Brevet FR2827919A1 — publié le 20030131

continue. Garniture d'étanchéité pour compresseur et compresseur centrifuge pourvu d'une telle garniture. La présente invention se rapporte à une garniture d'étanchéité pour compresseur rotatif, ainsi qu'à un compresseur doté d'une telle garniture d'étanchéité. Les compresseurs rotatifs sont des machines tournantes destinées à véhiculer des fluides compressibles, et ont pour objet de transférer de l'énergie mécanique au fluide qui les traverse en vue d'en accroître la pression. Ils comportent à cet effet un arbre moteur qui entraîne en rotation un ensemble de roues assurant principalement la transmission au fluide de l'énergie mécanique apportée par le moteur entraînant l'arbre. Dans le but de confiner le fluide sous pression à l'intérieur du corps du compresseur, les bouts d'arbre sont pourvus de garnitures sèches à gaz d'étanchéité. De telles garnitures sont classiquement pourvues d'un carter, d'un grain ou glace fixe monté sur le carter et d'un grain tournant solidaire en rotation d'une chemise montée sur l'arbre moteur du compresseur, ces grains étant par exemple sollicités en appui l'un contre l'autre au moyen d'un ressort. Lors du fonctionnement du compresseur, les garnitures d'étanchéité sont soumises à des efforts thermiques importants, dus, notamment, à la température du fluide circulant dans le compresseur, à la détente du fluide au niveau des garnitures d'étanchéité, au cisaillement du film de fluide dans l'interface d'étanchéité entre les faces de frottement respectives des grains tournant et fixe, et à des pertes par ventilation engendrées lors de la rotation du grain tournant dans le fluide véhiculé par le compresseur. Il est connu que ces efforts thermiques engendrent des déformations au niveau du grain tournant et du grain fixe par dilatation différentielle, ce qui risque d'engendrer une perte d'étanchéité voire une destruction du matériel si un contact vient à se produire entre les grains. En effet, en particulier, des fuites apparaissent généralement au niveau de l' interface entre le grain fixe et le grain tournant, ce qui engendre en aval un abaissement local de la température du fluide relativement important, dû à une détente de ce dernier. Ainsi, par exemple, pour des applications de récupération assistées de pétrole par injection de gaz naturel, la pression d' équilibre de la boucle du compresseur d' inj ection de gaz peut atteindre 250 à 300 bars. La détente engendrée au niveau des interfaces d'étanchéité de la garniture du compresseur est susceptible d'abaisser localement la température jusqu'à environ -80 C. Par ailleurs, les gaz compressibles généralement utilisés dans ce type de compresseur ayant de l'eau pour constituant, l'abaissement de la température est susceptible d'engendrer une formation consécutive d'hydrates, pour lesquels la température de formation est de l'ordre de -10 C. Les hydrates étant des composés solides, leur présence risque de bloquer le grain fixe par rapport aux parties tournantes du compresseur, ce qui est susceptible d'engendrer une perte d'étanchéité à l' arrêt de la machine, voire d' interdire le redémarrage de cette dernière, tant que la température reste inférieure à la température de formation des hydrates. Le but de l'invention est de pallier ces inconvénients et de fournir une garniture d'étanchéité et un compresseur centrifuge capables d' assurer un réchauffement du fluide en aval des interfaces d'étanchéité des garnitures pendant l'arrêt pressurisé de la machine. Ainsi, selon l' invention, il est proposé une garniture d'étanchéité pour compresseur, comprenant un carter, au moins un ensemble constitué d'un grain tournant solidaire en rotation d'une chemise destinée à être montée sur un arbre du compresseur et d'un grain statorique monté sur le carter, les grains étant sollicités en appui l' un contre l' autre par leur face de frottement. Selon un aspect de cette garniture, celle-ci comporte en outre des moyens de circulation d'un fluide de réchauffement des fuites de fluide compressible véhiculé par le compresseur qui se produisent entre les grains, lesdits moyens de circulation étant ménagés dans le carter et s'étendant au moins en partie en aval des grains, en considérant le sens d'écoulement dudit flux de fluide. On réchauffe ainsi le fluide circulant dans les garnitures du compresseur, ce qui permet de compenser le refroidissement engendré lors de la détente de ce dernier en aval des interfaces d'étanchéité. Selon un autre aspect de cette