc diffuseur 38 qui est d'une pièce avec le ' piston 32 et qui se déplace, par conséquent, dans le même sens que les aubes de guidage d'entrée 30. A me- sure que la capacité du compresseur diminue, le registre pénètre dans le passage de diffuseur pour faire correspondre le volume de ce passage au débit de gaz réglé par les aubes de guidage d'entrée. Sur la Fig. 1, les aubes de guidage d'entrée 30 et le re- gi'stre 38 sont représentés dans une position en substance fermée. Dans la position opposée, l'aube pi- vote vers une positidon en substance parallèle à l'écou- lement du gaz et le registre 38 est sorti du passage de diffuseur. Des aubes de guidage d'admis- sion pour le réglage de la capacité et des blocs de diffuseur mobiles sont bien connus et sont décrits, par exemple, dans le brevet des Etats- Unis d'Amérique no 3.289.919. Le rotor 14 est placé dans ce que l'on qualifie de chambre de rotor 40 définie dans l'enveloppe du com- presseur à l'arrière par une paroi postérieure 42 qui est tournée vers le plateau postérieur 24 du rotor et à l'avant par une paroi antérieure 44 qui fait, d'une manière générale, face au fit 28 du rotor et peut être considérée comme se terminant au centre pour délimiter un espace de passage d'admission 46 en amont de la zone d'admission centrale 48 du rotor. La paroi postérieure et la paroi antérieure sont les parties de l'enveloppe du compresseur qui délimitent la chambre de rotor. Suivant l'invention, un dispositif sensible à la température est exposé à l'ambiance d'un espace situé dans la chambre du rotor, mais extérieur au trajet d'é- coulement du gaz à travers ce rotor. Dans le mode de réalisation actuellement préféré de l'invention, le dis- positif sensible à la température comprend une thermistan- ce 50 à coefficient de température positif. L'emplacement habituellement préféré pour la thermistance se situe tout près de la sortie périphérique 16 du rotor. Une thermis- tance qui s'est comportée de manière satisfaisante aux fins de l'invention sur un compresseur particulier est fournie par la Société P.E. T., Inc. sous le numéro de pièce TPB-010685A. L'utilisation d'une thermistance comme dispositif sensible à la température est préférable en raison de ses caractéristiques de réaction, de sa sensibilité, de son prix relativement peu élevé, et de sa facilité de montage quoique n'importe quel dispositif sensible à la température réagissant rapidement puisse être utilisé en lieu et place d'une thermistance. Une thermistance a également l'avantage que s'il est souhaitable de réali- ser un système de recirculation de gaz chaud, l'aptitu- de de la thermistance à la variation de sa résistance avec les variations de la température peut être utile pour modifier tout d'abord la position de fonctionnement d'un compresseur en l'écartant d'un état de pompage au lieu de n'assurer qu'un arrêt du fonctionnement du compresseur. Le principe de l'invention est basé sur la dé- couverte de la Demanderesse que, dans un état de pom- page d'un compresseur, la température de la chambre du rotor s'élève rapidement au-dessus de la température normale de fonctionnement. Dans des essais effectués sur un compresseur donné d'une dimension donnée dont la température normale de fonctionnement est d'environ 5800, la température s'est rapidement élevée jusqu'à plus de 1070C lorsque le compresseur a été soumis à un effet de pompage. Bien que les températures pour le fonctionnement normal et pour le fonctionnement dans des conditions de pompage puissent différer selon les dimensions et les types des compresseurs, le principe est le même dans tous les cas. L'élévation de température qui se produit lors- que le compresseur fonctionne dans des conditions de pompage est provoquée par la chaleur accrue produite par l'efficacité diminuée du compresseur et par l'inaptitude du gaz dont le débit est réduit à évacuer la chaleur. Cela étant, il convient de noter que le contrôle de la température dans le refoulement, à la différence du système conforme à l'invention, n'est pas efficace parce que la température de refoulement d'un compresseur d'agent de refroidissement tel que celui représenté descend réellement lorsque le compres- seur fonctionne dans des conditions de pompage, car le débit de refoulement est essentiellement arrêté. Deux montages de circuits qui peuvent être utilisés pour la détection des pompages et pour leur maîtrise sont représentés sur les Fig. 3 et 4, ces circuits ne comprenant que les composants qui sont uti- lisés en relation directe avec le pompage. Sur la Fig. 3, la thermistance 50 est en série avec un relais sensible au courant continu 52 aui com- prend les interrupteurs normalement ouverts 52a et 52b actionnés par le relais. L'interrupteur 52b est en parallèle avec un interrupteur de réenclenchement 54 et ces deux interrupteurs sont en série avec la thermistance 50 et avec la bobine du relais 52. L'in- terrupteur 52a actionné par le relais est en série avec un relais 56 commandant le fonctionnement du compres- seur qui, lorsqu'il est désexcité, arrête le compres- seur. Pendant un fonctionnement normal, la résistance de la thermistance 50 est suffisamment basse pour per- mettre au relais 52 de rester excité, de manière à maintenir les interrupteurs 52a et 52b fermés et ainsi à permettre la poursuite du fonctionnement du compres- seur et le maintien de l'excitation du relais 56. Lors- que la température dans la chambre du rotor à l'endroit de la thermistance s'élève par suite d'un état de pom- page naissant, la résistance de la thermistance aug- mente de manière correspondante, diminuant ainsi la tension présente dans le relais 52, de sorte que ce dernier se désexcite et ouvre ses interrupteurs 52a et 52b qui, à leur tour, désexcitent le relais 56 et, par conséquent, arrêtent le compresseur. Dans la réalisation de la Fig. 4, un certain nombre