Brevet FR2997739A1 — publié le 20140509

Compresseur comprenant un équilibrage de poussée. L'invention concerne l'équilibrage de la poussée s'exerçant dans un compresseur centrifuge, et plus particulièrement l'amélioration de la poussée maximale que l'architecture d'un compresseur centrifuge peut supporter. En fonctionnement, le rotor d'un compresseur centrifuge subit généralement des poussées importantes. Ces poussées sont dues à l'écart de pression régnant entre les étages et à la quantité de mouvement créée par le changement de direction du gaz, d'une direction axiale à une direction radiale. Le débit a tendance à générer une poussée dirigée de l'aspiration vers le refoulement du compresseur. La différence de pression aux bornes de chaque roue pousse dans le sens opposé. La compensation d'un tel phénomène est généralement réalisée en utilisant un piston d'équilibrage qui agit dans le même sens que la poussée due au débit. Sachant que le compresseur est susceptible d'opérer dans diverses conditions, le piston est étudié pour réduire le champ de poussée dans l'intégralité du domaine de fonctionnement. Un palier de butée est installé pour contrer la poussée résiduelle qui subsiste malgré l'équilibrage mis en oeuvre par le piston. Dans certains cas spécifiques de compresseurs, comme par exemple des compresseurs à large plage de débit, c'est-à-dire à grand coefficient de débit, le palier de butée n'est pas suffisant. Pour palier cette lacune, il est connu de placer une vanne de contrôle sur la ligne d'équilibrage, c'est-à-dire entre la cavité arrière du piston et l'aspiration du compresseur. La vanne est commandée par une sonde de mesure de poussée, et régule la pression dans la cavité arrière du piston. La poussée est donc annulée ou au moins réduite pour la maintenir dans la capacité du palier de butée. Pour éviter des fuites de gaz pouvant endommager les paliers ou les étanchéités dynamiques lorsque la vanne de contrôle est fermée et la cavité arrière est mise en pression, une chambre d'aspiration est disposée à la suite de la cavité arrière du piston via un joint labyrinthe, et couplée via un conduit d'aspiration à la ligne d'aspiration en sortie de la vanne de contrôle. Cependant, cette solution ne permet pas de compenser la poussée dans le cas de débit de gaz important. En effet, même avec la vanne de contrôle fermée sur la ligne d'équilibrage, il n'est pas possible d'atteindre la pression de refoulement dans la cavité arrière du piston, ce qui entraîne une limitation de la compensation de la poussée. L'invention a donc pour but d'augmenter l'étendue de poussée qui peut être utilisée et donc d'augmenter la plage de débit couverte par le compresseur. Dans ce but, l'invention propose un compresseur pour groupe moto-compresseur, comprenant sur un arbre rotatif, un piston d'équilibrage, un ensemble de roues à aubes, une cavité arrière du piston adjacente au piston d'équilibrage d'un côté opposé à l'ensemble de roues à aubes, une vanne de régulation apte à coupler la cavité arrière à l'entrée de l'ensemble de roues à aubes, une chambre à pression d'aspiration couplée à l'entrée de l'ensemble de roues à aubes, la cavité arrière étant disposée entre le piston d'équilibrage et la chambre à pression d'aspiration. Selon une caractéristique générale, le compresseur comprend une chambre à pression de refoulement disposée entre la cavité arrière du piston et la chambre à pression d'aspiration, la chambre à pression de refoulement étant couplée via une ligne de refoulement à une zone de refoulement située entre l'ensemble de roues à aubes et le piston d'équilibrage. La chambre à pression de refoulement disposée entre la cavité arrière du piston et la chambre à pression d'aspiration permet ainsi d'équilibrer les pressions de part et d'autre du piston d'équilibrage lorsque le compresseur fonctionne à grand débit, c'est-à-dire pour des rapports de pression par roue à aubes compris entre 1,05 et 1,2, et ainsi d'éviter des fuites vers les moyens d'étanchéité ou les paliers. En effet, en fermant la vanne de régulation, les gaz contenus dans la zone de refoulement, et ceux contenus dans la chambre à pression de refoulement couplée à la zone de refoulement, vont migrer vers la cavité arrière de piston où la pression est moins importante