Brevet FR3088684A1 — publié le 20200522

Description Titre de l'invention : PISTON D'EQUILIBRAGE ET D'ETANCHEITE, CIRCUIT DE REFROIDISSEMENT ET PROCEDE ASSOCIES [0001 j La présente invention concerne un motocompresseur intégré et plus particulièrement un piston d'équilibrage des poussées et d'étanchéité, un circuit de refroidissement et un procédé de refroidissement mettant en oeuvre d'un tel piston. [0002] En se référant à la figure 1, un motocompresseur intégré comporte un carter commun 2 étanche au gaz manipulé par le motocompresseur, dans lequel sont placés un moteur électrique 3 et un groupe compresseur 4, par exemple à plusieurs étages, comportant un ensemble de roues à aubes 5, 6, 7 et 8 portées par un arbre 9. Le moteur 3 entraîne en rotation un rotor 10 couplé à l'arbre 9 du groupe compresseur 4. Des paliers 11, 12, 13 et 14 sont utilisés pour supporter la ligne d'arbres du motocompresseur et un piston d'équilibrage de poussées et d'étanchéité 15 est monté sur l'arbre 9. [0003] Le motocompresseur 1 comprend en outre une conduite 16 d'aspiration de gaz, une conduite 17 de refoulement, et une conduite 18 d'admission de gaz de refroidissement prélevé en sortie du motocompresseur. [0004] Le piston d'équilibrage de poussées et d'étanchéité 15 comprend un piston d'équilibrage 19 pour compenser la pression différentielle s'appliquant sur les roues à aubes 5, 6, 7 et 8 entre la pression d'aspiration et la pression de refoulement, et un dispositif d'étanchéité 20 entourant le piston d'équilibrage 19 pour rendre étanche le bout de l'arbre en générant des pertes de charge. [0005] Un débit de fuite traverse axialement le piston 15 et est expulsé du carter 2 par une conduite de fuite 21 raccordée à la conduite d'aspiration 16. [0006] Le gaz recueilli par la conduite de fuite 21, ayant étant comprimé par le compresseur 4, est à une température supérieure à celle de la température du gaz dans la conduite 16 d'aspiration. [0007] Généralement, la température du gaz admis en entrée du motocompresseur est de l'ordre de 20 à 50°C et la température du gaz de fuite est de l'ordre de 180 °C. [0008] Le gaz de fuite augmente donc la température du gaz circulant dans la conduite d'aspiration 16 réduisant le rendement du compresseur 4. [0009] La conduite de refoulement 17 est généralement reliée à un refroidisseur 22 pour refroidir le gaz comprimé. [0010] Une fraction du gaz sortant du refroidisseur 22 est prélevée et est injectée dans le carter 2 par la conduite 18 d'admission de gaz de refroidissement. Intérieurement, cette conduite 18 est reliée à des moyens 23 de refroidissement du carter 2 pour refroidir le 2 moteur électrique 3 et les paliers 11, 12, 13 et 14. [0011] En variante, une fraction de gaz sortant d'une roue est prélevée, refroidie puis injectée dans le carter 2. [0012] Le gaz comprimé prélevé à la sortie du refroidisseur 22 ou à la sortie d'une roue recirculc dans le motocompresseur 1 diminuant le rendement du motocompresseur et réduisant le débit de gaz en sortie du refroidisseur. [0013] Il est donc proposé de pallier les inconvénients liés d'une part à la recirculation du débit de fuite du piston d'équilibrage des poussées et d'étanchéité, et, d'autre part au refroidissement du motocompresseur. [0014] Au vu de ce qui précède, il est proposé, selon un premier aspect, un piston d'équilibrage et d'étanchéité pour motocompresseur intégré comprenant : [0015] - un piston d'équilibrage destiné à être monté sur un arbre du motocompresseur pour compenser la pression différentielle s'appliquant sur des roues d'une section de compression du motocompresseur entre la pression d'aspiration et la pression de refoulement ; et [0016] - un dispositif d'étanchéité entourant le piston d'équilibrage et destiné à être monté sur le carter du motocompresseur pour rendre étanche la section de compression. [0017] Le piston d'équilibrage et d'étanchéité comporte en outre un orifice d'extraction de gaz, la position axiale de l'orifice d'extraction étant déterminée de sorte que la valeur de la pression du gaz prélevé est égale à une valeur prédéterminée inférieure à la valeur de la pression de refoulement. [0018] Avantageusement, le dispositif d'étanchéité comprend un labyrinthe à dents comprenant des disques évidés en leur centre répartis selon une direction axiale de manière à créer entre deux disques adjacents une perte de charge, l'orifice d'extraction de gaz étant situé entre deux disques adjacents. [0019] De préférence, le dispositif d'étanchéité