Brevet FR3084919A1 — publié le 20200214

La présente invention concerne une turbomachine à étages multiples. Elle concerne plus particulièrement la structure d'une telle machine. Une turbomachine peut comporter plusieurs étages de compression ou plusieurs étages de détente ou bien encore à la fois un ou plusieurs étage(s) de compression associé(s) à un ou plusieurs étage(s) de détente. Il est notamment connu d'avoir une machine de type compresseur-turbine, appelée aussi compander (mot obtenu à partir des mots anglais compresser pour compresseur et. expander pour turbine ou détendeur), dans laquelle on trouve un ou plusieurs compresseur(s) centrifuge(s) et une ou plusieurs turbine(s). Ces divers étages sont reliés mécaniquement à un moteur commun (éventuellement une génératrice commune) par l'intermédiaire d'un ensemble d'engrenages appelé boite de vitesses (ou son équivalent anglais, gearbox). Une telle machine permet d'obtenir d'excellentes performances pour le traitement de fluides. Elle est modulaire et une même machine peut travailler avec un ou plusieurs fluides : il est par exemple possible de récupérer de l'énergie contenue dans un fluide pour la transmettre à un autre fluide. Un inconvénient toutefois des companders connus est leur encombrement au sol qui est relativement important. Un autre inconvénient des companders connus est leur structure qui impose d'avoir un nombre de paliers important. Il y a en effet un palier pour chaque roue de turbine ou compresseur ainsi que quatre paliers pour le moteur et la boite de vitesses. Cette structure présente également plusieurs arbres qu'il faut étancher. Tout ceci fait que la turbomachine obtenue est relativement lourde. Enfin du fait de la présence de la boite de vitesses, il est le plus souvent nécessaire d'avoir de l'huile pour lubrifier ladite boite de vitesses. Pour certaines applications, il est préférable de ne pas avoir d'huile et la présence de la boite de vitesses est alors un inconvénient. La présente invention a alors pour but de fournir une turbomachine à étages multiples pouvant, comme les companders, traiter des fluides différents -par exemple un gaz et un liquide- ne présentant pas tous les inconvénients précités. Ainsi, la nouvelle turbomachine présentera de préférence une structure plus compacte. Cette turbomachine, pour des performances équivalentes, sera aussi de préférence plus légère qu'un compander. Avantageusement, cette turbomachine 2 fonctionnera sans huile. À cet effet, la présente invention propose une turbomachine à étages multiples comportant une partie centrale présentant au moins deux paliers à partir de laquelle s'étend au moins d'un côté un arbre guidé par lesdits paliers et sur lequel sont montées 5 en porte à faux deux roues radiales. Selon la présente invention, les deux roues radiales sont séparées l' une de l'autre par une cloison étanche, et chacune des deux roues radiales est montée clans son carter, chaque carter présentant une entrée de fluide propre et une sortie de fluide propre. 10 Cette structure permet d'obtenir une turbomachine comparable à un compander avec quatre étages avec un encombrement moindre tout en permettant de travailler avec plusieurs fluides (au moins deux fluides puisqu'au moins deux carters ont chacun une entrée et une sortit qui leur sont propres, c'est-à-dire non commune avec un autre étage. 15 Pour faciliter l'alimentation des deux roues radiales et avoir une structure compacte, les deux roues radiales montées sur un même porte à faux sont par exemple montées dos à dos. Ainsi une roue est alimentée d'un côté et l'autre du côté opposé. Pour limiter le nombre de pièces et avoir une structure compacter, on peut prévoir que la cloison étanche forme une paroi commune à chacun des deux carters. 