Brevet FR2907495A1 — publié le 20080425

Domaine de l'invention La présente invention concerne une turbomachine comportant un boîtier et un rotor monté radialement et axialement dans le boîtier, ce rotor ayant un arbre et au moins une roue mobile fixée à l'arbre. La turbomachine peut être réalisée sans limitation comme turbomachine rapide à courant axial ou radial ou servir à débiter, expanser et/ou comprimer un fluide. Etat de la technique Une turbomachine réalisée comme turbocompresseur ayant les caractéristiques évoquées ci-dessus est connue selon le document DE 100 03 018 Al ; dans cette turbomachine, le rotor est formé par un arbre avec à une extrémité de l'arbre, une roue mobile du turbo-compresseur montée flottante. L'arbre entraîné par une transmission est monté dans des coussinets radiaux du boîtier. Le guidage axial de l'arbre est assuré par des bagues de glissement simplement prévues sur l'arbre, de part et d'autre d'un pignon de transmission, ces bagues coopérant avec des surfaces annulaires d'un pignon denté d'entraînement comme limitation de poussée axiale. Pour compenser les efforts agissant dans la direction axiale sur l'arbre, l'extrémité de l'arbre, à l'opposé de la roue mobile, comporte une chambre de pression ; la pression régnant dans la chambre exerce une force agissant dans la direction axiale sur l'arbre. Pour arriver à une compensation aussi complète que possible des forces axiales agissant sur l'arbre, on règle la pression dans la chambre de pression en fonction de la pression amont du turbocompresseur. Comme la détermination indirecte de la force axiale à partir de la pression amont existant, est entachée d'une insécurité, cela peut se traduire par une usure augmentée du guidage axial qui ne convient pas de façon caractéristique pour recevoir des efforts axiaux impor- tants. En outre, les relations entre la pression amont et la force axiale résultante qui dépendent fortement des conditions de réalisation de la turbomachine, doivent être déterminées de manière compliquée pour chaque type de machine. Enfin, on ne peut pas compenser des variations rapides de l'état de fonctionnement à cause de l'inertie du sys- 2907495 2 tème, et cela peut se traduire par la destruction du guidage axial formé par les bagues lisses ou bagues de coussinets. Le document DE 101 38 056 Al concerne une turbomachine ayant un étage de turbines d'expansion et un étage de turbines de 5 compression. Le rotor est constitué par une roue mobile de l'étage de turbines d'expansion, une roue mobile de l'étage de compression de turbines et d'un arbre ; les roues mobiles sont installées chacune de façon flottante à une extrémité de l'arbre et sont traversées dans la di-rection radiale. L'arbre est monté sur des paliers à roulement dans le 10 boîtier, et entre une bague de palier à roulement et la surface de butée correspondante du boîtier, on a une installation de mesure de force. Pour compenser les efforts agissant sur les paliers de roulement dans la direction axiale, au moins sur le côté arrière de l'une des roues mobiles on a une chambre de pression étanche entre le côté pression de la roue 15 mobile et la surface adjacente du boîtier, la pression dans cette chambre de pression étant régulée pour compenser les forces axiales agissant sur l'arbre selon la valeur de mesure fournie par l'installation de me-sure de force. La disposition des paliers du rotor à rotation rapide de la turbomachine nécessite un alignement exact et ainsi compliqué des pa- 20 liers de roulement dans le boîtier, et notamment la dilation du boîtier sous l'effet de variations de températures ou de gradients de températures pendant le fonctionnement de la turbomachine doit être prise en compte. Alors que les paliers à roulement représentés conviennent pour recevoir des efforts importants dans la direction radiale, des sollicita- 25 tions axiales même relativement faibles peuvent détruire les paliers à roulement. Le document US 5 741 116 décrit un compresseur à un étage dont une extrémité de l'arbre est reliée à une roue mobile. En outre, l'arbre comporte deux bagues de palier ainsi que deux paliers à 30 segments basculants associés aux bagues de paliers. Les deux paliers à segments basculants coopèrent chaque fois avec une surface d'appui correspondante. En outre, deux