Brevet FR2589957A1 — publié le 19870515

Compresseur de fluide gazeux, associé à un séparateur gaz-liquide. L'invention concerne un compresseur de fluide gazeux qui est associé à un séparateur gaz-liquide placé en amont du compresseur pour recevoir un mélange de gaz et de liquide, séparer le liquide du gaz et alimenter le compresseur uniquement en fluide gazeux. On sait qu'il est impossible d'utiliser des compresseurs centrifuges, axiaux ou périphériques, pour comprimer un mélange de gaz et de liquide, en raison de l'érosion que le liquide provoquerait sur le bord d'attaque des aubes du compresseur, et du balourd qui serait engendré par la séparation gaz-liquide à l'intérieur des roues du compresseur. Pour résoudre ce problème, on a déjà proposé d'associer un compresseur à un séparateur gaz-liquide du type statique qui est placé en amont du compresseur et qui réalise la séparation du gaz et du liquide pour alimenter le compresseur uniquement en gaz. Toutefois, un tel séparateur statique a un coût relativement élevé et un encombrement très important par rapport à celui du compresseur, cet encombrement pouvant atteindre plusieurs dizaines de m3 lorsque le débit de gaz à traiter est important. L'invention a notamment pour but d'apporter une solution simple, efficace et peu coûteuse à ce problème. Elle propose à cet effet un compresseur de fluide gazeux, asâocié à un Séparateur gaz-liquide placé en amont du compresseur pour alimenter celui-ci uniquement en fluide gazeux, caractérisé en ce que le séparateur est constitué par un dispositif rotatif de centrifugation placé à l'intérieur du carter du compresseur et comprenant une roue à aubages entraînée en rotation par l'arbre du compresseur, une enveloppe extérieure tubulaire solidaire de la roue à aubages et entourant celle-ci, et des moyens de collecte et de sortie du liquide séparé du gaz par centrifugation dans le dispositif. L'encombrement du dispositif de centrifugation selon l'invention n'est pas plus important que celui du compresseur proprement dit. De plus, l'ensemble séparateur-compresseur se présente comme un ensemble intégré compact qu'il est facile de mettre en place. Selon une autre caractéristique de l'invention, ce dispositif de centrifugation est alimenté en mélange gaz-liquide par un conduit comprenant des ailettes incurvées fixes de mise en rotation de ce mélange. La roue à aubages du dispositif de centrifugation comprend, en entrée, soit des palets planes parallèles à l'axe de rotation de la roue, soit des aubes incurvées participant à la mise en rotation du mélange gaz-liquide et, en sortie, des pales planes parallèles à l'axe de rotation de la roue, qui se terminent au voisinage immédiat des aubes de la roue d'entrée du compresseur et qui sont alignées angulairement avec celles-ci. On évite ainsi une détente du gaz passant par le dispositif de centrifugation et on obtient, en mouvement relatif par rapport au dispositif de centrifugation, un écoulement axial du gaz à travers ce dispositif. Selon encore une autre caractéristique de l'invention, une chambre de collecte du liquide est formée à une extremité axiale du dispositif de centrifugation et comprend des moyens de prélèvement de liquide. Cette chambre de collecte peut se trouver soit à l'extré- mité amont du dispositif de centrifugation, soit à son extrémité aval, soit entre les deux. Les moyens de prélèvement de liquide peuvent comprendre une roue fixe à aubes, du type roue de turbine centripète, qui est alimentée en liquide par la chambre de collecte et qui est reliée à un passage de liquide débouchant à l'extérieur du carter du compresseur. Lorsque le débit de liquide est relativement faible, les moyens de prélèvement de liquide peuvent comprendre une écope profilée fixe, du type tube de Pitot, reliée à un passage de liquide débouchant à l'extérieur du carter du compresseur. Ces moyens de prélèvement permettent avantageusement de récupérer une partie importante de l'énergie cinétique du liquide et de la transformer en énergie de pression, de sorte qu'il n'est pas nécessaire d'utiliser une pompe pour la sortie du liquide à l'extérieur du carter de l'ensemble séparateur-compresseur. Les moyens de prélèvement de liquide peuvent également comprendre, ou être constitués par des buses portées par la paroi périphérique