Brevet FR2672636A1 — publié le 19920814

i MACHINE TOURNANTE DU TYPE COMPRESSEUR OU TURBINE POUR LA COMPRESSION OU LA DETENTE DTUN GAZ DANGEREUX L'invention concerne une machine tournante du type compresseur ou turbine pour la compression ou la dé- tente d'un gaz dangereux, par exemple toxique ou explo- sif. De telles machines sont utilisées notamment dans l'industrie chimique, pour le traitement du gaz na- turel, etc Comme cela est bien connu dans la technique, un compresseur ou une turbine comprend un stator dans le- quel est formée une chambre annulaire de circulation de gaz, un rotor monté tournant dans cette chambre, un arbre rotatif sur lequel est fixé le rotor et qui s'étend à l'extérieur du stator à travers un passage d'arbre de ce- lui-ci, et des paliers de guidage et de support de l'arbre qui sont montés dans ce passage d'arbre du sta- tor. L'arbre du rotor est relié, à l'extérieur du stator, à un autre arbre qui est menant dans le cas d'un compresseur ou mené dans le cas d'une turbine. Lorsqu'une telle machine est utilisée pour le traitement d'un gaz dangereux, il est essentiel d'assurer et de maintenir dans le temps une étanchéité parfaite au gaz, visant notamment à interdire les fuites de gaz vers l'extérieur qui peuvent se produire le long de l'arbre du rotor. L'invention a précisément pour but de résoudre ce problème de façon simple, efficace et peu coûteuse. Elle propose, à cet effet, une machine tour- nante du type précité pour la compression ou la détente d'un gaz dangereux, par exemple toxique ou explosif, ca- ractérisée en ce qu'elle comprend une cloche montée à étanchéité sur l'extérieur du stator autour dudit passage d'arbre et délimitant une enceinte fermée remplie de li- quide, des moyens de pressurisation du liquide dans cette enceinte à une pression au moins égale ou légèrement su- périeure à celle maximale du gaz dans la chambre annu- laire du stator, des moyens d'étanchéité au liquide agen- cés dans ledit passage d'arbre entre l'arbre du rotor et le stator du côté de ladite chambre annulaire de circula- tion des gaz, ces moyens autorisant un très faible débit de fuite du liquide vers la chambre annulaire du stator, et des moyens de liaison de l'arbre du rotor à un deuxième arbre extérieur au stator, ces moyens comprenant un accouplement magnétique rotatif, qui peut être à ai- mants permanents dont les uns sont portés par l'arbre du rotor à l'intérieur de ladite cloche et dont les autres sont portés par le deuxième arbre à l'extérieur de la cloche. L'invention permet donc d'assurer l'étanchéité voulue autour de l'arbre du rotor à la traversée du sta- tor, en contrariant les fuites de gaz sous pression qui pourraient se produire le long de cet arbre, par une pression supérieure de liquide régnant à l'extérieur du stator dans une enceinte étanche entourant le passage d'arbre Le faible débit de fuite de liquide autorisé entre ce passage d'arbre et la chambre annulaire de cir- culation de gaz dans le stator évite une usure rapide des moyens d'étanchéité au liquide prévus dans le passage d'arbre et garantit leur durée de vie Par ailleurs, l'accouplement magnétique assure une transmission de couple entre l'arbre du rotor et l'arbre extérieur au stator, sans traversée de la cloche délimitant l'enceinte étanche remplie de liquide. Selon une autre caractéristique de l'invention, la chambre annulaire du stator comporte des moyens de récupération du débit de fuite précité du li- quide. On évite ainsi que les gaz sortant de la ma- chine selon l'invention comprennent des traces de li- quide. Selon une autre caractéristique de l'invention, les moyens d'étanchéité au liquide compren- nent un joint mécanique humide, du type comprenant une pièce annulaire à surface dure, solidaire de l'arbre du rotor et appliquée à pression sur une pièce complémen- taire solidaire du stator. De tels moyens d'étanchéité sont relativement peu coûteux et utilisables avec une bonne efficacité jusqu'à des vitesses de rotation de l'ordre de 3000 à 3500 t/mn. Selon encore une autre caractéristique de l'invention, le rotor est constitué d'au moins une roue de compresseur ou de turbine périphérique. Les compresseurs et turbines périphériques sont bien connus dans