comprend une géométrie à nid d'abeilles, l'orifice d'extraction de gaz étant situé au coeur de l'étanchéité. [0020] 11 est proposé, selon un autre aspect, un circuit de refroidissement pour motocom- presseur intégré, comprenant [0021] - un piston d'équilibrage et d'étanchéité tel que défini précédemment ; [0022] - un refroidisseur de gaz comprenant une entrée reliée à l'orifice d'extraction de gaz et une sortie ; [0023] - des moyens de refroidissement de paliers et d'un moteur électrique reliés à la sortie du refroidisseur de gaz, [0024] la valeur de la pression du gaz prélevé à l'orifice d'extraction étant au moins égale à la valeur des pertes de charge générées par le refroidisseur de gaz et les moyens de refroidissement. [0025] Selon une autre caractéristique, le circuit de refroidissement comprend en outre un 3 filtre comprenant une entrée reliée à la sortie du refroidisseur et une sortie reliée aux moyens de refroidissement, la valeur de la pression du gaz prélevé à l'orifice d'extraction étant au moins égale à la valeur des pertes de charge générées par le refroidisseur, les moyens de refroidissement et le filtre. [0026] Avantageusement, le circuit de refroidissement comprend en outre : [0027] - une vanne de régulation reliée à la sortie du refroidisseur et aux moyens de refroi- dissement ; [0028] - au moins un capteur de température destiné à mesurer la température du moteur électrique ou d'un palier ; [0029] - une unité de traitement relié à la vanne de régulation et au capteur de température, et pilotant la vanne de régulation, [0030] la valeur de la pression du gaz prélevé à l'orifice d'extraction étant au moins égale à la valeur des pertes de charge générées par le refroidisseur, la vanne et les moyens de refroidissement. [0031] De préférence, le circuit de refroidissement comprend en outre un filtre comprenant une entrée à la sortie du refroidisseur et une sortie reliée à la vanne de régulation, la valeur de la pression du gaz prélevé à l'orifice d'extraction étant au moins égale à la valeur des pertes de charge générées par le refroidisseur, la vanne de régulation et le filtre. [0032] Selon une autre caractéristique, le circuit de refroidissement comprend en outre une deuxième vanne de régulation reliée d'une part à un orifice de refoulement du moto-compresseur ou à la sortie d'une roue et, d'autre part, aux moyens de refroidissement, la seconde vanne de régulation étant pilotée par l'unité de traitement. [0033] 11 est proposé, selon encore un autre aspect, un procédé de refroidissement d'un mo- tocompresseur intégré dans lequel on régule le débit de gaz injecté dans les moyens de refroidissement par la vanne de régulation de sorte que la température relevée par au moins un capteur de température soit égale à une température de consigne. [0034] Avantageusement, lorsque la température relevée par le capteur de température est supérieure à la température de consigne et le débit de gaz injecté par la vanne de régulation est égale à un débit maximal prédéterminé, on régule le débit supplémentaire de gaz injecté dans les moyens de refroidissement par la deuxième vanne de régulation de sorte que la température relevée par au moins un capteur de température soit égale à la température de consigne. [0035] D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront à la lecture de la description qui suit de modes de réalisation de l'invention, donnés uniquement à titre d'exemples non limitatifs et en référence aux dessins sur lesquels : [0036] [fig. Il [0037] , dont il a déjà été fait mention, illustre un motocompresseur selon l'état de la technique ; [0038] [fig.2] [0039] illustre un premier mode de réalisation d'un motocompresseur ; et [0040] [fig.3] [0041] illustre un deuxième mode de réalisation du motocompresseur. [0042] On se réfère à la figure 2 qui illustre un premier mode de réalisation d'un motocom- presseur intégré 30. [0043] Le motocompresseur intégré 30 comprend un carter commun étanche 31 dans lequel sont placés un moteur électrique 32 et un groupe compresseur 33 comportant par exemple une section de compression comprenant un ensemble de roues à aubes 34, 35, 36 et 37 portées par un arbre 38. Le moteur 32 entraîne en rotation un rotor 39 couplé à l'arbre 38 du groupe compresseur 33. Des paliers 40, 41, 42 et 43 sont utilisés pour supporter la ligne d'arbres du motocompresseur, et un piston d'équilibrage et d'étanchéité 44 monté à un bout de l'arbre 38. [0044] Ce piston 44 est destiné à équilibrer les poussées