de la chambre de collecte et qui débouchent à l'extérieur de cette chambre dans un diffuseur fixe monté dans le carter du compresseur. L'ensemble séparateur-compresseur selon l'invention peut comprendre une alimentation radiale en mélange gaz-liquide et comprend alors une volute d'alimentation comportant des ailettes fixes de distribution et des ailettes fixes de mise en rotation du mélange gaz-liquide. En variante, l'ensemble séparateur-compresseur peut être à alimentation axiale, au moyen d'un conduit comprenant un noyau central fixe logeant des paliers et des garnitures d'étanchéité coopérant avec l'arbre du compresseur et relié à un carter tubulaire par des aubes incurvées de mise en rotation du mélange gaz-liquide. L'invention est applicable notamment à un compresseur de forte puissance, par exemple un compresseur d'environ 12 mégawatts, utilisé pour la compression, dans un rapport 2, d'un débit de gaz naturel de l'ordre de 107m3 standard par jour, pouvant contenir jusqu'à 50% en masse de liquide. Dans la description qui suit, faite à titre d'exemple, on se réfère aux dessins annexés, dans lesquels - la figure 1 est une demi-vue schématique en coupe axiale d'un ensemble séparateur-compresseur selon l'invention; - la figure 2 est une vue partielle développée à plat représentant les agencements d'ailettes et d'aubes de l'ensemble séparateur-compresseur selon l'invention; - la figure 3 est une demi-vue schématique en coupe axiale d'une autre forme de réalisation d'un ensemble séparateurcompresseur selon l'invention; - la figure 4 est une vue partielle développée à plat représentant l'agencement des ailettes et des aubes d'une partie de l'ensemble de la figure 3. On se réfère d'abord aux figures 1 et 2, représentant une première forme de réalisation d'un ensemble séparateurcompresseur selon l'invention. Le compresseur représenté en figure 1 est un compresseur centrifuge à deux étages, comprenant deux roues à aubes 10 et 12 solidaires d'un arbre 14 d'entrainement en rotation et montées dans un carter 16 de type classique. La partie avant 18 du carter 16 contient un séparateur gaz-liquide, constitué par un dispositif de centrifugation comprenant une roue 20 à aubages, qui est par exemple solidaire en rotation de la roue 10 du premier étage du compresseur, et qui est constituée par une bague cylindrique interne 22 et une bague tubulaire externe 24 reliées entre elles, à l'extrémité amont du dispositif, par des aubes planes 26 parallèles à l'axe de rotation et, à l'extrémité aval du dispositif, par des pales planes 28 qui sont angulairement alignées avec les extrémités amont des aubes 11 de la roue d'entrée 10 du compresseur. La bague externe 24 constitue l'enveloppe externe du dispositif de centrifugation et comprend par exemple, à son extrémité aval, une bride annulaire 30 par laquelle elle peut être fixée sur une bride annulaire 32 correspondante de la roue d'entrée 10 du compresseur. Cette bague externe 24 est de forme légèrement tronconique et va en s'élargissant en direction de la roue d'entrée 10 du compresseur. Un chambrage de la surface interne de la bague 24, à son extrémité aval, forme une chambre 34 de collecte de liquide qui contient des moyens de prélèvement de liquide. Lorsque le débit de liquide à prélever n'est pas trop important, ces moyens peuvent être constitués, comme représenté en figure 1, par une écope profilée fixe 36, du type tube de Pitot, dont l'extrémité radialement externe est située dans la chambre de collecte 34 et dont l'extrémité opposée est reliée à un conduit fixe 38 disposé entre la bague interne 22 du dispositif de centrifugation et l'arbre 14 du compresseur, ce conduit 38 aboutissant à l'extérieur du carter du compresseur. En variante, la chambre 34 de collecte de liquide et les moyens 36 de prélèvement pourraient être disposés à l'extrémité amont du dispositif de centrifugation, afin de ne pas perturber l'écoulement de gaz à l'entrée du compresseur. Le carter de l'ensemble séparateur-compresseur peut être à alimentation axiale de mélange gaz-liquide, comme représenté en figure 1, et est associé dans ce cas à un conduit fixe d'alimentation comprenant un carter axial 42 et un noyau central 44 qui entoure l'extrémité amont de l'arbre d'entranement 14 et permet de loger les paliers et garnitures