20 Pour permettre d'utiliser des fluides à des températures sensiblement différentes, la cloison étanche présente avantageusement une isolation thermique. Une turbomachine à étages multiples telle que décrite ci-dessus est destinée à être utilisée au sein d'un process thermodynamique. Pour une meilleure maîtrise de ce process, on prévoit avantageusement que la partie centrale comporte en outre un groupe 25 électrique choisi dans l'ensemble des moteurs électriques et des générateurs électriques. Selon une forme de réalisation avantageuse, le carter correspondant à la roue distale comporte une partie proximale commune avec le carter de la roue proximale et une partie distale fixée sur le carter de la roue proximale. Pour obtenir une structure équivalente à un compander, une turbomachine à 30 étages multiples telle que décrite ci-dessus peut comporter de part et d'autre de sa partie centrale un ensemble de deux roues radiales séparées l'une de l'autre par une cloison étanche, et pour chaque ensemble chacune des roues radiales est montée dans son carter, chaque carter présentant une entrée de fluide propre et une sortie de fluide 3 propre Des détails et avantages de la présente invention apparaitront mieux de la description qui suit, faite en référence au dessin schématique annexé sur lequel : La figure 1 est une vue en coupe transversale d'une turbomachine à étages 5 multiples, et La figure 2 est une vue en coupe transversale partielle à échelle agrandie d'une variante de réalisation de la turbomachine de la figure 1. Dans la forme de réalisation illustrée sur la figure 1, on a une turbomachine à quatre étages indépendants. La structure globale de cette machine est décrite ci-après. 10 Un groupe électrique 2, qui peut être un moteur ou une génératrice, est disposé en position centrale. Il est traversé par un arbre 4 supporté par des paliers 6 et présentant des extrémités d'arbre en porte à faux. Chaque extrémité d'arbre porte deux roues radiales. Le groupe électrique 2 est monté dans un boitier 8. Un aimant 10 est fretté sur 15 l'arbre 4 et forme le rotor du groupe électrique 2. Un stator 12, séparé du rotor par un entrefer et présentant des bobinages, est monté fixe dans le boitier 8. Une boite de connexion 14 permet de relier électriquement le groupe électrique 2. Le boitier 8 est fermé de chaque côté par un couvercle 16 qui intègre un palier 6 qui est ici un palier hydrodynamique. Le boitier 8 intègre un collecteur d'huile 18. 20 Pour éviter toute migration d'huile vers le groupe électrique 2, des joints 22 sont prévus à l'intérieur de chaque couvercle 16. Les paliers 6 de l'arbre 4 sont ainsi intégrés dans les couvercles 16. Les parties de l'arbre 4 s'étendant à l'extérieur du boitier 8 (ou plus précisément de ses couvercles 16) sont disposées en porte-à-faux par rapport au support de cet. arbre 4. 25 On remarque sur la figure 1 que les deux ensembles de roues radiales disposés de part et d'autre du groupe électrique 2 sont symétriques Ainsi, dans la description qui suit, un seul ensemble, celui de droite sur la figure 1, sera décrit. Un premier compresseur est monté adjacent au couvercle 16 situé à droite sur la figure 1. Ce compresseur comporte une première roue de compresseur 22 et un 30 premier corps de compression en plusieurs pièces. La première roue de compresseur 22 est montée sur l'arbre 4 et entrainée par celui-ci. Le fluide (en phase gazeuse ou liquide) entre dans la première roue de compresseur 22 selon une direction axiale (donnée par l'axe de l'arbre 4), de la gauche 4 vers la droite sur la figure 1. Dans la forme de réalisation préférée illustrée sur la figure 1, l'arbre 4 présente une section de forme dite polygonale au niveau de la première roue de compresseur 22. La section de l'arbre 4 est ici de forme triangulaire (avec des faces légèrement convexes et des sommets arrondis). 5 Le premier corps de compression guide le fluide alimentant la première roue de compresseur 22 en amont et en aval de celle-ci. Un carter 24 présente une entrée 24a qui canalise le fluide alimentant la première roue de compresseur 22 selon une direction radiale ainsi qu'une sortie 24b qui guide le fluide comprimé en aval de la première roue de compresseur 22. Le carter 24 est fixé sur un support 26 monté sur le couvercle 16 10 correspondant. Ce support 26 présente une paroi intérieure qui participe également au guidage du fluide pour le conduire vers la première roue de compresseur 22. Une pièce d'étanchéité 28 est disposée entre le support 26 et l'arbre 4 pour réaliser l'étanchéité du