éléments de ressort sont prévus entre les surfaces de butées et le boîtier de compresseur autour de l'arbre. Des efforts axiaux agissant irrégulièrement sur la roue mobile sont transmis par l'arbre aux bagues de palier et au palier à segments bas- 2907495 3 culants. Les paliers à segments basculants transmettent ces efforts axiaux aux surfaces de butée qui les transmettent aux éléments à ressort. Les éléments à ressort transmettent les efforts axiaux au boîtier de compresseur en étant déviés axialement dans le rapport des efforts 5 auxquels ils sont soumis. Si une bague de palier est trop sollicitée, l'élément de ressort associé à cette bague de palier est dévié plus que l'autre élément de ressort, si bien que la charge est transférée à la seconde bague de palier. Le document US 4 578 018 concerne une turbine à gaz 10 équipée d'un dispositif permettant de compenser la poussée axiale irrégulière agissant sur le rotor de la turbine. En fonctionnement, le rotor est exposé à des efforts axiaux qui sont engendrés par des forces statiques ou dynamiques exercées sur différents composants du rotor. La poussée axiale est transmise par le rotor et un dispositif de palier lisse, 15 axial au boîtier de palier et à des parties de châssis de machine. L'amplitude de la poussée axiale peut être mesurée par une installation de mesure de dilatation prévue sur le boîtier de palier. Le signal de cette installation de mesure de dilatation est amplifié et est transmis à un régulateur qui régule automatiquement la pression d'un liquide hydraulique conduit dans une chambre de pression derrière le rotor et permettant ainsi de compenser la poussée axiale agissant sur le rotor. But de l'invention Partant de cet arrière plan technique, la présente invention a pour but de développer une turbomachine correspondant aux ca-25 ractéristiques décrites ci-dessus, ayant une disposition de palier à faible usure et permettant de détermine directement la force axiale agissant sur l'arbre. Exposé et avantages de l'invention Ce problème est résolu selon l'invention par une turbo- 30 machine du type défini ci-dessus, caractérisée en ce que la disposition des paliers du rotor se compose de deux paliers à segments basculants opposés, munis de segments basculants, coopérant respectivement avec une surface d'appui associée de l'arbre et au moins l'un des segments basculants de chaque palier à segments basculants comporte une ins- 35 tallation de mesure de force pour saisir directement la force axiale ap- 2907495 4 pliquée aux segments basculants correspondants, les installations de mesure de force étant reliées à une installation de commande électronique. La saisie de la force axiale (poussée axiale) appliquée au 5 rotor de la turbomachine est une condition nécessaire pour la régulation automatique d'une grandeur destinée à compenser la force axiale. C'est ainsi que par exemple entre une surface de rotor et une surface de boîtier associée on peut former une chambre de pression, étanche, cette chambre de pression étant reliée par une conduite d'alimentation et par 10 une vanne de régulation de pression commandée par l'installation de commande, à une conduite haute pression et à une sortie de gaz, et la pression régnant dans la chambre de pression exerce une force agissant sur le rotor dans la direction axiale. Pour compenser la force axiale agissant sur le rotor, à l'aide de la vanne de régulation, on augmente ou 15 on réduit la pression régnant dans la chambre de pression en fonction de la direction de la poussée axiale qui s'établit et de la disposition de la chambre de pression entre le boîtier et le rotor. L'invention ne pose pas de conditions particulièrement élevées à l'étanchéité de la chambre de pression. Il suffit qu'en fournissant un fluide sous pression à la cham- 20 bre de pression ou en évacuant du fluide sous pression de la chambre de pression, avec la vanne de régulation de pression, on produit une variation de pression permettant de compenser la force axiale agissant sur le rotor. C'est ainsi que par exemple entre le rotor et le boîtier on peut prévoir de simples joints en labyrinthe pour réaliser l'étanchéité de 25 la chambre de pression. Dans le cadre de l'invention, la conduite haute pression peut être reliée à une zone haute pression en amont ou en