Brevet FR2889862A1 — publié le 20070223

Domaine de l'invention La présente invention concerne une turbomachine pour des applications à basse température comportant un boîtier, un arbre de rotor logé dans le boîtier, un rotor prévu à une extrémité de l'arbre de rotor et exposé au gaz froid et une machine électrique intégrée au boîtier qui comporte un rotor installé sur l'arbre de rotor et des enroulements de stator dans le boîtier. Pour le fonctionnement de la turbo-machine, à l'intérieur du boîtier, l'extrémité côté rotor est une zone froide et l'extrémité opposée au rotor est une zone chaude. Etat de la technique Les turbomachines ayant les caractéristiques évoquées ci-dessus sont connues selon le document DE 103 10 677 Al ainsi que sous différentes réalisations pratiques; ces turbomachines sont par exemple utilisées pour comprimer et transporter du gaz liquéfié à vapo- riser (gaz LNG) ou pour détendre des gaz utilisés pour la décomposition cryogénique de l'air. La machine électrique fonctionne alors soit comme moteur entraînant un turbocompresseur soit comme générateur récupérant de l'énergie pour freiner une turbine d'expansion. Les turbomachines dont le rotor et celui de la machine électrique sont portés par un arbre commun, travaillent à des vitesses de rotation élevées ce qui se traduit par le dégagement d'une chaleur importante à la fois dans la machine électrique et aussi dans les paliers recevant l'arbre. Le fonctionnement des turbomachines avec des gaz dans le domaine des bas-ses températures peut engendrer des gradients de température importants dans le boîtier et l'évolution de la température dépend du fonctionnement de la turbomachine. C'est ainsi que par exemple à charge maximale, pour la vitesse de rotation maximale, le développe-ment de chaleur considérable dans la machine électrique ainsi que dans les paliers, notamment aux extrémités libres de l'arbre, se traduit par une élévation de température considérable nécessitant un refroidisse-ment pour protéger les paliers et les composants de la machine électrique contre toute surchauffe thermique. En mode de fonctionnement avec charge partielle, c'est-à-dire avec une charge réduite appliquée à la machine électrique et une vitesse de rotation éventuellement réduite, l'extrémité de la machine électrique côté rotor ainsi que le palier côté rotor sont refroidis de manière extrême à savoir par l'échange de chaleur entre l'intérieur du boîtier de la machine électrique et le palier vers l'étage basse température de la turbomachine. A cela s'ajoute les éventuelles fuites de gaz de refroidissement de l'étage de la turbomachine vers le boîtier de la machine électrique fixé par bride. Si alors les matériaux utilisés pour la machine électrique et les paliers sont soumis à une température minimale qui est dépassée vers le bas, il faut réchauffer cette zone. Pour refroidir et réchauffer on utilise en général seule-ment une source de gaz sous pression fournissant de l'air d'instrument, de l'azote ou un gaz de procédé propre, disponibles à une température en général comprise entre 10 C et 40 C. Le gaz disponible comme source de gaz sous pression, qu'il s'agisse de l'air d'instrument, d'azote de blocage ou de gaz de procédé, ces gaz sont trop chauds pour assurer un refroidissement efficace et trop froids pour un chauffage efficace. A la fois pour chauffer la zone froide et aussi pour refroidir la zone chaude du boîtier, il faut un débit de gaz sous pression considérable, qui se ré-percute de manière négative sur le coût de fonctionnement de la turbo-machine ou même nécessite des investissements supplémentaires pour fournir la quantité de gaz sous pression. Selon le document US 4 792 278 on connaît une turbo-machine réalisée sous la forme d'une turbine d'expansion à plusieurs étages. La turbine d'expansion comporte un arbre de rotor logé dans un boîtier et ayant des rotors aux deux extrémités ainsi qu'un rotor porté par l'arbre; celui-ci coopère avec les enroulements statoriques installés dans le boîtier et constituant un générateur. Le gaz sous pression est d'abord détendu dans un premier étage de la turbine puis