compresseur. Dans la forme de réalisation illustrée, la pièce d'étanchéité 28 présente un labyrinthe du côté de l'arbre 4. Du côté de l'intérieur du carter 24, la pièce d'étanchéité 15 assure le guidage du fluide pour le faire passer d'une direction radiale vers sa direction axiale pour alimenter la première roue de compresseur 22. Enfin, à l'intérieur du carter 24, un déflecteur 30 assure le guidage du fluide en amont de la première roue de compresseur 22 et en face de celle-ci. Après la première roue de compresseur 22, c'est-à-dire en s'éloignant de la 20 partie centrale de la turbomachine qui intègre le groupe électrique 2, une paroi transversale 32 vient séparer le premier compresseur d'un second compresseur. Ce second compresseur comporte une seconde roue de compresseur 34 ainsi qu'un corps de compression également en plusieurs pièces. La paroi transversale 32, comme suggéré par son nom, s'étend 25 perpendiculairement à l'axe de l'arbre 4. Elle présente une forme annulaire et loge en son centre un dispositif d'étanchéité 36. À ce niveau, l'arbre 4 présente également une section de forme polygonale (triangulaire). Pour réaliser l'étanchéité, une bague présentant une surface intérieure épousant la forme polygonale de l'arbre 4 et une surface extérieure cylindrique circulaire est placée autour de l'arbre 4. L'étanchéité est 30 alors par exemple réalisée sur ladite bague par un système d'étanchéité à labyrinthe. La paroi transversale 32 présente une face recevant la face arrière de la première roue de compresseur 22 et une face recevant la face arrière de la seconde roue de compresseur 34. On appelle ici face arrière d'une roue sa face de plus grand 5 diamètre. Comme on peut le voir ici, les deux roues de compresseur (première roue de compresseur 22 et seconde roue de compresseur 34) sont ainsi montées dos-à-dos. Chaque face de la paroi transversale 32 présente un logement pour recevoir la face arrière de la roue de compresseur correspondante. Au-delà de ce logement, chaque face 5 de la paroi transversale 32 forme une paroi pour le diffuseur du compresseur correspondant. Le carter 24 est configuré du côté arrière de la première roue de compresseur 22 pour recevoir la paroi transversale 32. 11 présente à cet effet un logement en creux, de préférence avec un épaulement 38, pour recevoir la paroi transversale 32. Le 10 logement au fond duquel vient prendre place la paroi transversale 32 est fermé par une plaque 40 portant une tubulure d'arrivée 42 de fluide et une tubulure de sortie 44. La plaque 40 est fixée sur le carter 24. La tubulure d'arrivée 42 est disposée en position centrale et elle guide du fluide vers la seconde roue de compresseur 34 de telle sorte que ce fluide soit orienté 15 axialement en se dirigeant sur la figure 1, pour la seconde roue de compresseur 34 de droite, de la droite vers la gauche. À l'intérieur du logement, un guide 46 assure le guidage du fluide vers la seconde roue de compresseur 34 et dans cette roue. En sortie de roue, le fluide comprimé est guidé par un diffuseur 48 (et par la plaque transversale 32). 20 La seconde roue de compresseur 34 est elle aussi montée sur un tronçon de l'arbre 4 présentant une section polygonale. On remarque toutefois que la seconde roue de compresseur 34 est montée sur un tronçon de dimensions (« diamètre ») moindre que le tronçon de l'arbre 4 recevant la première roue de compresseur 22. Une vis 50 vient fixer la seconde roue de compresseur 34 en bout d'arbre 4. Par cette fixation, on 25 assure par empilage la fixation des divers éléments disposés sur l'arbre 4, tels les dispositifs d'étanchéité et la première roue de compresseur 22. On remarque ici que les deux corps de compression sont à la fois imbriqués l'un dans l'autre, avec des éléments communs, et à la fois indépendants puisque deux circuits de fluide distincts sont créés. 