la technique pour leur rendement élevé à vitesse de rotation moyenne, de l'ordre de 3000 tours par minute. Comme les accouplements magnétiques ont égale- ment pour caractéristique d'assurer une bonne transmis- sion jusqu'à des vitesses maximales de rotation de l'ordre de 3 à 4000 tours par minute, on constate que la machine selon l'invention est remarquablement homogène, ses composants essentiels (l'accouplement magnétique, le joint mécanique humide et la roue de compresseur ou de turbine périphérique) ayant des vitesses optimales de fonctionnement qui sont du même ordre. Selon une autre caractéristique de l'invention, les moyens de pressurisation du liquide à l'intérieur de ladite cloche comprennent un multiplica- teur de pression, dont une entrée est raccordée par une prise de pression à la chambre annulaire du stator, et dont la sortie est reliée à l'enceinte délimitée par la- dite cloche. Ce multiplicateur de pression peut être réglé à un rapport légèrement supérieur à 1 (par exemple 1,1), pour garantir que la pression du liquide dans la cloche sera toujours légèrement supérieure à celle du gaz dans la chambre annulaire du stator, en dépit d'éventuelles variations de cette pression de gaz. Avantageusement, ces moyens de pressurisation du liquide font partie d'un circuit fermé de liquide, comprenant une pompe de circulation, un échangeur de cha- leur pour le refroidissement du liquide et des passages de liquide débouchant respectivement à l'intérieur de la- dite cloche et dans le passage d'arbre du stator. Cela permet notamment de maintenir la tempéra- ture du liquide à une valeur relativement constante. Selon encore une autre caractéristique de l'invention, le stator comprend une chambre intermédiaire traversée par l'arbre du rotor et ménagée entre la chambre annulaire de circulation de gaz et le passage d'arbre précité, cette chambre intermédiaire étant limi- tée axialement par des garnitures sèches d'étanchéité, portées par l'arbre du rotor, des moyens étant prévus pour amener un gaz de barrage sous pression élevée dans cette chambre intermédiaire entre les garnitures sèches d'étanchéité, et un gaz de balayage sous faible pression dans un espace annulaire formé autour de l'arbre du rotor entre cette chambre intermédiaire et le passage d'arbre précité. On assure ainsi l'étanchéité au liquide de la machine selon l'invention, et on évite tout mélange du liquide et du gaz circulant dans le stator, même en cas de défaut du joint mécanique humide. L'invention sera mieux comprise et d'autres caractéristiques, détails et avantages de celle-ci appa- raîtront plus clairement à la lecture de la description qui suit, faite à titre d'exemple en référence aux des- sins annexés, dans lesquels: la figure 1 est une vue schématique en coupe axiale d'une machine selon l'invention; la figure 2 est une vue schématique partielle en coupe axiale, à plus petite échelle, d'une variante de réalisation de cette machine. La machine représentée à titre d'exemple en figure 1 est un compresseur périphérique, destiné au traitement d'un débit de gaz dangereux, par exemple toxique ou explosif. De façon classique, ce compresseur comprend un stator 10, dans lequel est ménagée une chambre annulaire 12 de circulation de gaz Un rotor 14, constitué d'une roue de compresseur périphérique, comporte des aubes 16 tournant dans la chambre annulaire 12 pour la mise en vi- tesse et la compression du gaz. De façon classique dans un compresseur péri- phérique, un obturateur 18 est agencé dans la chambre an- nulaire 12, entre les débouchés d'un conduit d'amenée et d'un conduit de sortie de gaz (non représentés) formés dans le stator. Le rotor 14 est monté sur une extrémité d'un arbre de rotation 20, qui traverse un passage d'arbre 22 présenté par le stator et qui est supporté et guidé dans ce passage d'arbre au moyen de paliers 24. Une cloche 26, de forme cylindrique à fond bombé 28, est fixée de façon étanche à sa base sur le stator, à l'extérieur de celui-ci et autour du passage d'arbre 22, de façon à délimiter une enceinte étanche 30 dans laquelle sont logés le passage d'arbre 22, l'extrémité de l'arbre 20 sortant de ce passage d'arbre, et une pièce annulaire 32 solidaire de l'arbre 20 et