Brevet FR2938611A1 — publié le 20100521

L'invention concerne un turbocompresseur radial à plusieurs étages avec au moins trois étages de compression, chaque étage de compression comportant une partie de carter qui forme la zone d'entrée de gaz et une partie de carter qui forme la zone de sortie de gaz. Les roues des étages de compression forment, avec des tronçons d'arbre distincts, un rotor qui est guidé par des paliers radiaux et des paliers axiaux. io Dans les turbocompresseurs radiaux, le gaz arrive axialement sur la roue de l'étage de compression. Il est capté dans l'entrée de la roue, dévié radialement par l'aubage et accéléré. Sur la périphérie de la roue, le gaz s'échappe à grande vitesse des espaces intermédiaires de la roue et passe dans le diffuseur radial qui va s'élargissant. Ici, sa vitesse est fortement décélérée. L'énergie 15 cinétique est convertie en énergie de pression. Le gaz ainsi comprimé et chauffé est finalement dirigé, dans un carter collecteur hélicoïdal, vers un embout de sortie de l'étage. L'agencement de plusieurs roues les unes à la suite des autres sur un arbre 20 d'entraînement permet de générer des pressions élevées. Les roues sont entraînées à un même régime. Elles forment, conjointement avec les tronçons d'arbre, un rotor avec un logement et un entraînement communs. Les paliers radiaux de ces turbocompresseurs radiaux à arbre unique sont généralement situés aux extrémités de l'arbre. Le palier axial est également positionné sur 25 une extrémité de l'arbre en sorte que le rotor ne peut se déporter que dans une direction longitudinale. Le carter de ces turbocompresseurs est subdivisé horizontalement ou présente une enveloppe extérieure d'une seule pièce. Dans la réalisation avec 30 subdivision horizontale, le rotor est entouré d'une partie inférieure de carter et d'une partie supérieure de carter. Pour accéder au rotor, il faut retirer toute la partie supérieure du carter. Les moitiés supérieure et inférieure du carter sont chacune moulées ou soudées d'une seule pièce. Dans l'autre réalisation, le carter se compose d'une enveloppe extérieure cylindrique d'une seule pièce, moulée ou soudée, et de composants tels que, par exemple, des composants de carter situés du côté entrée et du côté sortie des différents étages de compression, lesquels sont chacun subdivisés horizontalement pour pouvoir être montés entre les roues. Après un refroidissement intermédiaire, le gaz comprimé dans la première roue est dirigé, via un tube collecteur, vers la deuxième roue et, de là, après un autre refroidissement intermédiaire, vers la roue suivante. Dans ce cadre, on s'efforce io que la compression du gaz sur plusieurs étages se conforme le mieux possible au processus idéal de compression isotherme. Dans les turbocompresseurs à plusieurs étages, les composants chauds et froids du carter se succèdent en formant un ensemble solidaire. Les 15 composants chauds et froids du carter étant calés, soudés ou scellés solidairement entre eux, la dilatation thermique provoque des contraintes internes dans le carter. Les niveaux de température différents des différents composants du carter provoquent des dilatations thermiques d'amplitude différente desdits composants. Les composants du carter peuvent également 20 subir des déformations par pression. L'agencement des paliers sur les extrémités de l'arbre et la subdivision horizontale du carter avec des composants de carter reliés solidairement entre eux resp. les éléments internes du carter encastrés dans une enveloppe de 25 carter commune peuvent, en service, entraîner une réduction des jeux entre les roues et les composants de carter qui leur sont voisins. Il peut s'ensuivre que les roues frôlent le carter, ce qui peut causer un endommagement du turbocompresseur. 