Brevet FR2583827A1 — publié le 19861226

-f Machine tournante à plusieurs roues coaxiales, notam- ment compresseur centrifuge. La présente invention a pour objet une machine tournante du type comportant plusieurs roues coaxiales qui sont montées solidairement sur un arbre principal et elle concerne plus particulièrement le perfectionnement d'un rotor de machine tournante telle que compresseur centrifuge turbine à vapeur, turbine à gaz ou similaire monté à chaud sur l'arbre principal. Pendant la rotation des roues d'un compresseur centrifuge à charge élevée et à vitesse de rotation élevée, une force de poussée, développée par une force centrifuge d'intensité élevée ainsi que par la différence de pression qui s'établit à la traversée de chacune des roues, s'exerce sur celles-ci. Pour cet- te raison, il est nécessaire de maintenir très préci- séement la position du centre de rotation pendant le fonctionnement de la machine tournante, en évitant tout glissement des roues sous l'effet de la force de poussée, quelle que soit l'importance de la dilatation du dia- mètre intérieur des roues en direction radiale sous l'action de la force centrifuge. Pour éviter le glisse- ment des roues le long de l'arbre principal l'inveniton consiste à utiliser exclusivement le procédé de solida- risation des roues à l'arbre principal par montage à chaud, au lieu des procédés classiques faisant appel aux cannelures, aux clavettes, au montage à force ou aux systèmes similaires. Pour faciliter la compréhension de l'invention, on a représenté sur la Fig.2 l'un des procédés classiques pour monter des roues solidairement sur l'arbre principal. La partie de surface latérale intérieure G de chacune des roues 1 est montée à chaud sur l'arbre principal 2 et des parties D, cons- tituées chacune d'un manchon 3, indépendant et distinct les roues 1, sont également montées à chaud sur l'arbre. Il est bien connu que les machines rota- tives les plus récentes ont tendance à fonctionner dans des conditions de vitesse de rotation élevée et à charge élevée. En conséquence, le risque existe que la machine rotative ne puisse pas avoir un fonctionnement stable si les roues sont montées solidairement sur l'arbre princi- pal conformément au procédé de montage à chaud classi- que. Etant donné que les roues 1 tournent à une vitesse de rotation élevée, une force contrifuge de grande in- tensité est développée, ce qui produit une dilatation accrue de la partie de surface latérale intérieure G en direction radiale. Pour garantir due le couple est bien trans- mis de l'arbre principal 2 à la roue 1 et que cet arbre principal 2 est mis en rotation, il faut qu'une force de frottement d'intensité suffisamment élevée s'établis- se entre la surface extérieure de l'arbre principal 2 et la paroi intérieure de chacune des roues 1, en opposi- tion à la force axiale résultant de la pression exercée sur les roues. Pour remplir cette condition, il est né- cessaire de prévoir une cote de montage à chaud suffi- sante, c'est-à-dire une cote de serrage suffisante. Lorsque la cote de montage à chaud aug- mente, les contraintes qui apparaissent en direction tangentielle par rapport à la paroi latérale intérieure de la roue pendant le montage à chaudaugmentent. Il en résulte une différence de contraintes accrue entre celles qui s'établissent pendant le fonctionnement du compresseur et celles qui ont lieu pendant l'arrêt de celui-ci. Cela fait que la partie de surface latérale intérieure de chacune des roues se dilate et de contrac- te à chaque démarrage du compresseur et à chaque arrêt de son fonctionnement. En conséquence, on observe une variation de la distribution des pressions superficielles agissant sur les roues en direction axiale. Cela conduit au déplacement des roues 1 par rapport à l'arbre princi- pal 2 et il y a donc un risque de mise en vibration du rotor. Par exemple, si l'on suppose que le dia- mètre extérieur des roues 1 est égal à 400 mm, que le diamètre intérieur de celles ci est égal à 130 mm et que la vitesse de rotation est de 15 000 tours par mi- nute, le diamètre intérieur se dilate d'une cote égale à 211000 x(diamètre intérieur) environ quand les roues sont mises en rotation. Si l'on fixe à l'avance une cote de mon- tage à chaud de 2,5/1000 x (diamètre intérieur), il en résulte que seule une cote de montage à chaud ou de ser- rage de 0,5J1000 x (diamètre intérieur) agit