sortie d'un étage de pression de la turbomachine et le fluide de travail de la turbomachine est également utilisé comme fluide de pression. De façon correspondante, la sortie de gaz peut également être raccordée à 30 une zone basse pression de la turbomachine. Selon un développement préférentiel de l'invention, au moins une roue mobile est installée de façon flottante à une extrémité de l'arbre, et la chambre de pression est formée entre le côté pression de la roue mobile comme surface de rotor et la surface de boitier adjacente, 35 et dans le cadre de ce développement, la chambre de pression est déli-2907495 5 mitée et étanchée de préférence d'une part par un joint en labyrinthe de roue mobile entre le côté arrière de la roue mobile et le boîtier, et d'autre part par un joint en labyrinthe prévu entre l'arbre et le boîtier. Dans la mesure où selon un autre développement, aux deux extrémités 5 de l'arbre on a une roue mobile montée flottante, sans limitation on peut prévoir sur les deux roues mobiles, des chambres de pression avec chaque fois une vanne de régulation de pression et la pression dans les chambres de pression se règle en fonction des valeurs de mesure four-nies par les installations de mesure de force. 10 Sans limitation, la chambre de pression ou aussi plu-sieurs chambres de pression peuvent être prévues dans le segment médian de l'arbre, par exemple au niveau des paliers à segments basculants ou sur une extrémité de l'arbre dans la mesure où l'extrémité correspondante de l'arbre ne porte pas de roue mobile. Dans 15 la mesure où il y a plusieurs chambres de pression, celles-ci peuvent être séparées dans l'espace les unes des autres sans limitation ou encore être directement voisines en étant séparées par exemple par un joint tel qu'un joint en labyrinthe. Par la saisie directe par l'installation de mesure de force 20 de la force axiale agissant sur le segment basculant, force axiale qui correspond à la multiplication de la force axiale par le nombre de segments basculants, on permet de détecter tant une surcharge de palier axial qui risque de se produire et qui ne peut être compensée totale-ment ; cela permet d'arrêter le fonctionnement de la turbomachine par 25 l'installation de commande électronique. Dans le cas de turbomachines, dans la plage de limite de pompage on peut avoir de fortes variations de pression et ainsi de fortes variations de la force axiale agissant sur le rotor si le courant de fluide débité par la turbomachine décroche brusquement deux lobages d'une 30 roue mobile. Selon l'invention, la saisie directe de la force axiale permet de déterminer de tels états de fonctionnement critiques et la turbomachine peut alors être conduite dans une plage de fonctionnement stable ou être coupée par des interventions de régulation. Les paliers à segments basculants sont connus de façon 35 générale selon la pratique et sont par exemple décrits dans le document 2907495 6 Dubbel, Taschenbuch für den Maschinenbau, 21ème édition, 2005, pages G 100 à G 102. Les paliers à segments basculants ont de façon caractéristique entre 4 et 12 segments basculants distincts répartis à la périphérie du palier à segments basculants. Les différents segments 5 basculants sont soutenus de façon mobile en basculement dans la di-rection de rotation par des points d'appui et sont ainsi sollicités par un fluide de graissage. Du fait du mouvement relatif entre les segments basculants du palier à segments basculants, la surface de butée associée et le fluide de lubrification qui se trouve dans l'intervalle, on a un 10 graissage hydrodynamique ; sous l'effet des conditions d'écoulement, les différents segments basculants se positionnent en biais, en forme de coins. Selon l'invention, les deux paliers à segments basculants qui agissent en sens opposé, ont chaque fois au moins un segment basculant avec une installation de mesure de force (dynamomètre). La compa- 15 raison des deux valeurs déterminées pour les forces permet, indépendamment de la vitesse de rotation et de la réalisation précise des installations de mesure de force, de déterminer directement et de façon extrêmement précise la direction et l'amplitude de la force axiale agissant globalement, par l'installation de commande. 