d'étanchéité coopérant avec cette extrémité de l'arbre 14. Le carter 42 et le noyau central 44 sont reliés par des ailettes incurvées 46 réalisant une mise en rotation du mélange gaz-liquide correspondant au sens de rotation du dispositif de centrifugation indiqué par la flèche 40 en figure 2. Le conduit 38 de sortie de liquide est prolongé vers l'amont jusqu'au noyau central 44 et traverse radialement le conduit d'alimentation pour aboutir à l'extérieur de ce dernier. Le fonctionnement de cet ensemble est le suivant Le mélange gaz-liquide s'écoulant dans le carter 42 subit une déviation lorsqu'il rencontre le noyau central 44 du conduit d'alimentation. Cette déviation permet de récu- pérer, sur la paroi interne du carter 42, les plus grosses gouttelettes de liquide qui vont progresser sur cette paroi interne du carter 42 et qui vont pénétrer dans la roue à aubages 20 à la périphérie de celles-ci, en rencontrant les extrémités amont des aubes 26 dans des zones où ces aubes sont renforcées par leur congé de raccordement à la bague externe 24. Le mélange gaz-liquide circulant dans le conduit d'alimentation est mis en rotation autour de l'axe de l'arbre 14 par les ailettes incurvées 46, qui transforment l'écoulement sensiblement axial du mélange gaz-liquide en un écoulement hélicoidal qui est repris par la roue à aubages 20 du dispositif de centrifugation. A l'intérieur de cette roue, les gouttelettes de liquide sont séparées du gaz par effet centrifuge et progressent à l'intérieur de l'enveloppe 24 en direction de la chambre de collecte 34, où le liquide est prélevé par l'écope 36 et dirigé vers l'extérieur par le conduit 38. A l'intérieur de la roue à aubages 20, le mouvement relatif du gaz par rapport à cette roue à aubages est un écoulement axial en direction de la roue d'entrée 10 du compresseur. On se réfère maintenant aux figures 3 et 4 représentant une autre forme de réalisation de l'ensemble séparateur compresseur selon l'invention. De façon générale, cette autre forme de réalisation diffère de celle des figures 1 et 2 en ce que 1'ensemble comprend un conduit radial d'alimentation en mélange gaz-liquide, en ce que la chambre de collecte et les moyens de prélèvement de liquide sont situés à l'extrémité amont du séparateur et en ce que le compresseur comprend trois étages centrifuges. De façon plus précise, l'ensemble séparateur-compresseur comprend un carter 50 dont les extrémités sont raccordées respectivement à un conduit.radial 52 d'alimentation en mélange gaz-liquide et à un conduit radial 54 de sortie de gaz comprimé. Le conduit radial d'alimentation 52 débouche dans une volute 56 comprenant, à son extrémité amont, des ailettes fixes 58 de distribution et, à son extrémité aval, des ailettes fixes 60 de mise en rotation du mélange gaz-liquide. La volute 56 débouche dans une chambre 62 de collecte de liquide, située entre l'extrémité aval de la volute 56 et l'extrémité amont du séparateur gaz-liquide. Cette chambre de collecte 62 contient des moyens de prélèvement de liquide, qui sont constitués dans cet exemple par une roue fixe 64 à aubages, du type roue de turbine centripète, dont l'entrée est au voisinage immédiat de la paroi périphérique de la chambre de collecte 62, et dont la sortie est reliée à une volute 66 logée à l'intérieur du carter 50 et aboutissant à l'extérieur de celui-ci. Comme dans le mode de réalisation précédent, le séparateur est formé par un dispositif de centrifugation comprenant une roue 68 à aubages, constituée par une bague cylindrique interne 70 solidaire en rotation de l'arbre 72 du compresseur, une enveloppe tubulaire externe 74 de forme tronconique, et des aubes ou pales 76,78 reliant la bague interne 70 à l'enveloppe tubulaire externe 74 à leurs extrémités amont et aval respectivement. L'enveloppe tubulaire externe 74 va en s'élargissant en direction de la chambre de collecte 62. Les aubes 76 à l'entrée du dispositif de centrifugation sont incurvées de façon à participer à la mise en rotation autour de l'axe de l'arbre 72 du mélange gaz-liquide, tandis que les pales 78 à a sortie du dispositif sont droites et parallèles à l'axe de rotation, en étant alignées angulairement avec les extrémités amont des aubes 80 de la roue d'entrée 82 du compresseur. Comme indiqué plus haut, ce compresseur est à trois