encore pendant la rotation des roues. Cela signifie que la cote de montage à chaud effective mentionnée précédemment (serrage) n'est pas suffisante pour garantir une trans- mission sûre du couple de l'arbre principal 2 aux roues 1 et pour développer une force de frottement qui ré- siste de façon satisfaisante aux conséquences des dif- férences de pression qui s'établissent à la traversée des roues. En outre, pour réaliser un montage à chaud avec une cote de 2,5J1000 x(diamètre intérieur), il est nécessaire que chacune des roue soit chauffée dans un four à une température comprise entre 300 et 350 C et toute conditon d'accroissement de la distance de mon- tage à chaud est contrecarrée si l'on considère la tem- pérature de chauffage. Ainsi, la présente invention a été établie en gardant les problèmes précédents présents à l'es- prit et elle a pour objet de créer une machine tour- nante qui évite de façon sûrement effective et sûre, la mise en vibration du rotor par suite du montage non suffisamment serré des roues sur l'arbre principal. 2583S27 L'invention permet donc d'obtenir une grande fragilité de fonctionnement de la machine. L'invention a également pour but de cré- er une machine tournante pouvant utiliser un arbre principal ayant la même longueur que ceux des machines tournantes classiques, par suite des caractéristiques avantageuses qui seront décrites dans la suite. A cet effet, l'invention concerne une machine tournante du type comportant plusieurs roues à aubes montées solidairement sur un arbre principal, caractérisée en ce que chacune âes roues est munie d'un manchon de montage sur l'arbre réalisé en une seule pièce avec la roue, ledit manchon étant monté à chaud sur ledit arbre principal dans une position éloignée de la partie principale de la roue en considérant la direc- tion de l'axe de l'arbre principal, cette position étant déterminée conformément à la théorie de la résistance des matériaux de manière que la déformation de la roue en direction radiale par suite de la force centrifuge produite-par la rotation de la machine tournante n'ait aucun effet notable à l'emplacemaent du manchon. D'autres buts, caractéristiques et avan- tages de la présente invention, résultent de la des- cription ci-après en se référant aux dessins annexés, dans lesquels: - la fig. 1 est une vue en coupe partiel- le d'un rotor destiné à un compresseur centrifuge suivant un exemple de réalisation préférentiel de l'invention; - la Fig.2 est une vue en coupe partiel- le d'un rotor classique destiné à un compresseur cen- trifuge représenté de façon similaire à la Fig.1 L'invention va maintenant être décrite plus en détail en se référant à la Fig.1 qui repr6sen- te un exemple de réalisation préférentiel. Z583827 La Fig.1 représente un rotor de compres- seur centrifuge à l'aide d'une vue en coupe partielle. Plusi.urs roues 1 sont montées à chaud sur un arbre principal 2 avec leurs parties A formant des manchons. Dans un but de simplification, la description ci-après ne concernera que la roue du milieu d'un jeu de trois roues. Comme on le voit sur la figure, la roue 1 est constituée par la combinaison d'une série d' aubes 11 avec un flasque latéral 12 et un flasque principal 13. Une grande partie de la force centrifuge produite par la rotation de la roue 1 s'exerce sur la partie de sur- face latérale intérieure du flasque principal 13. -Com- me cela est enseigné par la théorie de la résistance des matériaux, une distance L à laquelle la force cen- trifuge produite par la roue 1 n'a aucun effet sur le manchon A peut être représentée par l'inégalité ci-a- près: L > 1,8 V--RT Dans cette inégalité: R désigne le rayon moyen de la partie de roue formant manchon, T désigne l'épaisseur moyenne de la par- tie de longueur L. La présente invention consiste en ce que le manchon A est éloigné de la partie de surface laté- rale intérieure B du flasque principal 13, suivant la distance L déterminée par l'inégalité ci-dessus, la force centri- fuge produite par la rotation de la roue 1 s'exerçant directement sur la partie de surface latérale intérieure B du flasque principal 13. L'exemple de réalisation re- présenté sur la Fig.1 se rapporte à un compresseur à plusieurs étages à aspiration unilatérale, trois roues seulement étant représentées sur la figure. Il est cependant clair que la présente invention ne doit pas itée à ce seul exemple de réalisation mais