30 On réalise de la sorte deux étages entièrement indépendants l'un de l'autre sur une même extrémité d'arbre d'une turbomachine. La figure 2 illustre une variante de réalisation de la figure 1. Elle reprend les références de la figure 1 pour désigner des pièces similaires. On retrouve ici deux roues 6 radiales séparées par une cloison et montées dos à dos, les deux roues étant montées sur un même porte à faux d'un arbre. On retrouve aussi sur la figure 2, qui est une coupe partielle à échelle agrandie, un palier (qui est dans cet exemple aussi un palier hydrodynamique mais qui pourrait être de tout autre type, « classique » avec des 5 roulements ou bien magnétique, à air, ...). En outre, le corps de compresseur correspondant à la première roue de compresseur ou roue proximale (la plus proche du palier) est de forme adaptée et présente un logement pour recevoir partiellement le corps de compresseur correspondant à la seconde roue de compresseur. Dans la suite, seules les différences entre la forme de réalisation de la figure 2 et celle de la figure 1 10 seront mises en avant. Du côté de la partie centrale, le couvercle 16 et le support 26 de la figure 1 sont tous deux regroupés en une seule pièce sur laquelle est monté le carter 24. La structure du palier hydrodynamique et de l'étanchéité est revue. La pièce d'étanchéité présente de ce fait une forme différente. 15 La forme de réalisation de la figure 2 correspond par exemple à une turbomachine destinée à travailler avec deux fluides à des températures très différentes. On reconnait alors une couche isolante 52 qui est disposée dans le second corps de compression en regard du premier corps de compression. On peut ici par exemple comprimer un fluide cryogénique et un autre fluide à température « normale », par 20 exemple proche de la température ambiante. La pression dans le second corps de compression dans cette autre forme de réalisation est relativement élevée. De ce fait, la plaque 40 fermant ce corps et le séparant de l'extérieur est de forme bombée. L'alimentation en fluide est alors adaptée. Les formes de réalisation décrites ci-dessus présentent donc des turbomachines 25 à étages multiples, lesdits étages pouvant être indépendants les uns des autres. La figure 1 illustre une machine à quatre étages qui est symétrique. Cette symétrie est uniquement illustrative. On peut avoir deux ensembles bien distincts de part et d'autre de la partie centrale de la machine. La turbomachine proposée ici présente un seul arbre et aucune boite de 30 vitesses (gearbox). Elle peut ainsi présenter une empreinte au sol limitée par rapport à une machine de type « conapander » décrite au préambule. Le nombre de paliers et d'étanchéités à réaliser est réduit pat- rapport à un « compander ». La turbomachine, dans sa version proposée à quatre étages (on pourrait n'avoir 7 par exemple que deux ou trois étages, c'est-à-dire deux étages d'un côté et un ou zéro de l'autre) ou bien au contraire un plus grand nombre d'étages. La turbomachine proposée peut aussi comporter une ou plusieurs roues de détente (et pas uniquement des étages de compression). Elle vient alors prendre place 5 dans une installation thermodynamique. Elle peut être motrice dans le cas où un moteur est disposé dans la partie centrale, ou bien génératrice si un générateur est prévu en partie centrale. Il peut aussi s'agir aussi d'un échange entre fluides, un ou plusieurs détendeurs transmettant alors de l'énergie à un ou plusieurs compresseurs par l'intermédiaire de l'arbre central. Pour une machine à quatre étages, on peut avoir ainsi 10 plusieurs configurations selon que l'on ait des compresseurs ou des turbines de détente (ou « expandeurs »). On peut ainsi avoir les configurations suivantes avec un moteur : Turf) i ne-turbi ne/moteur/compresseur-compresseur Turbine-turbine/moteur/turbine-compres seur Turbine-turbine/moteur/compresseur-turbine 15 Turbine-compresseur/moteur/compresseur-compresseur Turbine-compresseur/moteur/turbine-compres seur Turbine-compresseur/moteur/compresseur-turbine Compresseur-turbine/moteur/compresseur-compresseur Co mpres seur-turbi ne/moteur/turbi ne-compresseur 20 Compresseur-turbine/moteur/compresseur-turbine Co mpres seur-turbi ne/moteur/turhi ne-turbine Compresseur-compres seur/moteur/compres seur-compresseur De même avec un générateur en partie centrale, on peut avoir toutes les combinaisons possibles (le turbine et compresseur de part et (l'autre du générateur (sauf 25 avoir uniquement des compresseurs qui ne peuvent alors pas entrainer le générateur). De même toutes les combinaisons de turbines et de compresseurs (sauf uniquement des turbines ou uniquement des compresseurs) peuvent être envisagées sans groupe électrique en partie centrale pour réaliser des échanges énergétiques entre fluides uniquement par l'intermédiaire de l'arbre central. 