Brevet FR2922971A1 — publié le 20090501

La présente invention concerne un appareil de compression de gaz, couramment dénommé "turbomachine". Un tel appareil comprend un système de compression d'un gaz, incluant une roue à ailettes, une volute dans laquelle est placée cette roue à ailettes, et un moteur électrique d'entraînement en rotation de la roue à ailettes à haute vitesse. Un appareil de ce type peut être utilisé par exemple en tant que source d'alimentation d'une pile à combustible en air sous pression ou en tant que génératrice d'air sous pression dans un système de ventilation de véhicule, notamment dans le système de ventilation de la cabine d'un aéronef, ou encore l'entraînement d'un ensemble dit "turbocharger" de véhicule. Compte tenu de la haute vitesse de rotation du rotor, qui est entraîné pour ce qui concerne la présente invention par un moteur électrique, et de la nécessité dans certaines applications de délivrer un air exempt de toutes particules de graisse, il est approprié, et connu, d'utiliser des ensembles formant des paliers à air, dits également "paliers à feuille" ("foil air bearing assembly" en anglais) pour guider cet arbre, ainsi qu'un ou plusieurs ensembles formant une butée axiale, également à air ("air thrust bearing assembly" en anglais) , s'opposant à la poussée axiale exercée sur l'arbre du moteur par le gaz sous pression généré par le système de compression. Ces ensembles de paliers et ensemble(s) de butée, ainsi que le moteur électrique, d'un tel appareil subissent un échauffement important lors du fonctionnement de l'appareil. Au niveau des ensembles de paliers et des ensemble(s) de butée, les frottements au niveau du film d'air engendrent un échauffement important. II faut alors éviter de surchauffer les matériaux constitutifs des feuilles et/ou des amortisseurs, qui sont sensibles à la température. Au niveau du moteur composé d'un rotor et d'un stator, en plus des pertes joules et des pertes par courants de Foucault générées dans le stator, il faut évacuer la chaleur générée par le cisaillement de l'air dans l'entrefer du moteur du fait des vitesses de rotation élevées. Cet échauffement important rend en outre impératif d'opérer un refroidissement des ensembles de paliers et des ensemble(s) de butée ainsi que du moteur, à défaut de quoi ces organes pourraient être endommagés ou auraient des durées de service réduites. Selon une technique existante pour assurer le refroidissement d'un tel appareil, de l'air de refroidissement est fourni par une source externe d'air de 35 refroidissement. Cette technique a cependant pour inconvénient de rendre l'appareil relativement complexe et d'avoir une incidence notable sur l'efficacité énergétique, le coût et la fiabilité de ce dernier. Selon une autre technique existante pour assurer le refroidissement d'un tel appareil, du gaz est prélevé en sortie du système de compression, est refroidi au moyen d'une unité de refroidissement externe, et est ensuite introduit dans un circuit de refroidissement. La température de ce gaz est élevée, ce qui oblige à prévoir ladite unité de refroidissement externe. Cette dernière a une incidence notable sur le rendement énergétique global, la complexité, l'encombrement, la fiabilité et le coût de l'appareil, ce qui limite les possibilités d'utilisation de cet appareil. De plus, le refroidissement opéré peut ne pas être suffisant, ce qui affecte la durée de service des ensembles de paliers, ensemble(s) de butée et moteur, ce qui limite l'utilisation de cette technique dans de nombreuses applications. Selon encore une autre technique existante, un écoulement de gaz est aménagé au travers d'un interstice aménagé au niveau de l'arbre portant la roue de compression. Cet écoulement est susceptible de ne pas être suffisant pour le refroidissement adéquat de l'appareil en raison de la température élevée de l'air prélevé. Le problème du bon refroidissement d'un appareil tel que précité est donc un problème non parfaitement résolu à ce jour. Lorsqu'un tel appareil ne possède pas de turbine d'entraînement, un autre inconvénient de cet appareil réside dans la poussée axiale précitée exercée sur l'arbre du moteur par le gaz sous pression généré par le système de compression, qui implique la présence du ou des ensemble(s) de butée à air précités, qui subissent eux-mêmes un effort important. II serait avantageux de pouvoir réduire cet effort, afin de réduire les exigences relatives à ce ou ces ensembles de butée, ainsi que l'échauffement subi par ceux-ci, et permettre ainsi de prolonger la durée de service de l'appareil et/ou d'augmenter les performances de celui-ci. L'objectif principal de l'invention est par conséquent de fournir un appareil tel que précité, dont le refroidissement est assuré dans les meilleures conditions et dont les performances et/ou les possibilités d'utilisation sont augmentées. Un autre objectif de l'invention est de fournir un tel appareil dont l'ensemble de butées de l'arbre du moteur subit un effort axial moindre que dans un appareil existant. Un autre objectif encore de l'invention est de fournir une solution de refroidissement simple à mettre en oeuvre, auto-pilotée et ayant un impact énergétique minimisé sur l'appareil. L'appareil concerné comprend, de