être limitée à ce seul exemple de réalisation mais qu'elle peut être mise en application dans le cas d'un compresseur à plusieurs étages avec aspiration bilaté- rale. Dans le mode de réalisation représenté, lemanchon A est disposé du côté gauche par rapport à la roue 1, en regardant la figure. En variante, le man- chon peut être disposé du c8té droit, c'est-à-dire à l'arrière par rapport à la roue 1. Comme on le voit sur la figure, un jeu étroit t est prévu entre la partie de surface latérale intérieure B de la roue I et l'ar- bre principal 2 ainsi que sur la partie de distance L entre la roue et l'arbre principal 2. En outre, sur la figure, la référence numérique 4 désigne une série de saillies appartenant à un labyrinthe. Le mode de fonctionnement de l'invention est décrit ci-après: Comme on peut le comprendre aisément à partir de la description qui précède, la partie A formant un manchon est entièrement libérée de 1 'influ- ence de la force centrifuge produite par la rotation de la roue. Il en est ainsi parce que ce manchon est éloi- gné de la partie B d'une distance qui est déterminée par la théorie de la résistance des matériaux, la par- tie B étant une zone active sous l'effet de la force centrifuge. Etant donné que la partie A, formant man- chon et montée à chaud, est considérée comme un cylindre à paroi mince, il est évident que les contraintes et la dilatation de cette partie A en direction radiale sous l'action de la force centrifuge produite par la rotation de la roue peuvent être faibles. On va en faire la description ci-dessous en se référant à un exemple concret. On suppose que la partie A, en forme de manchon, a un diamètre extérieur de 142 mm et un diamè- tre intérieur de 130 mm, cette partie tournant à une vitesse de 15 000 tours par minute. A ce moment, la cote de dilatation du diamètre intérieur de la partieA en forme de manchon en direction radiale est égale à 0,5J1000 x (diamètre intérieur). Si la cote de montage à chaud est prédéterminée à 2,5J1000 x (diamètre inté- rieur), il en résulte qu'il subsiste une cote effectué de montage à chaud (serrage) de 2J1000 x (diamètre in- térieur) pendant la rotation de la roue. Il n'est donc pas possible que la roue se désolidarise de l'arbre principal et le fonctionnement stable du compresseur est assure. Lorsque la machine rotative suivant l'in- vention est construite comme indiqué ci-dessus, le problème posé par la mise en vibration du rotor en raison du montage relâché des roues à aubes sur l'ar- bre principal sous l'action des charges élevées. Une plus grande fiabilité de la machine tournante est ainsi assurée. Si l'on considère la struc- ture de la machine tournante, la modification effectuée se limite à ce qui le manchon n'est plus distinct mais est transformé en un manchon solidaire. il n'y a donc aucun changcment en ce qui concerne la longueur de l'arbre principal. REVENDICATIONS 14. Machine tournante notamment compres- seur centrifuge du type comportant plusieurs rouE coa- xiales montées solidairement sur un arbre principal (2) caractérisée en ce que chacune des roues (1) est munie d'un manchon (A) de montage sur l'arbre réalisé en une seule pièce avec la roue, ledit manchon étant monté à chaud sur ledit arbre principal (2) dans une position éloignée de la partie principale (B} de la roue en con- sidérant la direction de l'axe de l'arbre principal (2} cette position étant déterminée conformément à la théo- rie de la résistance des matériaux de manière que la déformation de la roue en direction radiale par suite de la force centrifuge produite par la rotation de la ma- chine tournante n'ait aucun effet notable à l'emplace- ment du manchon. 2". Machine tournante selon la revendi- cation 1, caractérisée en ce que si l'on désigne par R le rayon moyen de la partie formant un manchon (A), par L la distance de la partie de surface latérale in- térieure de la roue (1) au manchon et par T l'épaisseur moyenne de la partie intercalée entre partie de surface latérale intérieure et le manchon, la distance L est dé- terminée en accord avec l'inégalité suivante: L >_ 1,8 VT 3 . Machine tournante selon l'une quelcon- que des revendications 1 et 2, caractérisée en ce qu'un faible jeu annulaire (t) est prévu entre la partie de surface latérale intérieure de chacun des roues (1} et l'arbre principal ainsi qu'entre la partie définie par la longueur L et l'arbre principal (2).