30 On retrouve à chaque fois, au moins d'un côté de la partie centrale, un assemblage de deux roues radiales, de préférence montées dos-à-dos, sur un même porte à faux d'un arbre commun, un dispositif d'étanchéité entre les deux roues radiales. Les corps de compression ou d'expansion correspondant à ces deux roues 8 radiales sont réalisés de manière à pouvoir recevoir chacun un fluide différent. Chaque corps présente ainsi une entrée et une sortie de fluide et on a deux circuits totalement distincts l'entrée et la sortie d'un corps et l'entrée et la sortie de l'autre corps. Dans la description purement descriptive et non limitative, les roues radiales 5 montrées sont montées sur l'arbre par des zones de type « polygone ». Bien entendu, d'autres montages sont possibles : clavettes, dentures, denture de type Hirth, etc. La roue la plus à l'extérieur est de préférence, mais pas forcément, montée sur une section d'arbre de plus petite section. Un montage sur deux sections identiques peut aussi être envisagé. Le montage des roues se fait à l'aide de tout moyens : 10 rondelles d'appui, douilles, étanchéité à labyrinthe ou autres, . Le corps de compression ou d'expansion correspondant à la roue la plus extérieure, ou roue distale, est de préférence fixé sur le corps (de compression ou d'expansion) correspondant à la roue la plus intérieure. Une isolation thermique peut être prévue entre les deux corps. 15 La présente invention ne se limite pas aux formes de réalisation décrites ci- dessus et aux variantes envisagées. Elle concerne également les variantes de réalisation à la portée de l'homme REVENDICATIONS1. Turbomachine à étages multiples comportant une partie centrale (2) présentant au moins deux paliers (6) à partir de laquelle s'étend au moins d'un côté un arbre (4) guidé par lesdits paliers (6) et sur lequel sont montées en porte à faux deux roues radiales (22, 34), caractérisée en ce que les deux roues radiales (22, 34) sont séparées l'une de l'autre par une cloison étanche (32), et en ce que chacune des deux roues radiales (22, 34), est montée dans son carter (24, 32, 40), chaque carter présentant une entrée de fluide (24a, 42) propre et une sortie de fluide (24b, 44) propre. 2. Turbomachine à étages multiples selon la revendication 1, caractérisée en cc que les deux roues radiales (22, 34), montées sur un même porte à faux sont montées dos à dos. 3. Turbomachine à étages multiples selon l'une des revendications 1 ou 2, caractérisée en ce que la cloison étanche (32) forme une paroi commune à chacun des deux carters (24, 32, 40). 4. Turbomachine à étages multiples selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisée en ce que la cloison étanche (32) présente une isolation thermique (52). 5. Turbomachine à étages multiples selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisée en ce que la partie centrale (2) comporte en outre un groupe électrique choisi dans l'ensemble des moteurs électriques et des générateurs électriques. 6. Turbomachine à étages multiples selon l'une des revendications 1 à 5, caractérisée en ce que le carter (32, 40) correspondant à la roue distale (34) comporte 25 une partie proximale (32) commune avec le carter de la roue proximale (22) et une partie distale (40) fixée sur le carter (24) de la roue proximale (22). 7. Turbomachine à étages multiples selon l'une des revendications 1 à 6, caractérisée en ce qu'elle comporte de part et d'autre de sa partie centrale (2) un ensemble de deux roues radiales (22, 34), séparées l' une de l'autre par une cloison 30 étanche (32), et en ce que pour chaque ensemble chacune des roues radiales (22, 34), est montée dans son carter (24, 32, 40), chaque carter présentant une entrée de fluide (24a, 42) propre et une sortie de fluide (24b, 44) propre.