30 Le problème à la base de la présente invention est d'empêcher, pendant le fonctionnement du compresseur, une réduction des jeux entre les roues et les composants du carter qui leur sont voisins. Ce problème est résolu, conformément à l'invention, par l'agencement du palier axial entre deux roues d'étages de compression voisins qui sont positionnées avec les faces arrières tournées l'une vers l'autre. Les étages de compression situés dos à dos sont reliés entre eux par un carter intermédiaire. Le positionnement de deux roues tel que les faces arrière des roues se regardent est également appelé principe du dos à dos (back to back). L'agencement central du palier axial entre deux roues situées dos à dos a pour io effet que les modifications des longueurs dues à des dilatations thermiques et des déformations sous l'effet de la pression dans les composants du carter augmentent les jeux entre les roues et les parois du carter qui leur sont voisines de manière telle qu'un frôlement des roues est évité. 15 Dans un turbocompresseur à trois étages, le palier axial est situé préférentiellement à une position centrale entre le deuxième et le troisième étage, le deuxième et le troisième étage étant positionnés dos à dos. La roue du deuxième étage ou, suivant l'agencement des étages, la roue du troisième étage est montée en série avec la roue du premier étage. Les trois roues, les 20 deux extrémités d'arbre et les deux tronçons d'arbre centraux sont préférentiellement centrés les uns par rapport aux autres par l'intermédiaire de dentures droites et attelés entre eux au moyen d'une barre de traction centrale pour former un ensemble rotor solidaire. Dans un compresseur à quatre étages, le rotor se compose de quatre roues, 25 des deux extrémités d'arbre et de trois tronçons d'arbre centraux. La roue additionnelle forme, conjointement avec son carter d'entrée et son carter de sortie, le quatrième étage de compression, lequel est disposé de préférence dos à dos avec le premier étage. 30 Dans une réalisation avantageuse de l'invention, les paliers radiaux sont disposés sur des tronçons d'arbre qui sont situés entre deux roues. Il s'avère particulièrement avantageux que le palier radial proche de l'accouplement soit situé entre la roue la plus proche de l'accouplement et la roue voisine de sorte que la roue située du côté de l'accouplement et l'extrémité de l'arbre située du côté de l'accouplement soient en porte-à-faux libre. Dans un turbocompresseur à trois étages, il s'ensuit que la roue du troisième étage ou, selon l'agencement des étages, la roue du deuxième étage et l'extrémité de l'arbre située du côté de l'accouplement sont disposées en porte-à-faux libre. Dans un turbocompresseur radial à quatre étages, le palier radial io situé du côté de l'accouplement est positionné entre le troisième et le quatrième étage, la roue du quatrième étage ou, selon l'agencement des étages, la roue du troisième étage et l'extrémité de l'arbre située du côté de l'accouplement étant en porte-à-faux libre. 15 Dans une autre forme avantageuse de réalisation de l'invention, le palier radial éloigné de l'accouplement est situé sur le tronçon d'arbre entre la première roue et la roue qui suit. Dans cette forme de réalisation, le palier radial est positionné derrière la roue en porte-à-faux du premier étage, l'extrémité libre de l'arbre du côté opposé à l'accouplement étant supprimée. Cette forme de réalisation a 20 l'avantage que le carter d'entrée du premier étage peut se présenter sous la forme d'un simple embout d'aspiration coaxial sans déviation. On met en oeuvre, de préférence, des paliers radiaux et axiaux magnétiques d'une seule pièce. Les paliers magnétiques offrent des avantages techniques 25 considérables en raison de leur réglage actif de la rigidité et de l'amortissement. Ils se caractérisent également par de très faible perte par frottement. Il s'avère particulièrement avantageux que le carter soit segmenté verticalement en composants froids et composants chauds. Les parties de carter des zones 30 d'entrée de gaz et les parties de carter des zones de sortie de gaz forment chacune des composants de carter d'une seule pièce indépendants. Ceux-ci entourent le rotor annulairement sans subdivision horizontale. 