étages et comprend donc deux autres roues à aubes 84 et 86 respectivement, les trois roues tournant à l'intérieur de stators portés par le carter 50. Comme on le voit en figure 3, les volutes de sortie des deux premiers étages du compresseur peuvent être formées avec des orifices calibrés 88 traversant leur paroi périphérique et formant des buses de sortie du liquide qui n'aurait pas été complètement séparé du gaz par le dispositif de centrifugation. Des ensembles de paliers et de garnitures d'étanchéité coopérant avec l'arbre d'entraînement 72 sont supportés par la volute d'alimentation 56 d'une part et par l'extré- mité droite du carter 50, d'autre part. L'ensemble des figures 3 et 4 fonctionne de la façon suivante Le mélange gaz-liquide amené par le conduit radial 52 pénètre dans la volute d'alimentation 56, passe sur les ailettes distributrices 58 et sur les ailettes 60 qui provoquent une mise en rotation du mélange. Cette rotation est accentuée par les aubes d'entrée 76 du dispositif de centrifugation, qui est entraîné en rotation par l'arbre 72 dans le sens indiqué par la flèche 90 en figure 4. A l'intérieur du dispositif de centrifugation, le liquide se sépare du gaz par effet centrifuge, se rassemble dans la chambre de collecte 62 à l'extrémité amont du dispositif de centrifugation, est prélevé par la roue fixe 64 et envoyé dans la volute de sortie 66. La roue 64, du type roue de turbine centripète, permet de récupérer environ 40% de l'énergie cinétique du liquide prélevé et de transformer cette énergie en énergie de pression pour conduire le liquide à l'extérieur du carter du compresseur sans qu'il soit nécessaire d'utiliser une pompe. Le gaz s'écoule de façon quasi-axiale à l'intérieur du dispositif de centrifugation (en mouvement relatif par rapport à ce dispositif) et arrive sur la roue d'entrée du compresseur centrifuge. Dans ce compresseur, le gaz subit trois compressions successives, puis sort par le conduit radial 54. Les gouttelettes très fines de liquide, qui peuvent être encore transportées par le gaz, sont évacuées par les orifices calibrés 88 de la volute de sortie du premier étage du compresseur et, éventuellement, par ceux de la volute de sortie du deuxième étage. Le liquide sortant par les orifices calibrés 88 est récupéré dans un diffuseur fixe et renvoyé le cas échéant dans la volute d'alimentation 56. Lorsque le mélange gaz-liquide alimentant l'ensemble séparateur-compresseur selon l'invention est chargé de particules solides, on peut prévoir de constituer les moyens de prélèvement de liquide par une roue du type roue de turbine centripète, comme représenté en figure 3, et par des buses d'éjection, formées par des orifices calibrés de la paroi périphérique de la chambre de collecte à l'entrée de celle-ci, qui laissent sortir dans un diffuseur fixe une faible fraction du liquide collecté pour évacuer de cette façon les particules solides. Pour fixer les idées, on précise qu'un ensemble séparateurcompresseur selon l'invention peut fonctionner dans les conditions suivantes : - pression d'alimentation du mélange gaz-liquide : de 40 à 150 bars, - débit de mélange gaz-liquide : environ 12 000 m3/heure aux conditions d'alimentation, - proportion de liquide dans le mélange : de O à 50% en masse, - rapport de compression du compresseur : environ 2, - diamètre des roues du compresseur : de 170 à 500 mm environ, selon les cas, - vitesse de rotation : de 40 000 à 10 000 tours/minute, selon le diamètre des roues, - diamètre extérieur de la roue à aubages du dispositif de centrifugation : environ 70% du diamètre des roues du compresseur, - longueur de la roue à aubages : de 300 à 600 mm environ (pour un débit d'environ 12 000 m3/heure), toutes les gouttelettes de liquide ayant un diamètre supérieur à 7 microns étant séparées du gaz sur une longueur de 300 mm environ dans le dispositif de centrifugation. De façon générale, les dimensions de la chambre de collecte et des moyens de prélèvement sont déterminées pour une proportion maximale de liquide susceptible d'entre contenue dans le mélange gaz-liquide. L'invention est utilisable, non seulement pour la compression d'un débit très important de gaz naturel, mais également dans les raffineries, dans les installations de traitement de vapeur, ainsi que dans les systèmes d'alimentation en carburants spéciaux tels que ceux utilisés en aéronautique et qui ont des pressions de vapeur saturante telles qu'une ébullition en masse peut se produire à partir d'une certaine altitude. Revendications. 