dans un second étage du rotor de la turbine; la différence de pression du gaz en-traîne le générateur et le refroidit. Le gaz est tout d'abord conduit par le rotor associé à une extrémité de l'arbre à travers le premier étage de détente puis au niveau de l'extrémité avant du rotor à travers le second étage de détente. La veine de gaz traversant le premier étage de détente refroidit le rotor et isole la veine de gaz traversant le second étage d'expansion par rapport au boîtier. Le document US 5 980 218 concerne un compresseur à deux étages ayant un arbre de rotor installé dans le boîtier. La machine électrique entraînant l'arbre est constituée par un rotor installé sur l'arbre de rotor et un enroulement de stator installé dans le boîtier. Les extrémités de l'arbre du rotor sont munies chacune d'un rotor. L'air aspiré de l'environnement est comprimé dans un premier étage de compression puis refroidi dans un radiateur à gaz. Une partie du gaz comprimé dans le premier étage de compression puis refroidi est con-duite comme flux de gaz de refroidissement par des vannes de dérivation pour refroidir la machine électrique en arrivant dans le boîtier. Le gaz de refroidissement traverse la machine électrique principalement dans la direction radiale pour être conduit par les orifices de sortie vers l'entrée du premier étage de compression. But de l'invention La présente invention a pour but de développer une turbomachine du type défini ci-dessus qui minimise les quantités de gaz sous pression nécessaires pour équilibrer la température dans le boîtier, de façon automatique, quelle que soit les conditions de fonctionnement de la turbomachine. Exposé et avantages de l'invention A cet effet, l'invention concerne une turbomachine pour des applications à basse température comportant un boîtier, un arbre de rotor logé dans le boîtier, un rotor prévu à une extrémité de l'arbre de rotor et exposé au gaz froid et une machine électrique intégrée au boîtier qui comporte un rotor installé sur l'arbre de rotor et des enroulements de stator dans le boîtier. En fonctionnement de la turbomachine, à l'intérieur du boîtier, l'extrémité côté rotor est une zone froide et l'extrémité opposée au rotor est une zone chaude, le boîtier ayant au moins deux branchements pour un gaz sous pression, dont l'un est prévu sur un segment de boîtier associé à la zone froide et l'autre sur un segment de boîtier associé à la zone chaude, les branchements de gaz sous pression étant reliés chacun par une installation de vannes alternativement à une conduite de gaz sous pression ou à une conduite de sortie, et les installations de vannes sont reliées à une installation de commande qui selon l'indication des températures dans la zone froide et dans la zone chaude fixe la direction de passage du gaz comprimé et commande de façon correspondante les installations de vannes. Pour réduire une surchauffe de la zone chaude, par exemple à pleine charge, le gaz sous pression passe par le branchement de gaz associé à la zone froide dans le boîtier pour en sortir par le branchement de gaz sous pression de la zone chaude. Le gaz sous pression d'entrée est tout d'abord refroidi par l'environnement froid de l'étage cryogénique de la turbomachine et par les éventuelles fuites de gaz froid provenant de cet étage avant d'atteindre les zones surchauffées de la machine électrique et les paliers pour les refroidir ainsi plus efficace-ment, c'est-à-dire avec une quantité réduite de gaz. Pour chauffer la zone froide, par exemple en mode de fonctionnement à charge partielle de la turbomachine, les installations de vannes sont commutées pour que le gaz sous pression arrive dans le boîtier par le branchement de gaz sous pression associé à la zone chaude et quitte le boîtier par le branchement de gaz sous pression associé à la zone froide. Le gaz sous pression arrivant dans le boîtier est tout d'abord réchauffé par l'environnement chaud de la machine électrique avant d'atteindre la zone sous-refroidie de la machine électrique et des paliers et réchauffer ainsi ces éléments de manière plus efficace, c'est-à-dire avec une moin- dre quantité de