manière connue en soi, un système de compression de gaz, comprenant une première roue à ailettes et une volute, un moteur électrique d'entraînement de cette roue à ailettes, des ensembles formant des paliers de type à air, de guidage de l'arbre du moteur, et un ou plusieurs ensembles formant une butée axiale de type à air, placés sur cet arbre. Selon l'invention, l'appareil comprend : - un ventilateur du côté de l'arbre du moteur opposé à celui sur lequel se trouve le système de compression, incluant une deuxième roue à ailettes et une volute, cette deuxième roue à ailettes étant disposée de manière inversée par rapport à la première roue à ailettes, et - des conduits de distribution de l'air sous pression généré par le ventilateur 15 vers les ensembles de paliers à air, le ou les ensembles de butée à air et le moteur de l'appareil. Ce ventilateur constitue ainsi une source autonome, interne à l'appareil, d'air de refroidissement sous pression prélevé à l'extérieur de l'appareil, et les conduits de distribution assurent un acheminement de cet air directement vers les 20 ensembles de paliers, le ou les ensembles de butée à air et le moteur de l'appareil, pour un refroidissement optimal de ceux-ci. L'air de refroidissement est à une température nettement inférieure à celle de l'appareil, ce qui élimine la nécessité d'une unité de refroidissement externe de cet air. De plus, l'appareil a une structure restant relativement simple, et un 25 encombrement, une fiabilité et un coût augmentant notablement ses possibilités d'utilisation, notamment pour une application à l'alimentation d'une pile à combustible en air sous pression. En outre, ladite deuxième roue à ailettes, de par sa disposition inversée par rapport à ladite première roue à ailettes, permet de contrebalancer une partie de la 30 poussée axiale exercée sur l'arbre par cette première roue à ailettes, et donc de réduire les exigences relatives au(x) ensemble(s) de butée placés sur cet arbre, ainsi que l'échauffement subi par ceux-ci. De préférence, la rotation de ladite deuxième roue à ailettes est asservie à la rotation de ladite première roue à ailettes, de sorte qu'il est possible de concevoir une géométrie de roue de ventilation permettant d'adapter le besoin en débit d'air de refroidissement à tous les régimes de fonctionnement de l'appareil. Avantageusement, dans ce cas, ladite deuxième roue à ailettes est montée sur une extension de l'arbre du moteur. Lesdits conduits de distribution comprennent avantageusement un conduit d'acheminement de l'air de refroidissement depuis la volute du ventilateur, une série de passages d'air reliés à ce conduit, acheminant l'air de refroidissement autour du moteur, et au niveau des ensembles de paliers et du ou des ensembles de butée, et un conduit relié à ces passages, d'évacuation de cet air de refroidissement. Ladite deuxième roue à ailettes peut être dépourvue d'un flasque reliant les bords libres de ses ailettes, ou peut comporter un tel flasque, permettant d'améliorer le rendement énergétique de l'appareil, mais au détriment de l'équilibrage des poussées axiales. L'invention sera bien comprise, et d'autres caractéristiques et avantages de celle-ci apparaîtront, en référence aux dessins schématiques annexés, représentant, à titre d'exemple non limitatif, une forme de réalisation préférée de l'appareil qu'elle concerne. La figure 1 en est une vue en coupe longitudinale passant par l'axe de l'arbre 20 d'un moteur que comprend cet appareil ; la figure 2 en est une vue similaire à la figure 1, partielle et à échelle agrandie, montrant le ventilateur de refroidissement que comprend l'appareil ; la figure 3 est une vue en perspective d'une roue de refroidissement à ailettes que peut comprendre l'appareil, et 25 la figure 4 est une vue en perspective d'une autre roue de refroidissement à ailettes que peut comprendre l'appareil. La figure 1 représente un appareil 1 de compression d'air, couramment dénommé "turbomachine", comprenant un système 2 de compression d'air, un moteur électrique 3, un ventilateur 4 et des conduits 5, 7 et passages 6 de 30 distribution de l'air sous pression généré par le ventilateur 4 vers différents organes de l'appareil. Le système 2 de compression d'air comprend une tubulure 10 d'entrée de l'air, une roue à ailettes 11 montée sur l'arbre 12 du moteur 3, une volute 13 dans laquelle est placée la roue 11, et une tubulure (non visible) de sortie de l'air sous 35 pression. Le système 2 peut également comprendre, dans la volute 13, un diffuseur à aubages orientables (non représenté). L'ensemble de ces éléments est connu et ne fait pas en lui-même l'objet de l'invention, de sorte qu'il ne sera pas décrit plus en détails. Le moteur 3 comprend, outre l'arbre 12, un rotor 15 et un stator 16, des ensembles de paliers 17 du type à air et un ensemble 18 formant une butée axiale du type à air, permettant de contenir la poussée exercée sur l'arbre 12 par la compression de l'air générée par le système de compression 2. Ce moteur 3 est placé dans un carter 20 qui forme intérieurement les passages 6 de circulation de l'air de refroidissement généré par le ventilateur 4. Ces passages 6 sont reliés, d'une part, au conduit 5 d'acheminement de l'air de refroidissement depuis