1.- Compresseur de fluide gazeux, associé à un séparateur gaz-liquide placé en amont du compresseur pour alimenter celui-ci uniquement en fluide gazeux, caractérisé en ce que le séparateur est constitué par un dispositif rotatif de centrifugation placé à l'intérieur du carter (16,18,50) du compresseur, et comprenant une roue à aubages (20,68) entraînée en rotation par l'arbre (14,72) du compresseur, une enveloppe extérieure tubulaire (24,74) solidaire de la roue à aubages (20,68) et entourant celle-ci, et des moyens (34,36;62,64) de collecte et de sortie du liquide séparé du gaz par centrifugation dans le dispositif. 2.- Compresseur selon la revendication 1, caractérisé en ce que le dispositif de centrifugation est alimenté en mélange gaz-liquide par un conduit (42,56) comprenant des ailettes incurvées fixes (46,60) de mise en rotation dudit mélange. 3.- Compresseur selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que la roue à aubages (20) du dispositif de centrifugation comprend, à ses extrémités d'entrée et de sortie, des pales planes (26,28) parallèles à l'axe de rotation de la roue. 4.- Compresseur selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que la roue à aubages (68) du dispositif de centrifugation comprend, en entrée, des aubes incurvées (76) de mise en rotation du mélange gaz-liquide et, en sortie, des pales planes (78) parallèles à l'axe de rotation de la roue. 5.- Compresseur selon la revendication 4 ou 5, caractérisé en ce que les pales planes (28,78) à la sortie de la roue A aubes (20,68) se terminent au voisinage des aubes (11,80) de la roue d'entrée (10,82) du compresseur et sont alignées angulairement avec celles-ci. 6.- Compresseur selon l'une des revendications précédentes, caractérisé par une chambre (34,62) de collecte de liquide, formée à une extrémité axiale du dispositif de centrifugation et contenant des moyens (36,64) de prélèvement de liquide. 7.- Compresseur selon la revendication 6, caractérisé en ce que ladite chambre de collecte (62) est en amont du dispositif de centrifugation. 8.- Compresseur selon la revendication 6, caractérisé en ce que ladite chambre de collecte (34) est en aval du dispositif de centrifugation. 9.- Compresseur selon l'une des revendications 6 à 8, caractérisé en ce que les moyens de prélèvement de liquide comprennent une roue fixe à aubes (64), du type roue de turbine centripète, alimentée en liquide par la chambre de collecte (62) et reliée à un passage de liquide (66) débouchant à l'extérieur du carter du compresseur. 10.- Compresseur selon l'une des revendications 6 à 8, caractérisé en ce que les moyens de prélèvement de liquide comprennent des buses portées par la paroi périphérique de la chambre de collecte et débouchant à l'extérieur de cette chambre dans un diffuseur fixe monté dans le carter du compresseur. 11.- Compresseur selon l'une des revendications 6 à 8, caractérisé en ce que les moyens de prélèvement de liquide comprennent une écope profilée fixe (36), du type tube de Pitot, reliée à un passage de liquide (38) débouchant à l'extérieur du carter du compresseur. 12.- Compresseur selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que l'enveloppe tubulaire (24,74) du dispositif de centrifugation est de forme tronconique et va en s'élargissant en direction de la chambre de collecte (34,62). 13.- Compresseur selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que le dispositif de centrifugation est à alimentation axiale en mélange gaz-liquide par un conduit comprenant un noyau, central fixe (44) logeant des paliers et des garnitures d'étanchéité coopérant avec une extrémité de l'arbre (14) d'entrainement du compresseur et relié à un carter tubulaire (42) par les ailettes incurvées (46) de mise en rotation du mélange gaz-liquide. 14.- Compresseur selon l'une des revendications 1 A 12, caractérisé en ce qu'il comprend un conduit radial (52) d'alimentation en mélange gaz-liquide, débouchant dans une volute d'alimentation (56) comprenant des ailettes de distribution (58) et des ailettes (60) de mise en rotation du mélange gaz-liquide.