Brevet FR2583824A1 — publié le 19861226

Compresseur centrifuge comportant un étage d'appoint et un étage de recyclage. La présente invention a pour objet un compresseur centrifuge et plus particulièrement un com- presseur centrifuge comportant un étage de pompage d'appoint et un étage de recyclage. Dans les compresseurs centrifuges con- nus qui comportent d'une part un étage de pompage d'ap- point pour accroîtro la pression d'un gaz d'une basse pression à une haute pression et d'autre part, un éta- ge de pompage de recyclage pour recycler le gaz d'un réacteur de procédé, la différence entre la poussée axiale développée par l'étage de pompage d'appoint et la poussée axiale développée par l'étage de pompage de recyclage est compensée par la poussée axiale dévelop- pée par un piston d'équilibrage destiné à assurer la compensation des poussées. Dans le compresseur centrifuge suivant la technique antéiieare Mentionnée ci-dessus, les pous- sées sont équilibrées entre elles pendant le fonction- nement normal. Cependant, quand on arrête le fonction- nement du compresseur, la pression du gaz établie par l'étage d'appoint diminue brusquement alors que la pression régnant dans l'étage de recyclage ne diminue pas rapidement du fait que le volume du gaz du réseau de recyclage est grand. En conséquence, l'équilibre des poussées est temporairement détruit et une poussée exagérée est appliquée au palier de butée. En outre, quand le fonctionnement d'une unité de refroidissement disposée dans le réseau de recyclage est modifié, l'équilibre des forces peut être détruit. Pour résoudre le problème ci-dessus, on a proposé de prévoir un palier de butée plus grand, de manière à avoir une marge de sécurité. Cependant le palier de butée accroit les pertes de façon très désavantageuse. On a également proposé de déclencher un signal d'alarme quand la différence des pressions de gaz dans l'étage d'appoint et l'étage de recyclage dépasse une valeur prédéterminée mais celà diminue le rendement de fonctionnement. La présente invention se propose de résou- dre les problèmes exposés ci-dessus et elle a notam- ment pour but de maintenir l'éqilibre entre les pous- sées axiales non seulement pendant le fonctionnement normal du compresseur centrifuge, mais aussi pendant les périodes transitoires telles que la période de démarrage et la période d'arrêt du compresseur. A cet effet, la présente invention concer- ne un compresseur centrifuge comportant un étage de pompage d'appoint avec au moins une roue de compres- sion, un premier piston d'équilibrage pour développer une poussée axiale en équilibre avec la poussée axia- le développée par.l'étage de pompage d'appoint, un étage de recyclage avec au moins une roue et un second piston d'équilibrage disposé entre l'étage de pompage d'appoint et l'étage de recyclage, les roues et les pistons étant montés solidairement sur le même arbre et dans le même carter, les diamètres du premier et du second pistons d'équilibrage ainsi que d'une bague de garniture disposée du côté de l'aspiration de la roue de l'étage de recyclage étant sensiblement égaux. Conformément à la présente invention, étant donné que le premier piston d'équilibrage dé- veloppe une poussée axiale en équilibre avec la pous- sée axiale développée par l'étage d'appoint, la poussée axiale de l'étage d'appoint est en équilibre avec la poussée axiale du premier piston d'équilibra- ge. Etant donné que les diamètres du premier piston d'équilibrage, du second piston d'équilibrage disposé entre l'étage de recyclage et l'étage d'appoint et de la bague de garniture disposée du côté de l'aspi- ration de la roue de l'étage de recyclage sont sensi- blement identiques, l'étage de recyclage peut mainte- nir l'équilibrage de la poussée axiale indépendamment de l'étage d'appoint. La présente invention va maintenant être décrite plus en détail en se référant au dessin an- nexé représentant un exemple de réalisation de l'in- vention. Dans ce dessin, la fiqure unique est une vue partielle en coupe longitudinale d'un compresseur centrifuge conforme à l'invention. Dans ce compres- seur, un étage d'appoint a accroît la pression d'un gaz d'une basse pression à une haute pression et un étage de recyclage b recycle le gaz d'un réacteur de procédé. Il est généralement prévu un grand nombre d'étages d'appoint, bien que l'on n'ait représenté qu'un dernier étage et un étage précédant ce dernier étage. L'étage de recyclage est en général unique. Sur le i,ême arbre 6 sont montés ou calés une roue 1 du dernier étage d'appoint a, une roue 2 de l'étage d'appoint précédent, une roue 3 de l'étage de recycla- ge b, un premier piston d'équilibrage 5 et un second piston d' équilibrage 4 disposé entre l'étage d'appoint a et l'étage de recyclage b, ces éléments étant mon- tés dans le même carter et étant fixés sur l'arbre 6 par vissage d'un écrou 7. Les diamètres du second pis- ton d'équilibrage- 4 et d'une bague de garniture 8 dis- posée du côté de l'aspiration de la roue 3 de l'étage de recyclage b sont égaux au diamètre D du premier piston