gaz. L'arbre de rotor, les enroulements de stator de la ma-chine électrique et les paliers aux deux extrémités de l'arbre sont en échange thermique avec le gaz sous pression. La quantité de gaz sous pression alimentant le boîtier est régulée en fonction de la température pour qu'en mode de charge maximale, la température de la zone chaude reste dans une plage de température prédéfinie et pour que dans la plage de charge partielle il s'établit une température de la zone froide qui se trouve également dans une fenêtre de température prédéfinie. La conduite d'alimentation en gaz sous pression est ainsi équipée de préférence d'une vanne de régulation du débit de gaz en fonction des températures régnant dans la zone froide et dans la zone chaude. Les installations de vannes peuvent être des vannes à trois voies reliées par des conduites chacune à un branchement de gaz sous pression du boîtier, à la conduite de gaz sous pression et à la con-duite de sortie. Selon un autre développement de l'invention, le boîtier comporte un troisième branchement de gaz sous pression dans le seg- ment de boîtier intermédiaire entre la zone chaude et la zone froide, ce troisième branchement étant relié à la conduite de gaz sous pression, et une vanne ouverte/fermée commandée par l'installation de commande est prévue dans la conduite de liaison entre le troisième branchement de gaz sous pression et la conduite de gaz sous pression. Cette réalisation permet également une répartition symétrique du gaz sous pression dans le boîtier. On aura une répartition symétrique du gaz si le gaz sous pression, lorsque la vanne est ouverte, arrive dans le boîtier par le troisième branchement de gaz sous pression et que les installations de vannes des deux autres branchements de gaz sous pression sont corn- mutées pour qu'une partie du gaz sous pression quitte le branchement de gaz sous pression de la zone froide et qu'une autre partie du gaz sous pression quitte le branchement de gaz sous pression de la zone chaude. La répartition symétrique du gaz sous pression dans le boîtier est prévue pour le cas d'un développement de température qui en géné- ral est indifférent pendant une courte durée dans la machine électrique. Un tel développement de température indifférent se produit par exemple lorsque la turbomachine fonctionne provisoirement avec un gaz chaud au lieu de fonctionner comme en régime permanent avec un gaz cryogénique et si pendant ce bref fonctionnement il faut refroidir les deux ex- trémités de la machine électrique et les deux paliers d'extrémité. Un autre développement prévoit que le boîtier comporte une sortie de gaz sous pression reliée à la conduite de sortie entre le troisième branchement de gaz sous pression et le branchement de gaz sous pression de la zone froide et que la conduite de liaison entre la sortie de gaz et la conduite de sortie comporte une vanne d'arrêt commandée par l'installation de commande. Cette réalisation permet en même temps de refroidir la zone chaude et de réchauffer la zone froide, au prix d'une utilisation multiple de gaz comprimé. Lorsque la vanne est ouverte, le gaz comprimé traverse le troisième branchement de gaz pour arriver dans le boîtier qu'il quitte par le branchement de gaz de la zone chaude. L'installation de vannes associée à ce branchement de gaz sous pression est conçue pour que le branchement de gaz sous pression de la zone chaude soit relié à la conduite de sortie. Une seconde veine de gaz sous pression traverse le branchement de gaz sous pression as- socié à la zone froide, directement en pénétrant dans le segment du boîtier voisin du rotor ou de l'étage basse température de la turbomachine, et quitte le boîtier à travers la sortie de gaz reliée à la conduite de sortie, entre le branchement de gaz sous pression de la zone froide et le troisième branchement de gaz sous pression. Le pilotage de l'écoulement est conçu pour le cas plutôt rare d'une surchauffe à l'extrémité libre de la machine électrique produite en même temps qu'un sous-refroidissement inacceptable de l'extrémité côté rotor. Ce cas ne se produit que brièvement et peut par exemple