une volute 21 que comprend le ventilateur 4, et, d'autre part, au conduit 7 d'évacuation de cet air de refroidissement. Les passages 6 acheminent l'air de refroidissement dans la chambre du carter 4 contenant le moteur 3, au niveau des ensembles de paliers 17 et au niveau de l'ensemble de butée 18. Le ventilateur 4 est situé du côté de l'arbre 12 opposé à celui sur lequel se trouve le système de compression 2. Il comprend, outre la volute 21, une tubulure 25 d'entrée d'air et une roue à ailettes 26, cette roue à ailettes 26 étant montée sur une extension de l'arbre 12, de manière inversée par rapport à la roue à ailettes 11. La volute 21 est attenante à une paroi que comprend le carter 20 et est pourvue d'un interstice au niveau de son fond, autour de l'arbre 12, de sorte qu'une partie du courant d'air sous pression que génère le ventilateur 4 opère, par fuite d'air au travers dudit interstice, un refroidissement direct d'un ensemble de palier 17 situé à proximité de cette volute 21. Les figures 3 et 4 montrent la roue à ailettes 26, qui peut être dépourvue d'un flasque reliant les bords libres de ses ailettes (figure 3), ou comporter un tel flasque 27 (figure 4). Comme cela apparaît, le ventilateur 4 constitue une source autonome, interne à l'appareil 1, d'air de refroidissement sous pression prélevé à l'extérieur de l'appareil 1, et les conduits et passages 5, 6, 7 de distribution assurent un acheminement de cet air directement vers les ensembles de paliers 17, l'ensemble de butée 18 et le moteur 3, pour un refroidissement optimal de ceux-ci. L'air de refroidissement est à une température nettement inférieure à celle de l'appareil 1, ce qui élimine la nécessité d'une unité de refroidissement externe de cet air. L'appareil 1 a une structure restant relativement simple, et a un encombrement, une fiabilité et un coût augmentant notablement ses possibilités d'utilisation, notamment pour une application à l'alimentation d'une pile à combustible en air sous pression. En outre, la roue à ailettes 26, de par sa disposition inversée par rapport à la roue à ailettes 11, permet de contrebalancer une partie de la poussée axiale exercée sur l'arbre 12 par cette roue 11, et donc de réduire les exigences relatives au système de butée 18, ainsi que l'échauffement subi par celui-ci. L'invention fournit ainsi un appareil de compression de gaz, présentant, par rapport aux appareils homologues de la technique antérieure, les avantages déterminants d'avoir un refroidissement assuré dans les meilleures conditions et des performances et/ou possibilités d'utilisation augmentées, et d'avoir un système de butée d'arbre de moteur subissant un effort moindre que dans un appareil existant. L'invention a été décrite ci-dessus en référence à une forme de réalisation donnée à titre de pur exemple. II va de soi qu'elle n'est pas limitée à cette forme de réalisation mais qu'elle s'étend à toutes les formes de réalisations couvertes par les revendications ci-annexées. REVENDICATIONS 1 û Appareil (1) de compression de gaz, comprenant un système (2) de compression de gaz, qui inclut une première roue à ailettes (11) et une volute (13), un moteur électrique (3) d'entraînement de cette roue à ailettes (11), des ensembles formant des paliers (17) de type à air, de guidage de l'arbre (12) du moteur (3), et un ou plusieurs ensembles formant une butée axiale (18) de type à air, placés sur cet arbre (12), et un ventilateur (4) du côté de l'arbre (12) du moteur opposé à celui sur lequel se trouve le système de compression (2), incluant une deuxième roue à ailettes (26) et une volute (21), cette deuxième roue à ailettes (26) étant disposée de manière inversée par rapport à la première roue à ailettes (11) caractérisé : - en ce que le ventilateur (4) comprend une volute (21), et - des conduits (5, 6, 7) directement reliés à la volute (21), de distribution de l'air sous pression généré par le ventilateur (4) vers les ensembles (17) de paliers à air, le ou les ensembles (18) de butée à air et le moteur (3) de l'appareil (1). 2 ûAppareil (1) selon la revendication 1, caractérisé en ce que la rotation de ladite deuxième roue à ailettes (26) est asservie à la rotation de ladite première roue à ailettes (11). 3 û Appareil (1) selon la revendication 2, caractérisé en ce que ladite deuxième roue à ailettes (26) est montée sur une extension de l'arbre (12) du moteur (3). 4 û Appareil (1) selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que lesdits conduits de distribution comprennent un conduit (5) d'acheminement de l'air de refroidissement depuis la volute (21) du ventilateur (4), une série de passages d'air (6) reliés à ce conduit (5), acheminant l'air de refroidissement autour du moteur (3) et au niveau des ensembles de paliers (17) et du ou des ensemble formant butée (18), et un conduit (7) relié à ces passages (6), d'évacuation de cet air de refroidissement. 5 û Appareil (1) selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que ladite deuxième roue à ailettes (26) est dépourvue d'un flasque reliant les bords libres de ses ailettes. 6 û Appareil (1) selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que ladite deuxième roue à ailettes (26) comporte un flasque (27) reliant les bords de 35 ses ailettes.