d'équilibrage 5. Le gaz s'écoulant dans la roue 2 est as- piré dans la roue 1 à travers un diffuseur 9 et sort par un diffuseur 10 après avoir traversé la roue 1. Le gaz du réseau de recyclage est aspiré par un orifice d'admission 11 et s'écoule dans la roue 3. Le gaz traversant la roue 3 sort ensuite par un diffuseur 12. Une partie du gaz qui sort est envoyée par un perçage de traversée 13 au second piston d'équilibrage 4 pour éviter que le gaz de l'étage d'ap- point a pénètre dans l'étage d'équilibrage b. Le per- çage de traversée 13 n'est pas un élément indispensa- ble quand la présente invention est mise en pratique. Une chambre A, disposée du côté droit du premier piston d'équilibrage 5, est reliée par une conduite 14 à un orifice d'aspiration d'un premier étage d'appoint. Les références numériques 15 et 17 dési- gnent respectivement une bague de garniture et un man- chon séparateur dans le dernier étage d'appoint. Les références numériques 16 et 18 désignent respective- ment une bague de garniture et un manchon séparateur de l'avant-dernier étage d'appoint. La référence numé- rique 19 désigne un joint à labyrinthe. La poussée axiale totale exercée sur l'ar- bre par l'étage de recyclage est toujours égale à zéro. A l'intérieur du diamètre D, étant donné que la chambre d'aspiration B de la roue 3 communique par un passage 20 avec une chambre C située du côté droit du second piston d'équilibrage 4, la pression qui règne dans les chambres B et C est égale à la pression d'aspiration P3. En outre, étant donné que le diamètre D de la bague de garniture 8 de la roue 3 est égal au diamètre D du second piston d'équilibrage 4, la poussée axiale agissant sur le second piston d'équilibrage vers la gauche sous l'action de la pression d'aspiration Pr est en équilibre avec la poussée axiale agissant sur la roue 3 vers la droite. A l'extérieur du diamètre D, étant donné que la pression s'exerçant sur la surface arrière du flasque principal de la roue 3 et la 25858Z4 pression s'exerçant sur la surface arrière du flasque latéral sont sensiblement identiques et dirigées dans des sens opposés et que le diamètre D de la bague de garniture 8 est égal au diamètre D du premier piston d'équilibrage 5, la poussée axiale due à ces pressions n'agit pas. En outre, étant donné que la force de pres- sion agissant sur la roue 3 vers la gauche et la force de pression agissant sur le premier piston d'équilibrage vers la droite sont égales en valeur absolue et s'exer- cent dans des sens opposes, ces deux forces s'annulent mutuellement. Il en résulte que la poussée axiale totale exercée par l'étage de recyclage b sur l'arbre 6 est toujours égale à zéro. En d'autres termes, la poussée axiale produite dans l'étage de recyclage est équilibrée indépendamment de(s) l'étage(s) d'appoint. Le diamètre D du premier piston d'équi- librage 5 est déterminé de manière que la poussée axiale due à ce premier piston d'équilibrage 5 soit en équili- bre avec la poussée axiale due à l'étage d'appoint. On va maintenant étudier la poussée axiale de la roue 2 dans l'avant dernier étage d'ap- point. La poussée axiale F2r agissant sur la roue 2 vers la droite est exprimé par: F2r = n (dl2 - d22)P2aJ4 Dans cette équation, dl désigne le diamè- tre de la bague de garniture 16, d2 le diamètre du man- chon séparateur et P2a désigne une pression d'aspira- tion. D'autre part, la poussée axiale F21 agis- sant sur la roue 2 vers la gauche est exprimée par: F21 - (dl2 - d22) P2c4. Dans cette équation, d2 désigne le dia- mètre de la bague de garniture 17, P2c désigne la pres- sion s'exerçant sur le flasque principal de la roue 2 et qui est approximativement égale à la pression de sortie P2b, mais est cependant légèrement différente car l'influence de la rotation de la roue 2 s'exerce en cet emplacement. A l'extérieur du diamètre dl, étant don- né que la pression agissant sur la surface arrière du flasque principal de la roue 2 et la pression agissant sur la surface arrière du flasque latéral sont sensi- blement égales et dirigées en sens inverse, la poussée axiale due à ces pressions n'agit pas. Par conséquent, il s'exerce sur la roue 2 une force de poussée axiale dirigée vers la droite égale à F2r - F21.De même, une poussée axiale dirigée vers la gauche s'exerce sur les autres étages d'appoint. La poussée axiale Flr agissant vers la droite sur la roue 1 du dernier étage d'appoint est donnée par Flr = i (dl2 - d22) Pla/4. Dans cette équation, dl désigne le diamè- tre de la bague de garniture 15,d2 le diamètre de la bague de garniture 17 et Pla la pression d'aspiration. D'autre part, la poussée axiale Fll agis- sant vers la gauche sur la roue 1 et sur l'ensemble du second piston d'équilibrage dans l'étage d'appoint est donnée par l'équation: fll = w(d1 -D2)P1c/4, dans laquelle dl est le diamètre de la bague de garni- ture 15, D est le diamètre du second piston d'équili- brage et Plc est la pression s'exerçant sur le flasque principal de la roue 1, cette pression étant sensible- ment égale à la pression Plb, mais cependant légèrement différente