se rencontrer si des joints défectueux provoquent une fuite de gaz froid plus importante qui pénètre dans le boîtier, ou siune amorce d'endommagement de pa-lier à l'extrémité de palier libre produit une forte élévation de température. Dessins La présente invention sera décrite ci-après de manière plus détaillée à l'aide d'un exemple de réalisation représenté dans uni-que figure annexée qui montre schématiquement une coupe longitudinale d'une turbomachine intégrant un moteur d'entraînement. Description du mode de réalisation La turbomachine représentée à titre d'exemple est un turbocompresseur à un étage pour aspirer et comprimer un gaz d'hydrocarbure développé par vaporisation d'un liquide cryogénique stocké. L'étage du turbocompresseur aspire le gaz à la pression ambiante et le comprime avec le rotor par exemple à deux bars (un bar de surpression) à une température par exemple de -140 C; le gaz se ré- chauffe alors à une température jusqu'à -110 C. Cet entraînement électrique intégré a de manière caractéristique une puissance de l'ordre de 1200 kW et tourne à une vitesse de rotation de 12000 min-'. La turbomachine comporte un étage de compression 1 travaillant dans la plage des basses températures et un boîtier 2 fixé par bride à l'étage de compression. Le boîtier 2 loge un arbre de rotor 3 dont les extrémités sont équipées du rotor 4 de l'étage de compression 1 recevant le gaz froid. Une machine électrique 5 intégrée au boîtier 2 comporte un rotor 6 associé à l'arbre 3 et des enroulements statoriques 7 dans le boîtier. Lorsque la turbomachine fonctionne, il s'établit dans le boîtier 2, à l'extrémité côté rotor, une zone froide K et à l'extrémité opposée à celle du rotor, une zone chaude W. Le boîtier 2 comporte au moins deux branchements de gaz sous pression 8, 9; le branchement 8 est associé au segment de boîtier de la zone froide K et l'autre branche-ment 9 est associé au segment de boîtier de la zone chaude W. Chaque branchement de gaz sous pression 8, 9 est équipé d'une installation de vannes 10, 12 reliant alternativement le branchement de gaz sous pression à une conduite de gaz sous pression 12 ou à une conduite de sortie 13; dans l'exemple de réalisation il est prévu ainsi une vanne à trois voies reliée au branchement de gaz sous pression 8 ou 9 du boîtier, à la conduite d'alimentation en gaz sous pression 12 et à la conduite de gaz de sortie 13. Les installations de vannes 10, 11 sont reliées à une installation de commande 14 qui, selon les températures produites dans la zone froide K et dans la zone chaude W, fixe le sens de passage du gaz comprimé et commande de façon correspondante les installations de vannes 10, 11. Pour le passage de la veine dans le boîtier 2, l'arbre 3 du rotor, les enroulements de stator 7 et les paliers 15, 15' sont prévus aux deux extrémités de l'arbre de rotor 3 en échange de chaleur avec le gaz comprimé. Pour réduire une surchauffe de la zone chaude W qui se produit principalement à pleine charge, les installations de vannes 10, 11 sont branchées pour que le gaz comprimé entre dans le boîtier 2 à travers le branchement 8 de gaz comprimé associé à la zone froide K et quitte le boîtier par le branchement de gaz comprimé 9 de la zone chaude W. Dans ce cas, le gaz comprimé est introduit tout d'abord dans la zone froide de la machine électrique 5 et de là il traverse un intervalle et des surfaces d'échange de chaleur appropriées du boîtier de la ma-chine électrique et du palier 15 correspondant pour tout d'abord continuer à se refroidir avant d'arriver, conduit de force, vers les parties surchauffées de la machine électrique et du palier 15' ; à cet endroit, il prend plus de chaleur par unité de débit quantitatif pour refroidir ces pièces que s'il était introduit à froid. Principalement en mode de charge partielle de la turbomachine, le réchauffement de l'extrémité libre de l'arbre n'est pas critique mais cela est le cas du refroidissement à l'extrémité côté rotor, c'est-à-dire à proximité de l'étage de compression du turbocompresseur 1. En mode de charge partielle, c'est-à-dire pour une faible puissance fournie par la machine