30 Dans une forme de réalisation préférentielle de l'invention, le carter d'entrée du premier étage consiste en un simple embout d'aspiration coaxial sans déviation. Les carters d'entrée de tous les étages suivants sont des embouts d'entrée radiaux. Les carters de sortie des étages de compression peuvent se présenter sous la forme d'espaces collecteurs hélicoïdaux. Les embouts de sortie tangentiels des carters de sortie chauds sont reliés aux embouts d'entrée des refroidisseurs intermédiaires via des conduites tubulaires. Les embouts de sortie des refroidisseurs intermédiaires sont reliés aux embouts d'entrée io radiaux de l'étage de compression qui fait suite via des canaux d'écoulement à faible perte généreusement dimensionnés. Dans une forme de réalisation particulièrement avantageuse de l'invention, des composants de carter voisins sont reliés entre eux par l'intermédiaire de 15 liaisons verticales par flasques. Dans cette forme de réalisation, les parois de carter voisines sont, au niveau des points de liaison, verticales par rapport à l'arbre et parallèles entre elles. La zone de contact dans laquelle les parois de carter sont verticales l'une par rapport à l'autre est réalisée annulairement autour du rotor, les parois de carter étant reliées entre elles en plusieurs points 20 de l'anneau périphérique par des éléments de fixation, par exemple, des vissages. La subdivision du carter en segments reliés entre eux par l'intermédiaire de liaisons verticales par flasques permet de réduire les contraintes internes qui surviennent dans le carter en raison de la dilatation thermique et de la dilatation sous l'effet de la pression. 25 Il est également avantageux que des composants de carter voisins s'engagent l'un dans l'autre en leurs points de liaison et que leurs mesures aux points de jonction soient accordées entre elles de manière telle que les composants de carter soient reliés entre eux par l'intermédiaire d'ajustements serrés. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront à la lecture de la description d'un exemple de réalisation illustré par un dessin et ressortiront du dessin lui-même. La figure unique montre une demi-coupe à travers un turbocompresseur radial à trois étages. Les roues 1, 2 et 3 forment, avec les tronçons d'arbre 14, 15 et 16, le rotor du compresseur. Les roues 1, 2, 3, avec les deux extrémités d'arbre 14 et 15 ainsi que le tronçon d'arbre moyen 16, sont centrées entre elles par l'intermédiaire de dentures droites 30 à 34 et attelées entre elles au moyen d'une barre de traction centrale 17 pour former un ensemble rotor solidaire. io Le rotor se compose de trois étages de compression, chaque étage de compression comprenant une roue (1, 2, 3), un carter d'entrée froid (4, 5, 6) et un carter de sortie chaud (7, 8, 9). Le gaz à comprimer arrive à la roue 1 en passant par le carter d'entrée 4. Le carter d'entrée froid 4 du premier étage se présente sous la forme d'un embout d'aspiration coaxial sans déviation. Le gaz 15 passe de la roue 1 dans le carter de sortie 7 du premier étage. Le carter de sortie 7 se présente sous la forme d'un espace collecteur hélicoïdal. L'embout de sortie tangentiel du carter de sortie 7 est relié à un refroidisseur intermédiaire par l'intermédiaire de conduites tubulaires. Après le refroidisseur intermédiaire, le gaz passe par l'embout d'entrée radial du carter d'entrée 5 20 pour entrer dans le deuxième étage de compression. La liaison entre le refroidisseur intermédiaire et l'embout d'entrée est assurée par des canaux d'écoulement à faible perte généreusement dimensionnés. Dans le deuxième étage de compression, le gaz est accéléré par la roue 2 et 25 est acheminé vers le carter de sortie 8 du deuxième étage. Après un refroidissement intermédiaire, le gaz entre dans l'embout d'entrée radial du carter d'entrée 6 du troisième étage de compression et est refoulé par la roue 3 vers le carter de sortie 9 du troisième étage de compression. 