garniture, les moyens de circulation comportent un canal de réchauffement en communication avec une source d'alimentation en fluide de réchauffement dont le fonctionnement est indépendant de celui des moyens d'alimentation du compresseur en fluide compressible. On peut dès lors prévoir un réchauffement du fluide au sein des garnitures d'étanchéité même à l'arrêt du compresseur. Selon un mode de réalisation particulier, le carter est pourvu d'une conduite d'écoulement des fuites de fluide, dans laquelle est placée une paroi qui délimite avec le carter ledit canal et qui constitue une surface d'échange d'énergie calorifique. De préférence, la face de la paroi tournce vers le canal de réchauffement est pourvue de nervures formant dans ce dernier un serpentin de réchanffement. Par exemple, le fluide de réchauffement est constitué par de l'huile. Selon un autre mode de réalisation, la garniture d'étanchéité comporte en outre un échangeur de chaleur disposé en regard du grain tournant. Selon l' invention, il est également proposé un compresseur centrifuge, comprenant un arbre moteur entraînant en rotation un ensemble de roues aptes à assurer un transfert de l'énergie mécanique apportée par l'arbre moteur à un fluide compressible et au moins une garniture d'étanchéité de sortie d'arbre. Selon un aspect de ce compresseur, la o chaque garniture est constituée par une garniture d'étanchéité telle que définie ci-dessus. D,autres buts, caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront de la description suivante, donnce uniquement à titre d'exemple non limitatif, et faite en référence aux dessins annexés, sur lesquels: -la figure 1 est une vue schématique en coupe longitudinale d'un compresseur centrifuge; -la figure 2 est une vue schématique illustrant la structure d'une garniture d'étanchéité selon l'état de la technique; et -la figure 3 est un schéma illustrant la structure d'une garniture d'étanchéité selon l'invention. Sur la figure 1, on a représenté la structure générale d'un compresseur centrifuge, désigné par la référence numérique générale 10. Il est de stiné à mani puler un flui de compressible et a pour objet de transférer de l'énergie mécanique à ce fluide en vue d'en accroître la pression. Dans l'exemple de réalisation représenté, le compresseur 10 est constitué par un compresseur multicellulaire, c'est-à-dire à plusieurs étages. Le compresseur 10 comporte en effet quatre étages de compression. Il comprend essentiellement un arbre moteur 12 entrané en rotation par des moyens moteurs appropriés et tourillonnant dans un carter 14. Ce carter 14 est pourvu d'une entrée E d' admission de fluide compressible en communication avec une source d'alimentation appropriée pour l'utilisation envisagée, et d'une sortie S de distribution de fluide comprimé. Entre l'entrce E et la sortie S. le carter 14 est pourvu des quatre étages de compression 16, 18, 20 et 22. Chaque étage 16, 18, 20 et 22 comporte, de l'amont vers l'aval, en considérant le sens de circulation du fluide dans le compresseur 10, une directrice d'entrée 24, 26, 28 et 30 assurant le guidage de l'écoulement selon la direction la plus favorable pour son admission dans l'étage de compression, une roue à aubes 32, 34, 36, 38 assurant la transmission proprement dite de l'énergie mécanique apportée par l'arbre moteur au fluide compressible, une partie de l'énergie mécanique introduite étant convertie en pression, une autre partie étant convertie en vitesse, et un redresseur ou diffuseur 40, 42, 44 et 46 assurant une réduction de la vitesse du fluide en vue de la transformation de la pression dynamique de ce dernier en pression statique. 1O Comme on le voit sur cette figure 1, le dernier étage 22 de compression débouche, en aval, dans une volute 48 de section évolutive constituant un diffuseur final apte à réduire les pertes entre le dernier étage de compression et la sortie S. Par ailleurs, le compresseur est pourvu de garnitures d'étanchéité, désignées par les références numériques générales 50 et 52, équipant le carter au voisinage des sorties d'arbre et assurant le confinement du fluide sous pression à l'intérieur du carter 14. Les arrangements de ces garnitures d'étanchéité peuvent étre simple (un seul joint vers l'extérieur), double (un joint vers l'extérieur avec gaz de barrage) ou tandem (deux joints en série vers l'extérieur), suivant les applications. Sur la figure 2, on a représenté la structure générale d'une garniture d'étanchéité selon l'état de la technique. Par exemple, cette