électrique travaillant éventuellement à vitesse de rotation réduite, l'extrémité côté sortie de la machine électrique 5 ainsi que le palier 15 côté sortie sont refroidis par l'échange de chaleur de l'intérieur du boîtier de la machine électrique 5 et du palier 15 vers l'étage haute température de la turbomachine ainsi que d'éventuelles fuites de gaz froid provenant de l'étage de compression 2 et qui arrivent dans l'étage 2, fixé par bride et appartenant à la ma- chine électrique 5. Dans ce cas, les installations de vannes 10, 11 sont commandées par l'installation de commande 14 pour que le gaz sous pression arrive pour chauffer la zone froide K à travers le branchement de gaz sous pression 9 du boîtier 2 associé à la zone chaude W et quitte le boîtier par le branchement de gaz sous pression 8 de la zone froide K. Le gaz sous pression est tout d'abord conduit dans la zone chaude de la machine électrique 5 pour passer à travers l'intervalle et les surfaces d'échange de chaleur du boîtier de la machine électrique et du palier 15' correspondant pour être tout d'abord de nouveau réchauffé avant d'arriver sur les parties sous refroidies; à partir de là le gaz peut fournir plus de chaleur par unité de débit pour chauffer les parties que s'il arrivait à l'état non chauffé. Le débit de gaz sous pression est régulé en fonction des températures produites dans la zone froide K et dans la zone chaude W. Pour cela, la conduite de gaz sous pression 12 comporte une vanne de régulation 16 reliée à l'installation de commande 14. En fonction du profil des températures produit dans le boîtier 12, on peut commuter les installations de vannes 10, 11. En mode dit de refroidissement , le débit de gaz sous pression arrive dans la zone chaude W par le branchement de gaz sous pression 9. En mode de chauffage, le gaz sous pression traverse le branchement de gaz sous pression 8 pour arriver à la zone froide K. L'installation de commande fixe ainsi le profil de tem- pérature déterminé dans le boîtier pour régler le mode de refroidisse- ment ou le mode de chauffage. Dans le segment intermédiaire du boîtier 2, entre la zone chaude W et la zone froide K il y a un troisième branchement de gaz sous pression 17 relié à la conduite de gaz sous pression 12. Dans la conduite de liaison entre le troisième branchement de gaz sous pression 17 et la conduite de gaz sous pression 12 on a une vanne ouverte/fermée 18 commandée par l'installation de commande 14. En outre, entre le troisième branchement de gaz sous pression 17 et le branchement de gaz sous pression 8 de la zone froide K, le boîtier 2 comporte une sortie de gaz 19 pour le gaz sous pression; cette sortie est reliée à la conduite de sortie 13; la conduite de liaison entre la sortie de gaz 19 et la conduite de sortie 13 comporte également une vanne d'arrêt 20 commandée par l'installation de commande. Cette disposition permet d'introduire le gaz sous pression dans un segment intermédiaire de boîtier entre la zone froide K et la zone chaude W du boîtier 2; la veine de gaz sous pression se répartit et quitte alors à la fois le branchement de gaz sous pression 9 de la zone chaude W et aussi par la sortie de gaz 19 du boîtier, associée à la zone froide K ou proche de la zone froide. La disposition telle que décrite permet une traversée symétrique de la machine électrique 5. En plus, le gaz sous pression peut arriver à travers le branchement de gaz sous pression 8 côté rotor de manière précise dans la zone froide K pour chauffer les composants de la machine électrique 5 au voisinage de l'étage de compression 1 et le palier 15 également prévu dans cette zone pour quitter le boîtier par la sortie de gaz 19. La veine divisée symétriquement dans la machine électrique 5, le cas échéant en liaison avec une veine de gaz sous pression introduite en plus dans la zone froide, est prévue pour des cas plutôt rares pour les- quels en même temps l'extrémité libre de la machine électrique 5 est surchauffée dans la zone chaude W et la zone voisine de l'étage de compression 1 est sous refroidie ou encore les deux zones sont surchauffées. Ces cas de fonctionnement sont