30 Les roues 2 et 3 sont positionnées avec leurs faces arrière qui se regardent. Le tronçon d'arbre central 16 passe entre elles. Les carters de sortie 8, 9 du deuxième et du troisième étage sont reliés entre eux par l'intermédiaire d'un carter intermédiaire 13. Conformément à l'invention, le palier axial 12 est situé entre les roues 2 et 3 situées dos à dos. Le palier radial 11 proche de l'accouplement est situé directement à côté du palier axial 12 de sorte que la roue 3 et l'extrémité de l'arbre 14 située du côté de l'accouplement sont en porte-à-faux libre. Le palier radial 10 éloigné de l'accouplement est situé derrière la roue 1 sur le tronçon d'arbre 15. Le tronçon d'arbre 15 est l'extrémité de l'arbre située à l'opposé de l'accouplement. Du fait de la position du palier radial 10, la roue 1 io est en porte-à-faux libre. L'agencement des paliers a pour effet que la dilatation thermique et la déformation sous l'effet de la pression provoquent, dans les composants de carter 4 à 9, des modifications de longueur ALt,p(1.+2.) et ALt,p(3.) qui 15 augmentent les jeux 35, 36 et 37 entre les roues 1, 2 et 3 et les carters d'entrée 4, 5 et 6 qui leur sont voisins. Ceci permet d'éviter que les roues 1, 2 et 3 frôlent les carters d'entrée 4, 5 et 6 qui leur sont voisins. Une partie du carter d'entrée 4 du premier étage de compression fait saillie 20 dans le carter de sortie 7 du premier étage de compression, les dimensions des deux carters 4 et 7, au point de la liaison, étant accordées entre elles de manière telle qu'il se forme un ajustement serré 24 entre les deux composants de carter 4 et 7. Les deux parties de carter 4 et 7 présentent une surface de contact verticale. La partie verticale de la paroi du carter d'entrée 4 sert de 25 butée à la paroi du carter de sortie 7. Le carter d'entrée froid 4 est relié au carter de sortie chaud 7 par l'intermédiaire d'une liaison verticale par flasque 18. Au point de liaison entre le premier et le deuxième étage de compression, le 30 carter d'entrée 5 du deuxième étage fait saillie dans le carter de sortie 7 du premier étage, les dimensions des deux parties de carter 5 et 7 étant accordées entre elles de manière telle qu'il se forme un ajustement serré 25. Les deux parties de carter 5 et 7 présentent une surface de contact verticale. La partie verticale de la paroi du carter d'entrée 5 sert de butée à la paroi du carter de sortie 7. Par l'intermédiaire de cette surface de contact verticale des parois de carter parallèles entre elles, les parties de carter 7 et 5 sont reliées au moyen d'une liaison verticale par flasque 19. À la jonction entre le carter d'entrée 5 du deuxième étage et le carter de sortie 8 du deuxième étage, le carter d'entrée froid 5 fait saillie dans le carter de sortie chaud 8, un ajustement serré 26 se formant. Une liaison entre les deux parties io de carter 5 et 8 est établie au moyen de la liaison verticale par flasque 20. Au niveau de la liaison verticale par flasque 20, les parois de carter sont parallèles entre elles. Les deux carters de sortie 8, 9 du deuxième et du troisième étage sont reliés 15 entre eux par l'intermédiaire du carter intermédiaire 13. Le carter intermédiaire 13 fait saillie dans le carter de sortie 8 du deuxième étage, les deux composants de carter 8 et 13 formant un ajustement serré 27 et une surface de contact verticale. La partie verticale de la paroi du carter intermédiaire 13 sert de butée à la paroi du carter de sortie 8. Il s'établit, par l'intermédiaire des 20 parois de carter de la surface de contact verticale qui sont parallèles entre elles, une liaison entre les deux parties de carter 8 et 13 au moyen d'une liaison verticale par flasque 21. De même, une partie du carter intermédiaire 13 fait saillie dans le carter de 25 sortie 9 du troisième étage de compression, un ajustement serré 28 se formant. Les deux parties de carter 13 et 9 présentent une surface de contact verticale. La partie verticale de la paroi du carter intermédiaire 13 sert de butée à la paroi du carter de sortie 9. La liaison entre les carters 13 et 9 est réalisée par l'intermédiaire d'une liaison verticale par flasque 22. 