jusqu'à obtenir dans la cavité arrière de piston, une pression proche de la pression de refoulement. La différence de pression de part et d'autre du piston d'équilibrage s'annule, diminuant ainsi la force de poussée exercée sur l'arbre rotatif. De préférence, le compresseur comprend une bride d'entrée débouchant sur une ligne d'entrée de gaz couplée à l'entrée de l'ensemble de roues à aubes. La ligne d'entrée de gaz et la ligne d'aspiration sont ainsi couplées toutes deux à l'entrée de l'ensemble de roues à aubes, l'ensemble de roues à aubes recevant alors du gaz injecté depuis la bride d'entrée ainsi que du gaz issu de la chambre d'aspiration. Les gaz provenant de la chambre d'aspiration émanent des fuites des gaz de la chambre à pression de refoulement. La chambre à pression d'aspiration permet d'une part d'éviter que les fuites de gaz issues de la chambre à pression de refoulement atteignent et endommagent les moyens d'étanchéité ou les paliers, et permet d'autre part de recycler le gaz perdu dans les fuites entre chambres. Le compresseur peut comprendre des joints labyrinthes disposés entre la chambre à pression d'aspiration et la chambre à pression de refoulement d'une part, et entre la chambre à pression de refoulement et la cavité arrière du piston d'autre part. Le compresseur peut avantageusement comprendre une enveloppe de compresseur apte à comprendre l'ensemble de roues à aubes, le piston d'équilibrage, la cavité arrière du piston, la chambre à pression de refoulement, et la chambre à pression d'aspiration, l'enveloppe étant fermée de manière étanche par des moyens étanches montés sur l'arbre rotatif ou sur le stator de part et d'autre de la chambre de compression. Le compresseur peut avantageusement comprendre des paliers magnétiques ou des paliers à huile aptes à supporter l'arbre rotatif. Le compresseur peut également comprendre une butée montée sur l'arbre rotatif et apte à venir en butée sur des moyens d'appuis disposés de part et d'autre de la butée et indépendant de l'arbre rotatif. Le compresseur peut comprendre un capteur apte à mesurer le niveau de poussée sur l'arbre rotatif, et des moyens de commande aptes à commander la vanne de commande à partir du niveau de poussée mesuré. Selon un autre aspect, il est proposé un groupe moto- compresseur comprenant un moteur, et un compresseur tel que défini ci-dessus. D'autres avantages et caractéristiques de l'invention apparaîtront à l'examen de la description suivante d'un mode de réalisation de l'invention, nullement limitatif, faite en référence au dessin annexé sur lequel est présenté de manière schématique un exemple de compresseur selon un second mode de réalisation de l'invention. Dans l'exemple de réalisation illustré, le compresseur est un compresseur dont la section de compression 1 comprend un ensemble de roues à aubes de compression R assurant la compression d'un gaz délivré en entrée E du compresseur pour délivrer en sortie S le gaz manipulé par le compresseur (flèches F). Les roues à aubes R sont montées sur un arbre mené 2 entraîné en rotation par un arbre moteur 3. La section de compression 1 du compresseur est placée, dans le mode de réalisation illustré, dans une enveloppe de compresseur 4 maintenue étanche grâce à des moyens d'étanchéité 5 disposés de part et d'autre de l'enveloppe de compresseur le long de l'arbre mené 2. Les moyens d'étanchéité 5 peuvent être des garnitures sèches comprenant entre autre un système de cavités séparées par des joints, par exemple des joints labyrinthe. Le compresseur comprend encore des paliers 6, ici au nombre de deux, permettant de supporter l'arbre mené 2. Les paliers 6 peuvent être des paliers magnétiques. Les paliers 6 peuvent également être des paliers à huile auquel cas des garnitures sèches sont utilisées comme moyens d'étanchéité 5. En aval de la dernière roue à aubes R, en considérant la circulation du gaz manipulé dans la section de compression 1, le compresseur comporte un piston d'équilibrage 7 monté sur l'arbre mené 2, destiné à compenser la poussée axiale exercée par les roues à aubes sur l'arbre mené 2. Les fuites de gaz comprimé de la zone de refoulement 10 de la dernière roue à aubes R, c'est-à-dire la plus proche de la sortie S et du piston 7 d'équilibrage, sont réduites à l'aide d'un