garniture d'étanchéité correspond à la garniture désignée par la référence numérique générale 50. Sur cette figure 2, des éléments identiques à ceux de la figure 1 portent les mêmes numéros de référence. Cette garniture comporte une glace tournante ou un grain tournant 54 solidaire en rotation d'une chemise 56, elle-même fixée sur l'arbre 12 du compresseur, ainsi qu'un grain statorique 58 fixé sur le carter 14 et axialement déplaçable par rapport à celui-ci. Des moyens élastiquement déformables, constitués par un ressort 6O, sollicitent le grain statorique 58 en appui contre le grain tournant 54 par leur face de frottement 62 et 64 respective. Des moyens d'étanchéité complémentaires (non représentés) assurent une étanchéité entre les grains 54 et 58 et les éléments du compresseur sur lesquels ils sont montés. Comme représenté par la flèche F. en fonctionnement, une fuite de fluide compressible apparaît entre les interfaces d'étanchéité 62 et 64 de la garniture, c'est-à-dire entre les faces de frottement des grains tournant et statorique. Le carter 14 du compresseur est alors pourvu d'une conduite 66 d'écoulement de la fuite de gaz, débouchant par exemple dans un réseau de torches (non représenté). Comme indiqué précédemment, ce type de garniture d'étanchéité présente un inconvénient majeur relatif à leur fonctionnement thermique. En effet, pendant la rotation, des recirculations de gaz en provenance du compresseur conditionnent thermiquement la garniture, c'est-à-dire évacuent les calories, comme cela est connu en soi. A l'arrêt, ces circulations, qui n' existent plus puisque l' on ne dispose plus de différence de pression naturelle, et sont inopérantes aussi bien pour refroidir la garniture que pour réchauffer les fuites. A la sortie de l'interface d'étanchéité constituée par les faces de frottement 62 et 64 des grains, le fluide subit une détente engendrant un abaissement consécutif de la température de ce dernier tel que des hydrates sont susceptibles d'être créés. Comme cela est connu en soi, ces hydrates sont constitués par des composés solides qui risquent de bloquer le grain stationnaire et, par conséquent, d'altérer le fonctionnement du compresseur. On va maintenant décrire, en référence à la figure 3, une garniture d'étanchéité permettant de pallier cet inconvénient. Dans l'exemple de réalisation représenté sur cette figure, cette garniture est constituée par une garniture de type tandem, c'est-à-dire qu'elle comporte deux garnitures d'étanchéité 68 et 70 disposées en série. Chaque garniture d'étanchéité proprement dite comporte un grain fixe ou statorique 71 monté sur un carter 72 du compresseur et un grain tournant ou glace tournante 73 solidaire d'un chemise 74, elle-méme montée sur l'arbre moteur 76 du compresseur. Un moyen élastique constitué par un ressort 78 sollicite l'une contre l'autre les interfaces d'étanchéité constituées par les faces de frottement 80 et 82 en regard des grains statorique et tournant. Comme indiqué précédemment, des fuites, désignées par la flèche F', engendrent un écoulement de fluide compressible entre les interfaces d'étanchéité 80 et 82, lesquelles s'écoulent dans une conduite d'écoulement 84 ménagée à cet effet dans le carter 72. Dans le but de pallier les inconvénients liés à la détente du fluide compressible en aval des interfaces d'étanchéité 80 et 82, le carter 72 est pourvu de moyens de circulation d'un fluide de réchauffement, agencés sous la forme d'un canal de réchauffement 86 s'étendant au moins en partie en aval des grains 71 et 73. Ce canal 86 est raccordé à une source d'alimentation en fluide de réchauffement, par exemple une huile dont la capacité calorique est appropriée pour permettre un transfert efficace de calories vers la conduite 84. On notera que la température et la pression du fluide sont choisies pour assurer un réchauffement suffis ant du flui de dans la conduite d'écoulement 84 pour éviter la formation d'hydrate. Comme on le voit sur la figure 3, dans le but d' assurer un transfert efficace des calories vers le fluide circulant dans la conduite 84, le canal de réchauffement 86 est ménagé dans la conduite 84 et est réalisé en plaçant dans cette dernière une paroi 88 qui délimite avec le carter 72 le canal 86. La paroi 88 comporte, sur sa face tournée vers le canal 86, des nervures, telles que 90, de manière à former un serpentin de réchauffement dans le canal 86. Comme on le conçoit, la paroi 88 est également choisie de manière à former une surface d'échange thermique suffisante