20 D'autres développements constructifs peuvent être choisis assez librement dans le cadre de l'invention. C'est ainsi que l'entraînement et la sortie du rotor peuvent se faire à l'aide d'une ou de plusieurs roues mobiles, d'une turbine d'expansion, d'une transmission à pignon avec un moteur électrique intégré, un embrayage souple ou 25 d'une combinaison de tels moyens de sortie et selon l'invention comme moyen de sortie et/ou comme moyen d'entraînement il est prévu au moins une roue mobile. De manière préférentielle, les extrémités opposées de l'arbre sont équipées chacune d'une roue mobile et l'une des roues mo- 30 biles est associée à un étage de compression de turbines et l'arbre est entraîné par l'autre roue mobile associée à un étage de turbines d'extension. Pour fournir ou prélever de la puissance supplémentaire dans la turbomachine dans le cadre de ce développement, en option on peut prévoir un branchement de transmission ou une machine électri- 35 que intégrée. 2907495 Dessins La présente invention sera décrite ci-après de manière plus détaillée à l'aide d'un exemple de réalisation représenté dans les dessins annexés dans lesquels : 5 - la figure 1 est une vue en coupe d'une turbomachine selon l'invention, et - la figure 2 montre une variante de réalisation d'une turbomachine selon l'invention. Description de modes de réalisation selon l'invention 10 La figure 1 montre une turbomachine 1 comprenant un boîtier 2 et un rotor 3 monté dans le boîtier 2 ; le rotor a une arbre 4 dont les extrémités portent des roues mobiles 5, 5' montées flottantes ; une roue mobile 5 correspond à un étage de turbines d'expansion 6 et l'autre roue mobile 5' correspond à un étage de turbocompresseur 7. Le 15 rotor 3 est tenu dans deux paliers radiaux 8 et deux paliers à segments basculants 9, 9' hydrodynamiques à action opposée comme paliers axiaux dans le boitier 2. Les boîtiers à segments basculants 9, 9' coopèrent chacun avec une surface d'appui associée 10, 10' de l'arbre 4. Au moins l'un des segments basculants 11 de chaque palier à segments 20 basculants 9, 9' comporte une installation de mesure de force (dynamomètre) 12, 12' pour la saisie directe de la force axiale agissant sur le segment basculant associé 11 ; l'installation de mesure de force 12, 12' est reliée à une installation de commande électronique 13. La valeur de mesure fournie par l'installation de mesure de force 12, 12' donne une 25 fraction de la force agissant sur le palier suivant le nombre total de segments basculants 11 par palier à segments basculants 9, 9'. La comparaison des deux valeurs de mesures pour les deux paliers à segments basculants 9, 9' permet de définir de manière précise la direction et l'amplitude de la force axiale totale agissant sur le rotor 3. Si la di- 30 rection de la force axiale totale est dirigée vers l'étage de turbines d'expansion 6, l'installation de mesure de force 12 est plus fortement sollicitée ; si la force axiale appliquée au rotor 3 change de direction et se dirige vers l'étage à turbocompresseur 7, l'autre installation de me-sure de force 12' sera plus fortement sollicitée. 7 2907495 8 Pour minimiser la force axiale agissant entre le côté arrière 14 de la roue mobile 5 de l'étage de turbine d'expansion 6 et la surface de boîtier 15 adjacente, on forme une chambre de pression 16, reliée par une conduite d'alimentation 17 et une vanne de régulation de 5 pression 18 commandée par l'installation de commande 16 à une con-duite haute pression 19 et à une sortie de gaz 20 ; la pression (p) régnant dans la chambre de pression 16 exerce sur le rotor 3 une force dans la direction axiale. La chambre de pression 16 est délimitée d'un côté par un joint en labyrinthe de roue mobile 21 entre le côté de pression 14 de la roue mobile et le boîtier 2 et d'autre part, un joint en labyrinthe d'arbre 22 entre l'arbre 4 et le boîtier 2. Pour minimiser la force axiale agissant sur le rotor 3, en fonction des valeurs de mesures four-nies par les installations de mesures de force 12, 12' par la vanne de régulation de pression 18, on augmente ou on diminue la pression (p) 15 dans la chambre de pression 16. En variante ou en plus on peut égale-ment prévoir une chambre de pression correspondante au niveau de l'étage de turbocompresseur 7. Pour que suivant les besoins de la turbomachine 1 en forme de turbine