système de joint labyrinthe 9 disposé au niveau du piston. La poussée axiale subie par l'arbre mené 2 est principalement due à la différence de pression aux bornes de chaque roue à aubes dans un sens, et au débit de gaz dans le compresseur dans un sens opposé, l'amplitude des forces exercées variant selon le mode opératoire. La section de compression 1 comprend une cavité arrière 11 de piston du côté du piston 7 d'équilibrage opposé aux roues à aubes R. La cavité arrière 11 est couplée à l'entrée des roues à aubes R via une ligne d'équilibrage 13 comportant une vanne de régulation commandée 14. La différence de pression aux bornes du piston, c'est-à-dire entre la zone de refoulement d'un côté du piston d'équilibrage 7 et la cavité arrière 11 de piston de l'autre côté du piston d'équilibrage 7, permet de recentrer la poussée résiduelle et de minimiser sa variation. La poussée axiale résiduelle est contrée par un système comprenant une butée 15 solidaire de l'arbre mené 2 et deux parties statoriques 16 situées de part et d'autre de la butée 15 et indépendant de l'arbre mené 2 de manière à restreindre le mouvement axial de l'arbre mené 2. Lorsque la machine est équipée d'un piston d'équilibrage 7, les fuites au niveau du labyrinthe 9 sont ramenées à l'aspiration du compresseur via la ligne d'équilibrage 13. La vanne de régulation 14 régule la pression dans la cavité arrière 11 du piston de façon à obtenir la poussée requise sur le piston d'équilibrage 11. Lorsque le compresseur est utilisé pour des grands débits, le piston accentue la poussée jusqu'à dépasser la capacité de la butée. Pour annuler la poussée exercée sur le piston d'équilibrage 7, on procède à l'équilibrage des pressions de part et d'autre du piston d'équilibrage 7, c'est-à-dire entre la zone de refoulement 10 et la cavité arrière 11 de piston. Pour cela, la vanne de régulation 14 est fermée de manière à remplir la cavité arrière 11 avec les gaz fuyant la zone de refoulement 10 vers la cavité arrière. Afin de pouvoir atteindre la pression de refoulement dans la cavité arrière, le compresseur comprend une chambre à pression de refoulement 18 disposée à la suite de la cavité arrière 11 de piston et couplée à la zone de refoulement 10 via une ligne de refoulement 19. La chambre à pression de refoulement 18 étant couplée directement à la zone de refoulement 10 possède une pression correspondant à la pression de refoulement. La pression dans la cavité arrière 11 de piston étant inférieure à la pression de refoulement, la chambre de refoulement 18 fuit dans la cavité arrière 11 du piston via le joint labyrinthe 9 séparant la chambre de refoulement 18 de la cavité arrière 11 de piston. Il est ainsi possible d'avoir un compresseur dont l'étendue de poussée qui peut être utilisée a été augmentée. Pour éviter les fuites de gaz entre la chambre à pression de refoulement 18 et les étanchéités de bout d'arbre, la section de compression 1 comprend une chambre à pression d'aspiration 20 couplée via une ligne d'aspiration 21 à l'aspiration, c'est-à-dire à l'entrée E en aval de la vanne 14. En effet, sans cette chambre à pression d'aspiration 20, des problèmes de fuites pourraient endommager les moyens d'étanchéité 5 ou directement les paliers 6 dans le cas de paliers magnétiques. La pression de refoulement dans la chambre de refoulement pourrait entraîner une pénétration de gaz à pression de refoulement dans les moyens d'étanchéité 5 et endommager ceux-ci. Sur les paliers magnétiques, les gaz à pression de refoulement sont à haute température et peuvent en effet fuir jusqu'aux paliers magnétiques et les chauffer jusqu'à les endommager. La chambre à pression d'aspiration 20 est située juste à côté de la chambre à pression de refoulement 18 protégeant les moyens d'étanchéité 5 ou directement les paliers 6, avec interposition d'un joint labyrinthe 9. Avec cette configuration, la pression de refoulement est présente dans des zones des deux côtés de la cavité arrière 11 du piston 10 et, quand la vanne est fermée, les gaz peuvent fuir dans la cavité arrière 11 de piston jusqu'à obtenir quasiment la pression de refoulement dans la cavité arrière de piston. Pour commander la vanne de commande 14, le compresseur comprend des moyens de mesure 22 mesurant périodiquement le niveau