Brevet FR2596463A1 — publié le 19871002

COMPRESSEUR CENTRIFUGE A HAUTE VITESSE. La présente invention concerne un perfectionnement à un compresseur centrifuge de fluide gazeux comprenant une roue (ou turbine) de compression montée directement sur 11 arbre de rotation du rotor d'un moteur électrique à grande vitesse, ce rotor étant. supporté en rotation par au moins deux paliers utilisant ledit fluide comme fluide porteur. On rappelle qu'il existe deux solutions permettant d'éviter l'utilisation, dans le montage rotatif de l'arbre commun au rotor et à la roue de compression, de roulements à billes qui, aux vitesses de rotation élevées du moteur (de l'ordre de 50.000 tours/mn), se dégradent très rapidement, ainsi que des circuits de lubrification faisant intervenir un lubrifiant liquide, qui, outre leurs complexités et leurs coûts, peuvent constituer une source de pollution du fluide compressé, notamment du fréon, dans le cas où le compresseur est utilisé dans une installation de climatisation ou de réfrigération. L'une de ces deux solutions consiste à utiliser des paliers hydrostatiques comportant chacun un manchon cylindrique dans lequel est logé à glissement avec un léger jeu un tronçon cylindrique de l'arbre, ce jeu dépendant de la vitesse de rotation de l'arbre et de l'état des surfaces en regard. La deuxième solution consiste à utiliser des paliers hydrodynamiques utilisant comme fluide porteur le gaz comprimé par la roue et amené par des canalisations. Or, il s'avère que ces solutions ne fournissent pas tous les éléments susceptibles de résoudre l'ensemble des problèmes de frottement qui existent entre l'arbre de rotation et les éléments qui le supportent, notamment lorsque cet arbre est vertical. En effet, il apparaît clairement que le montage de l'arbre de rotation doit nécessairement comprendre, en plus des paliers qui réalisent son centrage radial, des moyens permettant d'assurer son maintien axial ,et, en conséquence, celui de la turbine et du rotor. Ainsi, on a déjà proposé à cet effet des paliers hydrostatiques ou hydrodynamiques permettant d'éviter des couples de frottement qui, à la vitesse de rotation élevée du moteur, sont la source d'échauffement et d'usure. Toutefois ces dispositions demeurent relativement complexes et coûteuses et pour la plupart ne conviennent pas à la gamme de vitesses de rotation dont il est question ici. L'invention a donc tout d'abord pour but de résoudre ce problème d'une façon simple et particulièrement efficace qui utilise l'effort de traction effectué sur l'arbre par la turbine sous l'effet du fluide comprimé. Elle propose donc un compresseur du type susdit, à arbre de rotation vertical, ou légèrement incliné par rapport à la verticale, et faisant plus particulièrement intervenir - une roue de compression agencée de manière à etre soumise, lors de sa rotation, à un effort axial, sous l'effet des forces résistantes exercées par le fluide - des paliers utilisant ledit fluide pour assurer le centra ge de l'arbre et son glissement rotatif, ces paliers étant agencés de manière à autoriser un déplacement axial dudit arbre ; et - au moins un dispositif de butée basse permettant de limi ter vers le bas le jeu axial de cet arbre. Le compresseur est alors conformé de manière à ce qu'à la vitesse nominale du moteur, le poids de l'ensemble rotatif comprenant notamment le rotor du moteur, l'arbre de rotation et la roue de compression, soit sensiblement équilibré par l'effort axial exercé par le fluide et, qu'en conséquence, le couple de frottement exercé au niveau du dispositif de butée soit réduit au minimum, voire même supprimé. Bien entendu, le compresseur précédemment décrit peut comprendre deux dispositifs de butées axiales haut et bas permettant de limiter le jeu axial de l'arbre de rotation entre deux positions axiales respectivement haute et basse. Par ailleurs, les paliers servant à assurer le-centrage de l'arbre et son glissement rotatif peuvent être avantageusement du type comprenant un manchon tubulaire muni d'une pluralité d'ailettes intérieures, uniformément réparties sur la surface intérieure du manchon, qui s'étendent tangentiellement à