de parties du circuit sont les mêmes et remplis- sent les mêmes fonctions de base. Cependant, un re- lais supplémentaire 58 est prévu en parallèle avec le relais 52, le relais 58 comportant un interrupteur de commande 58a qui est en série avec un solénoïde 60 commandant une valve 62 dans le circuit de recircula- tion de gaz chaud représenté schématiquement sur la Fig. 1. Le relais 58 est conçu, par rapport au relais 52, de manière à être désexcité à une tension plus élevée que celle à laquelle le relais 52 est désexcité. Ainsi, à mesure que la température dans la chambre du rotor augmente et est mesurée par la thermistance 50, la chute de tension croissante qui apparaît dans la thermistance en raison de sa résistance croissante en- traîne tout d'abord la désexcitation du relais 58 qui provoque, à son tour, la fermeture de l'interrupteur 58a et l'excitation du solénoïde 60 et ainsi l'ouver- ture de la valve 62 pour faire recirculer du gaz chaud à partir du refoulement vers l'admission du compres- seur. Si ceci s'avère impropre à atténuer l'état de pompage, l'augmentation supplémentaire de la tempéra- o10 ture dans les chambres du rotor provoque une nouvelle chute de tension dans la thermistance entraînant ul- térieurement la désexcitation du relais 52 et ainsi l'arrêt du compresseur, comme décrit avec référence à la Fig. 3. RE V END I C AT I ON S 1. Compresseur de gaz centrifuge comprenant une enveloppe qui contient une chambre de rotor contenant un rotor centrifuge tournant, des passages faisant partie d'un trajet d'écoulement de gaz qui traverse le rotor, et des moyens de maîtrise du pompage servant à transformer un état de pompage naissant du compresseur en un état de non pompage, caractérisé en ce qu' aux moyens de maîtrise du pompage est associé un dispositif sensible à la température 50 servant à détecter une élévation de température reflétant un état de pompage naissant, le dis- positif sensible à la température étant disposé dans une posi- tion de détection de l'élévation de température par rapport à un espace 40 situé à l'intérieur de la chambre du rotor, mais extérieur au trajet d'écoulement du gaz. 2. Compresseur de gaz centrifuge suivant la revendication 1, dans lequel les passages comprennent un passage d'admission et un passage de refoulement et le rotor comporte une entrée centrale communiquant avec le passage d'admission et une sor- tie périphérique communiquant avec le passage de refoulement, caractérisé en ce que l'espace est placé tout près du rotor 14 entre l'entrée centrale 48 et la sortie périphérique 16. 3. Compresseur de gaz centrifuge suivant la revendication 2 dans lequel le rotor comprend un fût antérieur délimitant 1' entrée centrale, et un plateau postérieur espacé du fQt anté- rieur et formant, avec celui-ci, la sortie périphérique, ca- ractérisé en ce que l'espace est situé directement derrière le rotor près de son plateau postérieur 24. 4. Compresseur de gaz centrifuge suivant la revendication 2 ou 3, caractérisé en ce que le dispositif sensible à la tempé- rature 50 est exposé à l'ambiance de l'espace à un endroit situé tout près de la sortie périphérique du rotor 16. 5. Compresseur de gaz centrifuge suivant la revendication 2, 3 ou 4, caractérisé en ce que le passage d'admission 10 com- prend un espace de passage d'admission 46 contenant un dispo- sitif de réglage de la capacité 30 servant à régler la sec- tion d'écoulement efficace de l'espace de passage d'admission. 6. Compresseur de gaz centrifuge suivant la revendication 5, caractérisé en ce que le passage de refoulement 18-20 comprend un passage de diffuseur 18 auquel un registre 38 est associé, ce registre étant relié de manière à fonctionner en associa- tion avec le dispositif de réglage de la capacité. 7. Compresseur de gaz centrifuge suivant l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le disposi- tif de mattrise du pompage comprend un relais 52-52a 58-58a actionné par une tension réglée par le dispositif sensible à la température 50 en fonction de l'élévation de température détectée, le relais réagissant à un niveau de tension pour permettre au compresseur de continuer à fonctionner dans un état de non pompage, à un autre niveau de tension pour provo- quer une circulation de gaz chaud dans le compresseur et à un troisième niveau de tension pour arrêter le compresseur. 8. Compresseur de gaz centrifuge suivant l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le disposi- tif sensible à la température 50 est une thermistance. 9. Compresseur de gaz centrifuge suivant la revendication 8, caractérisé en ce que la thermistance est connectée en cir- cuit avec le relais* 10. Procédé pour détecter des conditions de pompage dans un compresseur de gaz centrifuge comportant une enveloppe qui contient une chambre de rotor contenant un rotor centrifuge tournant et des passages faisant partie d'un trajet d'écou- lement de gaz traversant le rotor, caractérisé en ce qu'une élévation de température reflétant un état de pompage nais- sant est détectée dans un espace qui est placé dans la cham- bre du rotor, mais extérieur au trajet d'écoulement du gaz. 13 2459388 11. Procédé de commande d'un compresseur de gaz centrifuge soumis à des conditions de pompage et comprenant une envelop- pe qui contient une chambre de rotor contenant un rotor cen- trifuge tournant et des passages faisant partie d'un trajet d'écoulement de gaz qui traverse le rotor, caractérisé en ce qu'une élévation de température reflétant un état de pompage naissant est détectée dans un espace qui est situé à l'inté- rieur de la chambre du rotor mais à l'extérieur au trajet d' écoulement de gaz, et des moyens sont actionnés, lors de la détection de cette élévation de température, pour modifier les conditions de débit et de pression dans le compresseur en vue de l'amener dans un état de non pompage.