por- tant sur sa surface périphérique extérieure des aimants permanents 34, qui sont au voisinage immédiat de la paroi cylindrique de la cloche 26. Cette pièce 32 et ces aimants permanents 34 font partie d'une accouplement magnétique, comprenant, à l'extérieur de la cloche 26, une pièce annulaire 36 soli- daire d'un arbre moteur 38 coaxial à l'arbre 20 du rotor, des aimants permanents 40 étant prévus sur la surface pé- riphérique interne de la pièce 36 en étant disposés en correspondance des aimants précités 34 et en étant sépa- rés de ces derniers par la paroi cylindrique de la cloche 26. La cloche 26 peut être réalisé en un alliage métallique tel que celui commercialisé sous la dénomina- tion HASTELLOY, cet alliage étant de préférence amagné- tique et non conducteur, et elle peut aussi être réalisée10 en un matériau composite, par exemple en fibres de car- bone, pour éliminer les courants de Foucault dans l'accouplement magnétique. L'enceinte étanche 30 délimitée par la cloche 26 est destinée à être remplie d'un liquide sous pres- sion, dont l'une des fonctions est la lubrification des paliers 24 Ce liquide peut donc être de l'huile lorsque les paliers 24 sont des roulements à billes ou de l'eau lorsqu'on utilise des paliers 24 hydrodynamiques, ou tout autre liquide approprié. A l'extrémité du passage d'arbre 22 située du côté de la chambre annulaire 12 de circulation de gaz, des moyens d'étanchéité au liquide sont agencés entre l'arbre 20 et le stator Comme cela a été schématiquement représenté en figure 1, ces moyens d'étanchéité compren- nent un joint mécanique humide, comportant une pièce an- nulaire 42 montée à étanchéité sur l'arbre 20 et entraî- née en rotation par celui-ci, cette pièce annulaire 22 présentant une surface radiale dure appliquée à pression sur une surface radiale d'une pièce correspondante 44 du stator Ce type de joint autorise un très faible débit de fuite de liquide en direction de la chambre annulaire 12 du stator, lorsque la pression du liquide est supérieure à la pression des gaz dans le stator Eventuellement, des moyens de récupération de ce débit de fuite de liquide sont prévus dans le stator le long du rotor, comme indi- qué en 46, si l'on veut réduire les traces de liquide présentes dans le gaz traité. La pression du liquide dans l'enceinte 30 est régulée par des moyens de pressurisation, comprenant dans l'exemple représenté un multiplicateur de pression 48 dont une entrée est reliée à une prise de pression 50 si- tuée juste en aval du joint mécanique humide 42, 44 et dont la sortie est reliée à un conduit 52 formé dans le stator et débouchant à l'intérieur de la cloche 26 De préférence, le multiplicateur de pression 48 fait partie d'un circuit fermé de liquide, comprenant un échangeur de chaleur 54 monté en sortie du multiplicateur de pression et une pompe étanche 56 de circulation à entraînement ma- gnétique. L'entrée de liquide dans le multiplicateur de pression 48 est reliée à un conduit 58 débouchant dans le passage d'arbre 22, en amont du joint mécanique humide 42. Le fonctionnement de ce compresseur découle à l'évidence de ce qui précède. L'arbre moteur 38 entraîné en rotation autour de son axe transmet un couple moteur à l'arbre 20 du ro- tor par l'intermédiaire de l'accouplement magnétique constitué par les pièces 32 et 36 et les aimants perma- nents 34 et 40 L'arbre 20 entraîné en rotation fait tourner les aubes 16 du rotor dans la chambre annulaire 12 du stator, pour la mise en vitesse et la compression du gaz dans cette chambre La pression de gaz appliquée au multiplicateur de pression 48 détermine une pression de liquide légèrement supérieure dans la cloche 26 Cette pression supérieure de liquide s'oppose à toute pénétra- tion de gaz dans le passage d'arbre 22 et provoque un très faible débit de fuite de liquide par le joint méca- nique humide 42 vers la chambre annulaire 12, ce débit de fuite étant par exemple de l'ordre de 0,5 à lcm 3 par heure Eventuellement, ce débit de fuite peut être récu- péré en 46 avant sa pénétration dans la chambre annulaire 12 de circulation du gaz. Les vitesses de rotation maximales de l'accouplement magnétique, du joint mécanique humide 42 et de la roue de compresseur