une surface cylindrique imaginaire, et dont les bords intérieurs délimitent un volume libre cylindrique par lequel passe un tronçon cylindrique correspondant, de diamtè- tre légèrement inférieur, de l'arbre de rotation. Dans ce cas, pour une vitesse de rotation suffisamment élevée du moteur, le centrage de ce tronçon cylindrique est alors réalisé par des coins de fluide à haute pression qui s'établissent entre la surface du tronçon et les régions des ailettes situées au voisinage dudit tronçon. Un mode de réalisation de l'invention-sera décrit ci-après, à titre d'exemple non limitatif, avec référence aux dessins annexés dans lesquels : La figure 1 est une coupe axiale d'un compresseur selon l'invention ; La figure 2 est une coupe transversale schématique d'un palier utilisé dans le compresseur de la figure 1. Tel que représenté sur la figure 1, le compresseur comprend, une enceinte étanche 2 présentant une paroi cylindrique 4 dont la partie inférieure est obturée par un fond 5 et la partie supérieure est refermée par un couvercle 6. Cette enceinte 2 renferme un bâti 10 en forme de pot comprenant une paroi latérale cylindrique 12 définissant un axe géométrique vertical 13, et un fond 14 pourvu d'un bossage 26 en saillie vers le bas dans lequel est pratiqué un alésage borgne 28 centré sur l'axe 13. Ce bâti 10 est rigidement fixé à l'enceinte 2 au moyen d'une collerette 16 fixée au moyen de boulons 18 sur des pattes de fixation 8 soudées sur la paroi cylindrique 4 dans un même plan transversal. A l'intérieur de l'alésage borgne 28 sont successivement montés un disque 34 reposant sur le fond 26 et présentant une surface supérieure évidée par un trou conique 36 centré sur l'axe 13 et dans lequel repose une bille 38 et un palier 30 du type de celui représenté sur la figure 2. Le bâti 10 est par ailleurs refermé par un chapeau 40 fixé sur la collerette 16 au moyen de vis 42. Ce chapeau 40 comporte, dans sa partie centrale, un support cylindrique 44 pourvu d'un alésage traversant 46 centré sur ledit axe 13. Cet alésage 46 contient également un palier 48 du type de celui représenté sur la figure 2. Dans les paliers 30 et 48 est monté rotatif un arbre 52 dont la partie centrale porte un rotor de moteur 60 et dont l'extrémité inférieure comprend un trou conique coaxial 58 venant porter sur la bille 38 lorsque le moteur est à l'arrêt ou tourne à faible vitesse. Cet arbre 52 se prolonge au-delà du palier 48 par une partie supérieure 66 de plus faible diamètre sur laquelle est emmanchée à force une roue de compression 68, de type classique comportant des ailettes 69 centrifuges, définissant une embouchure d'entrée 70 axiale se rétrécissant pour former une surface de sortie latérale 72 communiquant avec une chambre torique 74 formée à l'intérieur du chapeau 40. Cette chambre 74 est connectée à un conduit de sortie haute pression 80 passant, de façon étanche, au travers de l'enceinte 2. Une ouie 82 est disposée autour de la roue 68 de telle manière qu'elle épouse la forme extérieure des ailettes 69. La fixation de cette ouie 82 dans un alésage court du chapeau 40 est assurée par un circlips. Le rotor 60 coopère avec un stator de moteur électrique 62 monté sur la paroi 12 du bâti 10 et fixé par des vis 64 sur le fond 14. Ce stator 62 est relié par des connecteurs (non représentés) à une source électrique à haute fréquence pour permettre au moteur constitué par le stator et le rotor d'atteindre des vitesses de rotation élevées, par exemple de l'ordre de 50.000 tours/mn. L'arrivée du fluide par exemple du fréon (basse pression) s'effectue par l'intermédiaire d'un orifice d'admission 20 prévu dans la partie inférieure de l'enceinte 2. A partir de cet orifice 20, le gaz aspiré par la roue de compression peut circuler au travers du bâti 10 grâce à des évidements 22, 24 prévus notamment dans le fond 14 et dans la paroi latérale 12, ce qui assure un bon refroidissement du moteur et de ses pivoteries. Comme précédemment mentionné, l'arbre 52 est monté rotatif dans les paliers 30, 48 mais peut axialement coulisser dans ceux-ci. Son jeu axial est cependant limité par deux dispositifs de butée dont l'un (butée