s'exerçant sur les étages de com- pression du motocompresseur sous l'effet de la pression différentielle et à assurer l'étanchéité de la section de compression. [0045] Le motocompresseur 30 comprend en outre un orifice 45 d'aspiration de gaz et un orifice 46 de refoulement de gaz comprimé, un orifice 47 de refroidissement relié à des moyens de refroidissement 48 du moteur électrique 32 et des paliers 40, 41, 42 et 43, et un orifice 49 de fuite relié à l'orifice 45 d'aspiration. [0046] Les moyens de refroidissement 48 délivrent du gaz de refroidissement. [0047] Un débit de fuite traverse axialement le piston d'équilibrage des poussées et d'étanchéité 44 et est expulsé du carter 31 par l'orifice 49 de fuite. [0048] Les paliers 40, 41, 42 et 43 peuvent comprendre des paliers électromagnétiques de sorte que l'arbre 38 soit en sustentation lorsque le motocompresseur 30 fonctionne. [0049] Le piston d'équilibrage et d'étanchéité 44 comprend un piston d'équilibrage 50 pour compenser la pression différentielle s'appliquant sur les roues du compresseur 33 entre la pression d'aspiration et la pression de refoulement, et un dispositif d'étanchéité 51 entourant le piston d'équilibrage 50 pour rendre étanche le bout de l'arbre en générant des pertes de charge. [0050] Le piston 44 comprend en outre un orifice d'extraction 52 de gaz. [0051] La position axiale de l'orifice d'extraction 52 est déterminée de sorte que la valeur de la pression du gaz prélevé est égale à une valeur prédéterminée Pext inférieure à la valeur de la pression de refoulement. [0052] Le dispositif d'étanchéité 51 comprend un labyrinthe à dents comprenant des disques évidés en leur centre répartis selon une direction axiale de l'arbre 38 de manière à créer entre deux disques adjacents une perte de charge, l'orifice d'extraction 52 de gaz étant situé entre deux disques adjacents. [0053] En variante, le dispositif d'étanchéité 51 comprend une géométrie à nid d'abeilles, l'orifice d'extraction 52 de gaz étant situé au coeur de l'étanchéité. [0054] La quantité de gaz chaud circulant par l'orifice de fuite 49 est diminuée de la quantité de gaz chaud prélevée par l'orifice d'extraction 52. [0055] Par conséquent, la température du gaz àl'orifice d'aspiration est plus basse que celle dans le cas d'un piston d'équilibrage des poussées et d'étanchéité ne comprenant pas d'orifice d'extraction. [0056] Le rendement du rnotocompresseur en est amélioré. [0057] Le motocompresseur 30 comprend en outre un circuit de refroidissement comprenant le piston d'équilibrage et d'étanchéité 44, un refroidisseur 53 de gaz dont une entrée est reliée à l'orifice d'extraction 52 et une sortie est reliée à une entrée d'un filtre 54, une sortie du filtre étant reliée à une vanne 55 de régulation reliée aux moyens de refroidissement 49. [0058] Le refroidisseur 53 refroidit le gaz circulant sur son entrée. [0059] Le circuit de refroidissement comprend en outre des capteurs de températures 56, 57 et 58 mesurant la température du moteur électrique 32 et des paliers 41 et 42, une unité de traitement 59 pilotant la vanne de régulation 55 et recevant les informations de température transmises par les capteurs de température. [0060] En variante, chaque palier peut être équipé d'un capteur de température. [0061] Le filtre 54 filtre le gaz de sorte à éliminer des particules et de l'eau contenues dans le gaz. [0062] L'unité de traitement 59 régule le débit de gaz injecté dans le circuit de refroi- dissement du motocompresseur par la vanne de régulation 55 de sorte que la température relevée par les capteurs de température 56, 57, et 58 soit égale à une température Tcons de consigne choisie de manière à ne pas dégrader le moteur électrique 32 et les paliers. [0063] Le circuit de refroidissement comporte une boucle d'asservissement en température. [0064] L'unité de traitement 59 est réalisée par exemple à partir d'un microprocesseur. [0065] 111 peut s'agir de tout dispositif apte à piloter la vanne de régulation 55 de sorte que la température relevée par les capteurs de température 56, 57, et 58 soit égale à la température Tcons de consigne. [0066] La valeur prédéterminée Pextl de la pression du gaz prélevé à l'orifice d'extraction 52 est au moins égale à la valeur des pertes de charge générées par les moyens de refroidissement 48, le refroidisseur 53, le filtre 54 et la vanne 55 de régulation. On suppose que les pertes de charges générées par les conduites reliant les éléments du circuit de refroidissement sont négligeables par rapport aux pertes de charge générées par lesdits éléments. 