en général de courte durée et ne se produisent que si la turbomachine doit fonctionner provisoirement avec un gaz de transfert provisoirement chaud au lieu d'être un gaz de l0 transfert refroidi à basse température comme cela est le cas pour le fonctionnement permanent ou encore s'il y a un joint défectueux produisant un courant de fuite important de gaz froid dans le boîtier entourant la machine électrique. Dans l'exemple de réalisation, la turbomachine comporte des paliers magnétiques 15, 15'. A la place de paliers magnétiques on peut également utiliser des paliers à gaz ou des paliers à roulement. Dans l'exemple de réalisation, le rotor 4 est un rotor de compresseur de turbocompresseur entraîné par le rotor 6 de la machine électrique 5. La turbomachine fonctionne comme turbocompresseur. L'invention convient également si l'étage de la turbomachine n'est pas un étage de compression mais un étage de turbine, c'est-à-dire que le rotor 4 est conçu comme roue de rotor et la machine électrique 5 fonctionne comme générateur. REVENDICATIONS 11 Turbomachine pour des applications à basse température comportant un boîtier (2), un arbre de rotor (3) logé dans le boîtier, un rotor (4) prévu à une extrémité de l'arbre de rotor (3) et exposé au gaz froid et une machine électrique (5) intégrée au boîtier (2) qui comporte un rotor (6) installé sur l'arbre de rotor (3) et des enroulements de stator (7) dans le boîtier (2), dans laquelle en fonctionnement de la turbomachine, à l'intérieur du boîtier (2), l'extrémité côté rotor est une zone froide (K) et l'extrémité opposée au rotor est une zone chaude (W), le boîtier (2) ayant au moins deux branchements (8, 9) pour un gaz sous pression, dont l'un est prévu sur un segment de boîtier associé à la zone froide (K) et l'autre sur un segment de boîtier associé à la zone chaude (W), les branchements de gaz sous pression (8, 9) étant reliés chacun par une installation de vannes (10, 11) alternativement à une conduite de gaz sous pression (12) ou à une conduite de sortie (13), et les installations de vannes (10, 11) sont reliées à une installation de commande (14) qui selon l'indication des températures dans la zone froide (K) et dans la zone chaude (W) fixe la direction de passage du gaz comprimé et commande de façon correspondante les installations de vannes (10, 11). 2 )Turbomachine selon la revendication 1, caractérisée en ce que l'arbre de rotor (3), les enroulements de stator (7) et des paliers (15, 15') aux deux extrémités de l'arbre (3) du rotor sont en échange thermique avec le gaz sous pression. 3 ) Turbomachine selon la revendication 1, caractérisée en ce qu' une vanne de régulation (16) est prévue dans la conduite d'alimentation en gaz sous pression (12) pour réguler le débit de gaz en fonction des températures régnant dans la zone froide (K) et dans la zone chaude (W) 4 ) Turbomachine selon la revendication 1, caractérisée en ce que les installations de vannes (10, 11) comportent des vannes à 3 voies re-liées par des conduites chacune à un branchement de gaz sous pression (8, 9) du boîtier, à la conduite de gaz sous pression (12) et à la conduite de sortie (13). 5 ) Turbomachine selon la revendication 1, caractérisée en ce que le boîtier (2) comporte un troisième branchement de gaz sous pression (17) dans le segment intermédiaire du boîtier entre la zone chaude (W) et la zone froide (K), ce troisième branchement étant relié à la conduite de gaz sous pression (12), et la conduite de liaison entre le troisième branchement de gaz sous pres-20 Sion (17) et la conduite de gaz sous pression (12) comporte une vanne ouverte/fermée (18) commandée par l'installation de commande (14). 6 ) Turbomachine selon la revendication 5, caractérisée en ce que le boîtier (2) comporte entre le troisième branchement de gaz sous pression (17) et le branchement de gaz sous pression (8) de la zone froide (K), une sortie de gaz (19) reliée à la conduite de sortie (13) pour le gaz sous pression et la conduite de liaison entre la sortie de gaz (19) et la conduite de sortie (13) comporte une vanne d'arrêt (20) commandée par l'installation de commande (14).