périphérique sont bien adap- tées les unes aux autres ( de l'ordre de 3000 à 4000 t/mn au maximum) et garantissent un fonctionnement opti- mal de l'ensemble. L'échangeur de chaleur 54 permet de maintenir le liquide dans l'enceinte 30 à une température de l'ordre de 50 à 60 'C au maximum La pression du liquide est par exemple de 20 bars, lorsque la pression de gaz est de 18 bars environ dans l'enceinte annulaire 12. Une variante de réalisation de ce compresseur a été représentée de façon partielle en figure 2. Le compresseur de la figure 2 comprend les mêmes éléments que celui de la figure 1, à savoir un sta- tor 10 à chambre annulaire 12 de circulation de gaz, dans laquelle tourne un rotor 14 constitué d'une roue de com- presseur périphérique, monté sur un arbre 20 guidé et supporté par des paliers 24 logés dans un passage d'arbre 22 présenté par le stator Comme dans le mode de réalisa- tion précédent, le passage d'arbre 22 est entouré exté- rieurement par une cloche (non représentée) délimitant une enceinte étanche remplie de fluide sous pression, et un accouplement magnétique (non représenté) permet la transmission à l'arbre 20 d'un couple moteur Un joint mécanique humide 42, semblable à celui représenté en fi- gure 1, est prévu entre l'arbre 20 et le stator, à la sortie du passage d'arbre 22 orientée vers la chambre an- nulaire 12. Dans cette variante de réalisation, une chambre intermédiaire 60 est ménagée dans le stator 10 entre cette sortie du passage d'arbre 22 et la chambre annulaire 12 de circulation de gaz Cette chambre inter- médiaire 60 est limitée axialement par des garnitures d'étanchéité sèches 62 portées par l'arbre 20 et coopé- rant avec des surfaces radiales correspondantes 64 du stator 10 Un conduit 66 formé dans le stator 10 permet d'amener dans cette chambre intermédiaire 60 un gaz de barrage sous pression relativement élevée, supérieure à la pression du gaz dans la chambre annulaire 12, ce gaz de barrage étant compatible avec le gaz circulant dans le stator et pouvant être lui-même dangereux. Par ailleurs, un autre conduit 68 formé dans le stator 10 permet d'amener un gaz de balayage sous pression relativement faible, dans l'espace annulaire 70 ménagé dans le stator autour de l'arbre 20, entre la chambre intermédiaire 60 et l'extrémité correspondante du passage d'arbre 22 o se trouve situé le joint mécanique humide 42. La chambre intermédiaire 60 et cet espace an- nulaire 70 sont reliés à l'extérieur du stator par des conduits de sortie de gaz 72 et 74 respectivement. Ces conduits de sortie 72 et 74 sont reliés à des moyens de reprise de gaz, menant par exemple à des moyens de combustion, tels qu'une torchère ou analogue. En fonctionnement, le gaz de barrage sous pression relativement élevé, qui est amené dans la chambre intermédiaire 60 par le conduit 66, peut fuir d'un côté vers la chambre annulaire 12 de circulation de gaz et de l'autre côté dans l'espace annulaire 70 entou- rant l'extrémité du passage d'arbre 22 et le joint méca- nique humide 42 Le gaz de balayage amené dans cet espace annulaire 70 par le conduit 68 permet d'évacuer, par le conduit de sortie 74, le débit de fuite de gaz de barrage et le débit de fuite de liquide arrivant dans cet espace annulaire 70 Les gaz sortant de la chambre intermédiaire par le conduit 72 et de l'espace annulaire 70 par le conduit 74 sont ensuite, par exemple, conduits à une tor- chère ou autre moyen de combustion approprié. Dans cette variante de réalisation de la fi- gure 2, un défaut du joint mécanique humide 42 n'a pas d'incidence sur le fonctionnement du compresseur, le gaz de barrage amené dans la chambre intermédiaire 60 s'opposant à tout passage de liquide vers la chambre annulaire 12 de circulation de gaz. La sortie 72 de gaz de barrage peut être sup- primée, le gaz de barrage fuyant alors d'un côté vers la chambre annulaire 12 et de l'autre côté vers l'espace an-10 nulaire 70. il REVENDICATIONS 1 Machine tournante du type compresseur ou turbine pour la compression ou la détente d'un gaz dange- reux, par exemple toxique ou explosif, comprenant un sta- tor ( 10) dans lequel est formée une chambre annulaire ( 12) de circulation du gaz, un rotor ( 14) monté tournant dans ladite