30 Dans le troisième étage de compression, le carter d'entrée 6 fait saillie dans le carter de sortie 9 et forme un ajustement serré 29. Une partie verticale de la paroi du carter d'entrée 6 forme une butée pour la paroi du carter de sortie 9. Au niveau des points de contact des parois de carter verticaux entre eux, les carters 6 et 9 sont reliés entre eux au moyen d'une liaison verticale par flasque 23. De la sorte, tous les carters d'entrée froids 4, 5 et 6 ainsi que le carter intermédiaire 13 sont reliés avec les carters de sortie chauds 7, 8 et 9 par l'intermédiaire de liaisons verticales par flasques 18 à 23 et d'ajustements serrés 24 à 29 en tant que composants de carter d'une seule pièce. Il s'ensuit io que des contraintes thermiques internes dans l'ensemble formant le carter sont largement évitées en service et que, de la sorte, les déformations dudit ensemble dues à ces contraintes sont minimisées en service. Dans l'exemple de réalisation, les paliers radiaux 10 et 11 ainsi que le palier 15 radial 12 se présentent sous la forme de paliers magnétiques. 30 REVENDICATIONS1. Turbocompresseur radial à plusieurs étages avec au moins trois étages de compression, chaque étage de compression comportant une partie de carter (4, 5, 6) qui forme la zone d'entrée de gaz et une partie de carter (7, 8, 9) qui forme la zone de sortie de gaz, et les roues (1, 2, 3) des étages de compression formant, avec des tronçons d'arbre distincts (14, 15, 16), un rotor qui est guidé par des paliers radiaux (10, 11) et des paliers axiaux (12), caractérisé en ce qu'un palier axial (12) est situé entre deux roues (2, 3) io d'étages de compression voisins qui sont positionnées avec les faces arrières tournées l'une vers l'autre. 2. Turbocompresseur selon la revendication 1, caractérisé en ce que les paliers radiaux (10, 11) sont disposés sur des tronçons d'arbre (15, 16) qui 15 sont situés entre deux roues (1, 2 resp. 2, 3). 3. Turbocompresseur selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'un palier radial (11) est positionné sur un tronçon d'arbre (16) entre deux roues (2, 3) positionnées dos à dos. 20 4. Turbocompresseur selon la revendication 1, caractérisé en ce que le palier radial (11) proche de l'accouplement est situé entre la roue (3) la plus proche de l'accouplement et la roue voisine de sorte que la roue (3) située du côté de l'accouplement et l'extrémité (14) de l'arbre située du côté de 25 l'accouplement sont en porte-à-faux libre. 5. Turbocompresseur selon la revendication 1, caractérisé en ce que le palier radial (10) éloigné de l'accouplement est situé sur le tronçon d'arbre (15) entre la première roue (1) et la deuxième roue (2). 6. Turbocompresseur selon la revendication 1, caractérisé en ce que les paliers radiaux (10, 11) et le palier axial (12) sont des paliers magnétiques. 7. Turbocompresseur selon la revendication 1, caractérisé en ce que le carter est segmenté verticalement en composants de carter froids et composants de carter chauds, les parties de carter (4, 5, 6) des zones d'entrée de gaz et les parties de carter (7, 8, 9) des zones de sortie de gaz formant chacune un composant de carter d'une seule pièce indépendant. 8. Turbocompresseur selon la revendication 1, caractérisé en ce que des composants de carter voisins sont reliés entre eux par l'intermédiaire de liaisons verticales par flasques (18 à 23). io 9. Turbocompresseur selon la revendication 1, caractérisé en ce que des composants de carter voisins s'engagent l'un dans l'autre en leurs points de liaison et les mesures des composants de carter au point de jonction sont accordées entre elles de manière telle que les composants de carter sont 15 reliés entre eux par l'intermédiaire d'ajustements serrés (24 à 29).