de poussée exercé sur l'arbre mené 2. Les moyens de mesure 22 peuvent, par exemple, comprendre un capteur de température mesurant l'échauffement du palier de butée, ou un capteur de débit mesurant le débit de gaz dans le compresseur. L'information obtenue est envoyée à une unité de contrôle qui transforme cette donnée en un signal d'ouverture/fermeture de la vanne de commande 14. Quand la vanne de commande 14 est fermée, le gaz circule depuis la zone de refoulement jusqu'à la cavité arrière 11 du piston 7. Ensuite, la seule issue restante est d'aller dans la chambre à pression d'aspiration. L'invention permet d'obtenir un compresseur à large plage de débit. REVENDICATIONS1. Compresseur pour groupe moto-compresseur, comprenant sur un arbre rotatif (2), un piston d'équilibrage (7), un ensemble de roues à aubes (R), une cavité arrière (11) du piston adjacente au piston d'équilibrage (7) d'un côté opposé à l'ensemble de roues à aubes (R), une vanne de régulation (14) apte à coupler la cavité arrière (11) à l'entrée de l'ensemble de roues à aubes (R), une chambre à pression d'aspiration (20) couplée à l'entrée de l'ensemble de roues à aubes (R), la cavité arrière (11) étant disposée entre le piston d'équilibrage (7) et la chambre à pression d'aspiration (20), caractérisé en ce qu'il comprend une chambre à pression de refoulement (18) disposée entre la cavité arrière (11) du piston et la chambre à pression d'aspiration (20), la chambre à pression de refoulement (18) étant couplée via une ligne de refoulement (19) à une zone de refoulement (10) située entre l'ensemble de roues à aubes (R) et le piston d'équilibrage (7). 2. Compresseur selon la revendication 1, comprenant une bride d'entrée (E) débouchant sur une ligne d'entrée de gaz couplée à l'entrée de l'ensemble de roues à aubes (R). 3. Compresseur selon l'une des revendications 1 ou 2, comprenant des joints labyrinthes (9) disposés entre la chambre à pression d'aspiration (20) et la chambre à pression de refoulement (18) d'une part, et entre la chambre à pression de refoulement (18) et la cavité arrière (11) du piston d'autre part. 4. Compresseur selon l'une des revendications 1 à 3, comprenant une enveloppe de compresseur (4) apte à comprendre l'ensemble de roues à aubes (R), le piston d'équilibrage (7), la cavité arrière (11) du piston, la chambre à pression de refoulement (18), et la chambre à pression d'aspiration (20), l'enveloppe étant fermée de manière étanche par des moyens étanches (5) montés sur l'arbre rotatif (3) de part et d'autre de la chambre de compression (4). 5. Compresseur selon l'une des revendications 1 à 4, comprenant des paliers aptes à supporter l'arbre rotatif (2). 6. Compresseur selon l'une des revendications 1 à 5, comprenant une butée (15) montée sur l'arbre rotatif (2) apte à venir en butée sur des moyens d'appuis (16) disposés de part et d'autre de la butée (15) et indépendant de l'arbre rotatif (2). 7. Compresseur selon la revendication 6, comprenant un capteur (22) apte à mesurer le niveau de poussée sur l'arbre rotatif (2), et des moyens de commande aptes à commander la vanne de régulation (14) à partir du niveau de poussée mesuré. 8. Groupe moto-compresseur comprenant un moteur, un compresseur selon l'une quelconque des revendications 1 à 7. 9. Procédé d'équilibrage de la poussée exercée sur un piston d'équilibrage (7) couplé à un arbre rotatif (2) d'un compresseur comprenant en outre sur l'arbre rotatif (2) un ensemble de roues à aubes (R), une cavité arrière (11) du piston adjacente au piston d'équilibrage (7) d'un côté opposé à l'ensemble de roues à aubes (R), une vanne de régulation (14) apte à coupler la cavité arrière (11) à l'entrée de l'ensemble de roues à aubes (R) via une ligne d'équilibrage (13), une chambre à pression d'aspiration (20) couplée à l'entrée de l'ensemble de roues à aubes (R) via une ligne d'aspiration (21), la cavité arrière (11) étant disposée entre le piston d'équilibrage (7) et la chambre à pression d'aspiration (20), caractérisé en ce que le procédé comprend le couplage d'une chambre à pression de refoulement (18) disposée entre la cavité arrière (11) du piston et la chambre à pression d'aspiration (20) à une zone de refoulement (10) située entre l'ensemble de roues à aubes (R) et le piston d'équilibrage (7).