pour, conjointement avec le niveau de température et de pression du fluide de réchauffement circulant dans le canal 86, éviter la formation d'bydratos dans 1o fluidc circulanl dans 1a condui1o 84 d'dcoulemcnt dcs fuiles. Comme on le con goiL la iemp6rature de formti on 4e s bydrales dpend de 1n composhion du fluide manipuld par le compresseur. La ddrerminalion des paramblres permellanl d'6lever 1a tempralure du Ouide jusqu'A un niveau sup6rieur celle lemp6ralure de formallon d'hydrates 61anl 1a porlbe d'un du m61ier, eHe ne sera donc pas d6crile en d61ail par la suile On nolera par nilleurs que la paroi 88 esl r61is6e en un malriau aple supporler les pressions rlulivemen1 61ev6es qui pourraienl rgner dans ces parnitures en cas de d6t6rioralion du joint d'6tanch6il6 en service, afin d'6viler une sorlie de gaz inflammable de procidd vers Falmosphbre. Enfin, en ce qul concerne la source d'alimentalion en fluide de rdchauffemenl, de prdffrence, celle-ci est conslilude par une source d'aUmenladon donl 1e fonclionnment est ind6pendant du fonclionnemen! du reste du comprdsseur, et en parOculier, du fonclionnemenl de la source d'alimenlulion en Ouide compressible. L'inddpendance de celle source d'alimentation esl dgalement de nature lui assurer une grande disponibilild, imporlanle pour 1a fiabiLtd de cetle garnilure I1 esl ainsi possible d' assurer un rdchauffement du [uide circulanl dans 1a conduile 84 d'6coulemenl de fuile, m me l'arr81 du compresseur. On (vile ainsi toul Asque de blocage du grain slulionnaire 71 par rappofi aux pardes lournanles du compresseur, m8me 4 l'arrdt de ce dernier. On s'affranchit alors de loule n6cessil6 de vider d6compresser l'inslullalion dans laquelle est incorpord le compresseur. On notera enfin que lnvention n'esl pas mit6e au mode de rdalisalion envisad. Cc disposilif conlribue dgalemen1 refroidir la garnilure sEche lors de son fonctionnement en rotalion. I1 esl en effel dgalemenl possible, en varianle, de complbler le compresseur par un dchangeur de chaleur complémentaire assurant le réchauffement du fluide dans la ou les garnitures, par exemple place en regard du grain tournant. REVENDICATIONS 1. Garniture d'étanchéité pour compresseur rotatif, comprenant un carter (72), au moins un ensemble constitué d'un grain tournant (73) solidaire en rotation d'une chemise (74) destinée à être montée sur un arbre (76) du compresseur et d'un grain statorique (71) monté sur le carter, les grains (71, 73) étant sollicités en appui l'un contre l'autre par leur face de frottement, caractérisée en ce qu'elle comporte en outre des moyens (86, 88, 90) de circulation d'un fluide de réchauffement de fuites de fluide compressible véhiculé par le compresseur qui se produisent entre les grains (71, 73), lesdits moyens de circulation étant ménagés dans le carter (72) et s'étendant au moins en partie en aval des grains, en considérant le sens d'écoulement dudit flux de fluide. 2. Garniture d'étanchéité selon la revendication 1, caractérisée en ce que lesdits moyens de circulation comportent un canal de réchauffement (86) en communication avec une source d'alimentation en fluide de réchauffement dont le fonctionnement est indépendant de celui des moyens d'alimentation du compresseur en fluide compressible. 3. Garniture d'étanchéité selon la revendication 2, caractérisée en ce que le carter (72) est pourvu d'une conduite (84) d'écoulement des fuites de fluide dans laquelle est placée une paroi (88) qui délimite avec le carter ledit canal et qui constitue une surface d'échange d'énergie calorifique. 4. Garniture d'étanchéité selon la revendication 3, caractérisée en ce que la face de la paroi tournée vers le canal (86) est pourvue de nervures (90) formant dans ce dernier un serpentin de réchauffement. 5. Garniture d'étanchéité selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisée en ce que le fluide de réchauffement est constitué par de l'huile. 6. Garniture d'étanchéité selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce qu'il comporte en outre un échangeur de chaleur disposé en regard du grain tournant (73). 7. Compresseur centrifuge, comprenant un arbre moteur (12, 76) entranant en rotation un ensemble de roues (32, 34, 36, 38) aptes à assurer un transfert de l'énergie mécanique apportée par l'arbre moteur à un fluide compressible et au moins une garniture d'étanchéité (50, 52) de sortie d'arbre, caractérisé en ce que la ou chaque garniture est constituce par une garniture d'étanchéité selon l'une quelconque des reYendications 1 à 6.