basse) est constitué par la bille 38 qui, à l'arrêt et aux basses vitesses de rotation du moteur, joue le rôle d'une crapaudine et dont l'autre (butée haute) est constitué par un épaulement radial 101 (éventuellement conique) venant en butée contre un flanc radial 102 (éventuellement conique) du palier 48. I1 convient de noter que sur la figure 1, le jeu axial de l'arbre 52, repéré par l'écart entre l'épaulement 101 et le flanc 102, a été exagéré pour le rendre visible. En réalité, ce jeu péut être très faible et de toute façon limité au jeu possible de la roue de compression. Comme précédemment mentionné, les paliers 30, 48 utilisés dans ce compresseur sont du type de celui représenté schématiquement sur la figure 2 qui comprend - un manchon tubulaire 104 dont le diamètre extérieur 105 est sensiblement égal à celui des alésages 28, 46 - une pluralité d'ailettes intérieures 106 uniformément réparties sur la surface intérieure du manchon 104, qui s'étendent tangentiellement à une surface cylindrique imaginaire 107 et dont les bords intérieurs 108 délimitent un volume libre cylindrique par lequel passe un tronçon cylindrique correspondant 54-56, de diamètre légèrement inférieur, de l'arbre de rotation 52. Sur cette figure, on a représenté les coins de fluide 109 localement à haute pression qui se forment lorsque le moteur tourne à grande vitesse dans les régions angulaires saillantes comprises entre les ailettes 106 et les tronçons 54, 56, ces coins de fluide assurant le centrage de l'arbre 52 et son glissement rotatif sans contact avec les ailettes 106. On rappelle qu'à ces vitesses élevées, grâce aux différences de pression s'exerçant sur la roue de compression, le fluide brassé exerce une traction sur l'ensemble rotatif de la roue de compression 68/arbre de rotation 52/rotor 60 qui tend à équilibrer son poids et assure, en conséquence, sa sustenta- tion. De ce fait, le montage crapaudine constitué par la bille 38 et les trous coniques 36, 58 ne joue plus le rôle de support et ne donnera plus lieu à un couple de frottement significatif. L'invention permet donc de résoudre de façon très simple et particulièrement efficace tous les problèmes de frottement de l'ensemble des éléments en rotation du compresseur, qui, en raison de sa vitesse élevée de rotation, paraissait a priori difficilement soluble. Revendications 1. Compresseur centrifuge de fluide gazeux à grande vitesse du type comprenant une roue de compression entrainée en rotation par un moteur électrique comprenant un rotor et un stator, ladite roue et ledit rotor étant assujettis à un arbre commun vertical ou faiblement incliné par rapport à la verticale supporté en rotation par au moins deux paliers utilisant ledit fluide comme fluide porteur, caractérisé en ce que :: - la roue de compression (68) est agencée de manière à être soumise à un effort axial, sous l'effet des pressions exercées par le fluide lors de sa compression t - les paliers (30 et 48) sont conçus de manière à assurer le centrage de l'arbre (52) et son glissement rotatif tout en lui permettant un déplacement axial - le jeu axial dudit arbre (52) est limité vers le bas grâce à un dispositif de butée basse (36, 38, 58), et en ce qu'il est conformé de manière à ce qu'à la vitesse nominale du moteur, le poids de l'ensemble rotatif comprenant notamment ledit rotor (60), ledit arbre (52) et ladite roue (68), soit sensiblement équilibré par ledit effort axial. 2. Compresseur selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comprend deux dispositifs de butée axiale (101, 102 et 36, 38, 58) permettant de limiter le jeu axial de l'arbre de rotation (52) entre deux positions axiales, respectivement haute et basse. 3. Compresseur selon l'une des revendications 1 et 2, caractérisé en ce que lesdits paliers (30, 48) comprennent un manchon tubulaire (104) muni d'une pluralité d'ailettes intérieures (106), uniformément réparties sur la surface intérieure du manchon (104) et comprenant des bords intérieurs (108) délimitant un volume libre cylindrique par lequel passe un tronçon cylindrique (54, 56) correspondant, de diamètre légèrement inférieur, de l'arbre de rotation (52).