d'expansion, il faut fournir ou donner de la puissance, en option on peut prévoir une machine électrique 23 en 20 forme de moteur ou de générateur. La figure 2 montre un autre développement d'une turbo-machine 1 réalisée comme turbocompresseur ; le rotor 3 est constitué par une roue mobile 5" d'un étage de compresseur 24, cette roue étant montée flottante. A l'extrémité 25 de l'arbre 4, à l'opposé de celle de la 25 roue flottante 5", l'arbre comporte une chambre de pression 16', rendue étanche, agissant sur l'extrémité correspondante 25 de l'arbre et à laquelle est reliée, comme à la figure 1, une vanne de régulation de pression 18. La régulation assurée par la vanne de régulation de pression 18 se fait comme décrit ci-dessus à l'aide de l'installation de cornmande électronique 13 à laquelle sont reliées les installations de mesure de force 12, 12" selon l'invention pour la saisie directe de la force axiale. Pour l'affichage des paramètres de fonctionnement, comme dans la réalisation de la figure 1, on a un élément d'affichage A relié à l'installation de commande 13. Le rotor 3 comporte une prise de denture de transmission 26 et il est entraîné par une transmission 27. A 5 2907495 9 côté d'une machine électrique 23 comme celle représentée à la figure 1 et d'une transmission 27 représentée à la figure 2, on peut également avoir un branchement sur un embrayage souple comme entraînement ou comme sortie entraînée. 10 REVENDICATIONS 1 ) Turbomachine (1) comportant un boîtier (2) et un rotor (3) monté radialement et axialement dans le boîtier (2), ce rotor ayant un arbre (4) et au moins une roue mobile (5, 5', 5") fixée à l'arbre (4), caractérisée en ce que la disposition des paliers du rotor (3) se compose de deux paliers à segments basculants (9, 9') opposés, munis de segments basculants (11), coopérant respectivement avec une surface d'appui (10, 10') associée de l'arbre (4), et 1 o au moins l'un des segments basculants (11) de chaque palier à segments basculants (9, 9') comporte une installation de mesure de force (12, 12') pour saisir directement la force axiale appliquée aux segments basculants correspondants (11), les installations de mesure de force (12, 12') étant reliées à une installation de commande électronique (13). 15 2 ) Turbomachine (1) selon la revendication 1, caractérisée en ce qu' une chambre de pression (16, 16') étanche réalisée entre une surface de rotor et une surface de boîtier (15), opposées, est reliée par une con- 20 duite d'alimentation (17) et par une vanne de régulation de pression (18) commandée par l'installation de commande (13) à une conduite haute pression (19) et à une sortie de gaz (20), et la pression (p) régnant dans la chambre de pression (16, 16') exerce une force sur le rotor (3) dans la direction axiale. 25 3 ) Turbomachine (1) selon la revendication 2, caractérisée en ce que la roue mobile (5) est installée de façon flottante à une extrémité de l'arbre (4), et la chambre de pression (16) est formée comme surface de 30 rotor entre le côté pression de la roue mobile (14) et la surface de boîtier (15) adjacente. 4 ) Turbomachine (1) selon la revendication 3, caractérisée en ce que 5 2907495 11 la chambre de pression (16) est rendue étanche d'une part par un joint en labyrinthe de roue mobile (21) entre le côté pression de la roue mobile (14) et le boîtier (2), ainsi que d'autre part un joint de labyrinthe d'arbre (22) entre l'arbre (4) et le boîtier (2). 5 ) Turbomachine (1) selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisée en ce que le rotor (3) comporte chaque fois une roue mobile (5, 5') aux extrémités opposées de l'arbre. i0 6 ) Turbomachine (1) selon l'une des revendications 1 à 5, caractérisée en ce que le rotor (3) comporte au moins une roue mobile (5) d'un étage de turbines d'expansion (6) comme moyen d'entraînement et au moins une roue 15 mobile (5') d'un étage de turbocompresseur (7) comme moyen de sortie. 7 ) Turbomachine (1) selon l'une des revendications 1 à 6, caractérisée en ce que l'arbre (4) est relié à une transmission (27) et/ou à un embrayage sou-20 pie. 8 ) Turbomachine (1) selon l'une des revendications 1 à 7, caractérisée en ce que le boîtier (2) est équipé d'une machine électrique (23) reliée à l'arbre (4) 25 et réalisée comme moteur ou comme générateur. 30