chambre, un arbre rotatif ( 20) sur lequel est fixé le rotor et qui s'étend à l'extérieur du stator à travers un passage d'arbre ( 22) de celui-ci, des paliers ( 24) de guidage et de support de l'arbre, montés dans le- dit passage d'arbre du stator, et des moyens de liaison de l'arbre ( 20) à un deuxième arbre ( 38), extérieur au stator et qui est menant dans le cas d'un compresseur ou mené dans le cas d'une turbine, caractérisée en ce qu'elle comprend une cloche ( 26) montée à étanchéité sur l'extérieur du stator ( 10) autour dudit passage d'arbre ( 22) et délimitant une enceinte fermée ( 30) remplie de liquide, des moyens ( 48) de pressurisation du liquide dans l'enceinte ( 30) à une pression au moins égale ou lé- gèrement supérieure à la pression maximum du gaz dans la chambre annulaire ( 12) du stator, des moyens ( 42) d'étanchéité au liquide, agencés dans ledit passage d'arbre ( 22) entre l'arbre du rotor et le stator du côté de ladite chambre annulaire ( 12) de circulation du gaz et autorisant un très faible débit de fuite du liquide vers la chambre annulaire ( 12), les moyens de liaison précités comprenant un accouplement magnétique rotatif. 2 Machine selon la revendication 1, caracté- risée ce que l'accouplement magnétique est à aimants per- manents dont les uns ( 34) sont portés par l'arbre du ro- tor à l'intérieur de ladite cloche ( 26) et dont les autres ( 40) sont portés par le deuxième arbre ( 38) à l'extérieur de la cloche ( 26). 3 Machine selon la revendication 1 ou 2, caractérisée en ce que le stator comprend des moyens ( 46) de récupération du débit de fuite de liquide. 4 Machine selon la revendication 1, 2 ou 3, caractérisée en ce que lesdits moyens d'étanchéité au li- quide comprennent un joint mécanique humide du type com- prenant une pièce annulaire ( 42) à surface dure solidaire de l'arbre ( 20) et appliquée à pression sur une pièce complémentaire ( 44) solidaire du stator. Machine selon l'une des revendications pré- cédentes, caractérisée en ce que le rotor comporte au moins une roue de compresseur ou de turbine périphérique. 6 Machine selon l'une des revendications pré- cédentes, caractérisée en ce que sa vitesse de rotation est limitée à une valeur maximale de l'ordre de 3000 à 3500 t/mn. 7 Machine selon l'une des revendications pré- cédentes, caractérisée en ce que ladite cloche ( 26) est réalisée en alliage amagnétique et non conducteur ou en matériau composite par exemple à fibres de carbone. 8 Machine selon l'une des revendications pré- cédentes, caractérisée en ce que les moyens de pressuri- sation du liquide comprennent un multiplicateur de pres- sion ( 48) dont une entrée est raccordée par une prise de pression ( 50) à la chambre annulaire ( 12) du stator et dont la sortie est reliée à l'enceinte ( 30) délimitée par ladite cloche. 9 Machine selon l'une des revendications pré- cédentes, caractérisée en ce que les moyens ( 48) de pres- surisation du liquide font partie d'un circuit fermé de liquide, comprenant une pompe de circulation ( 56), un échangeur de chaleur ( 54) pour le refroidissement du li- quide, et des passages de liquide ( 52, 58) débouchant à l'intérieur de ladite cloche ( 26) et dans le passage d'arbre ( 22) respectivement. Machine selon l'une des revendications précédentes, caractérisée en ce que le stator ( 10) com- prend une chambre intermédiaire ( 60) traversée par l'arbre ( 20) du rotor et ménagée entre la chambre annu- laire ( 12) de circulation de gaz et le passage d'arbre ( 22) précité, cette chambre intermédiaire ( 60) étant li- mitée axialement par des garnitures sèches d'étanchéité ( 62) portées par l'arbre ( 20) du rotor, des moyens étant prévus pour amener un gaz de barrage sous pression rela- tivement élevée dans cette chambre annulaire ( 60) entre lesdites garnitures sèches d'étanchéité, et un gaz de ba- layage sous pression relativement faible dans un espace annulaire ( 70) formé autour de l'arbre ( 20) du rotor entre ladite chambre intermédiaire ( 60) et le passage d'arbre ( 22). 11 Machine selon la revendication 10, caractérisée en ce que cet espace annulaire ( 70) est relié par un conduit ( 74) de sortie de gaz à des moyens de reprise de gaz, menant par exemple à des moyens de combustion.