6 [0067] En variante, le circuit de refroidissement ne comporte pas de filtre 54. La valeur pré- déterminée Pext2 de la pression du gaz prélevé à l'orifice d'extraction 52 est au moins égale à la valeur des pertes de charge générées par les moyens de refroidissement 48, le refroidisseur 53 et la vanne 55 de régulation. [0068] Selon d'autres modes de réalisation, le circuit de refroidissement ne comporte pas de vanne 55. La valeur prédéterminée Pext3 de la pression du gaz prélevé à l'orifice d'extraction 52 est égale à la valeur prédéterminée Pext1 moins la valeur des pertes de charge générées par la vanne 55 si le circuit comprend le filtre 54 ou à la valeur prédéterminée Pext2 moins la valeur des pertes de charge générées par la vanne 55. [0069] Les moyens de refroidissement 48 injectent le gaz de fuite s'échappant du piston référencé 44. [0070] Par conséquent le gaz de refroidissement n'est pas prélevé à l'orifice 46 de re- foulement ou sur l'une des roues 34, 35 36 et 37 réduisant la recirculation du gaz. Le rendement du motocompresseur est amélioré. [0071] On se réfère à la figure 3 qui illustre un deuxième mode de réalisation d'un moto- compresseur 30 intégré. [0072] Dans ce qui suit, les éléments identiques à ceux décrits précédemment sont identifiés par les mêmes références numériques. [0073] Ce mode de réalisation différent du premier mode de réalisation en ce que le circuit de refroidissement comprend en outre un deuxième refroidisseur 60 dont une entrée est reliées à l'orifice 46 de refoulement, et une deuxième vanne de régulation 61 reliée à une sortie du deuxième refroidisseur 60. [0074] En variante, l'entrée du deuxième refroidisseur 60 est reliée à la sortie d'une roue 34, 35, 36 ou 37 de la section de compression. [0075] Le deuxième refroidisseur 60 refroidit le gaz sortant du compresseur 33. [0076] Selon d'autres modes de réalisation, la deuxième vanne de régulation 61 est reliée di- rectement à l'orifice 46 de refoulement ou à la sortie d'une roue 34, 35, 36 ou 37 de la section de compression. [0077] La deuxième vanne de régulation 61 est reliée en outre à l'orifice de refroidissement 47. [0078] L'unité de traitement 59 pilote en outre la deuxième vanne de régulation 61 de sorte que lorsque la température relevée par les capteurs de température 56, 57 et 58 est supérieure à la température de consigne Tcons et le débit de gaz injecté par la première vanne 55 de régulation est égale à un débit maximal prédéterminé, le débit de gaz supplémentaire injecté par la deuxième vanne de régulation dans les moyens de refroidissement 48 diminue la température relevée par les capteur de température jusqu'à ce qu'elle soit égale à la température Tcons de consigne. [0079] Le débit maximal prédéterminé est le débit maximal de gaz transitant par la première 7 vanne 55 de régulation. [0080] En variante, si le circuit de refroidissement ne comprend pas la première vanne 55 de régulation, l'unité de traitement 59 pilote la deuxième vanne de régulation 61 de sorte que lorsque la température relevée par les capteurs de température 56, 57 et 58 est supérieure à la température de consigne Tcons, le débit de gaz supplémentaire injecté par la deuxième vanne de régulation dans les moyens de refroidissement 48 diminue la température relevée par les capteur de température jusqu'à ce qu'elle soit égale à la température Tcons de consigne. [0081] Dans ce mode dc réalisation, si le débit de gaz de fuite prélevé à l'orifice d'extraction 52 n'est pas suffisant pour refroidir le moteur 32 et les paliers à la température de consigne Tcons, un débit supplémentaire de gaz est prélevé à l'orifice 46 de refoulement. [0082] La capacité de refroidissement du circuit de refroidissement est améliorée. [0083] Comme le débit supplémentaire de gaz prélevé à l'orifice de refoulement est né- gligeable par rapport au débit de gaz sortant du compresseur 34, le rendement du moto-compresseur n'est pas dégradé. [0084] Selon d'autres modes de réalisation, le tnotocompresseur 30 peut comprendre plusieurs sections de compression montées sur son arbre, chaque section de compression étant reliée à un piston d'équilibrage de poussées et d'étanchéité. [0085] Le piston d'équilibrage de poussées et d'étanchéité dont la valeur de la pression basse est la plus faible comprend l'orifice d'extraction de gaz. 8 [Revendication 1] [Revendication 2] [Revendication 3] [Revendication 4] [Revendication 5]