parce que l'influence de la rotation de la roue 2 s'exerce en cet emplacement. Si l'on désigne par P la pression (pres- sion absolue) régnant dans la chambre située du côté droit du premier piston d'équilibrage 5, la poussée axiale Fbl agissant vers la gauche sur lepremier piston d'équilibrage 5 est donnée par l'équation: Fbl = w (D2 do2)PJ4 dans laquelle D est le diamètre du premier piston d'é- quilibrage et do est le diamètre de l'arbre. En conséquence, la condition pour que la poussée axiale agissant vers la droite sur l'arbre 6 soit égale à zéro quand le nombre de roues ou étages élémentaires de l'étage d'appoint est égal à deux, est donnée par: F2r F21 + Flr - Fll + Fbl =0, le diamètre D satisfaisant à l'équation cidessus peut être déterminé théoriquement ou expérimentalement. Quand le nombre des étages élémentaires de l'étage d'appoint est égal à trois ou davantage, la valeur D est définie de façon similaire. La chambre située à droite du premier piston d'équilibrage 5 ne communique pas obligatoirement avec le premier étage d'appoint et peut, par exemple, communiquer avec une zone intermé- diaire entre le premier étage élémentaire d'appoint et le second étage élémentaire d'appoint. Comme décrit précédemment, chacun des étages d'appoint produit une poussée axiale dirigée vers la gauche et le diamètre D du premier piston d'équilibrage 5 est déterminé pour produire une poussée correspondant à la somme des poussées axiales produites par chacun desdits étages d'appoint. En conséquence, la poussée axiale de l'étage d'appoint est en équilibre avec la poussée axiale produite par le premier piston d'équilibrage 5, indépendamment de l'étage de recyclage. Etant donné que la poussée axiale produite dans l'étage d'appoint et la poussée axiale produite par le premier piston d' quilibrage sont toutes les deux proportion- nelles à la pression d'aspiration du premier étage d'appoint et à la pression de sortie du dernier étage d'appoint, lesvariations de la poussée axiale sont faibles, même si les conditions de fonctionnement de l'étage d'appoint sont modifiées. -Quand le compresseur centrifuge est ar- rêté, même si la pression du gaz dans l'étage d'appoint diminue rapidement et même si la pression du gaz dans l'étage de recyclage ne diminue pas rapidement, on Évite qu'une poussée axiale exagérée soit exercée sur Ie palier de butée parce que la poussée axiale due à l'étage d'appoint et la poussée axiale due à l'étage de recyclage sont équilibrées indépendamment l'une de l'autre. En outre, même si le point de fonctionnement de l'étage d'appoint ou de l'étage de recyclage est déplacé à partir du point de fonctionnement normal de façon indépendante par suite des conditions de fonc- tionnement de l'étage d'appoint ou de l'étage de re- cyclage pendant le fonctionnement du compresseur cen- trifuge, aucune poussée exagérée ne s'exerce comme précédemment sur le palier de butée. Etant donné que la poussée axiale due à l'étage d'appoint est en équilibre avec la poussée axia- le du premier piston d'équilibrage et que la poussée axiale de l'étage de recyclage est équilibrée indépen- damment de l'étage d'appoint, on évite qu'une poussée axiale exagérée soit exercée sur le palier de butée par suite des variations des conditions de fonctionne- ment de l'étage d'appoint en cours de fonctionnament et lors du démarrage ou de l'arrêt du compresseur centrifuge. La mise en application de la présente invention n'augmente guère le prix de revient, ce prix pouvant plutôt être réduit par suppression de l'ins- tallation d'alarme et par suite du coefficient de tra- vail amélioré. REVENDICATIONS 1 . Compresseur centrifuge de compression comportant un étage d'appoint (a) avec au moins une roue de compression (1), un premier piston d'équilibrage (5) pour dévelop- per une poussée axiale en équilibre avec la poussée axiale développée par l'étage d'appoint un étage de recyclage (b) avec au moins une roue (3) et un second piston d'équilibrage (4) disposé entre l'étage d'ap- point (a) et l'étage de recyclage (b), les roues et les pistons étant nmontés solidairement sur le même arbre (6) dans le même carter, caractérisé en ce que les diamètres du premier piston d'équilibrage (5), du second piston d' équilibrage (4) et d'une bague de garniture (8) disposée du c8té de l'aspiration de la roue (3) de l'étage de recyclage (b) sont sensiblement égaux (D). 20. Compresseur centrifuge selon la re- vendication 1, caractérisé en ce que l'étage d'appoint (a) constitue un compresseur à plusieurs étages i lé- mentaires (2,3) pour accrottre la pression d'un gaz d'une basse pression à une haute pression. 3 . Compresseur centrifuge selon la re- vendication 1, caractérisé en ce que l'étage de re- cyclage (b) constitue un organe de pompage destiné à recycler le gaz d'un réacteur de procédé. 4 . Compresseur centrifuge selon la re- vendication 1, caractérisé en ce que la pression (pi développant la poussée axiale dans le premier piston d'équilibrage (5) est sensiblement égale à la pression d'aspiration du premier étage élémentaire d 'appoint.