Brevet FR3088386A1 — publié le 20200515

Description Titre de l'invention : Dispositif de filtration pour une unité de moto-compresseur intégrée [0001] ARRIERE-PLAN DE L'INVENTION [0002] Le domaine de la présente invention se rapporte à un dispositif de filtration destiné à éliminer des particules indésirables d'un gaz utilisé pour refroidir une unité de moto-compresseur intégrée, et a en outre pour objet une unité de motocompresseur intégrée (« unité IMC ») comportant un dispositif de filtration de ce type. [0003] D'une manière générale, une unité de motocompresseur comprend un compresseur centrifuge et un moteur intégrés dans un carter. [0004] Un compresseur centrifuge comprend en général plusieurs étages de compression qui sont adaptés pour comprimer un gaz à partir d'une entrée jusqu'à une sortie, grâce à une pluralité de pales montées sur un arbre entraîné qui est couplé à un rotor entraîné par un moteur afin de générer un flux de gaz comprimé. L'arbre rotatif est monté dans l'unité de motocompresseur intégrée par l'intermédiaire de paliers. Ces paliers peuvent par exemple être des paliers magnétiques actifs (« AMB »). [0005] L'arbre utilisé pour entraîner directement un compresseur centrifuge de ce type doit tourner à des vitesses relativement élevées (par exemple 18 000 tours par minute) ce qui génère de la chaleur dans les paliers. Si cette chaleur n'est pas dissipée de manière appropriée, elle peut avoir des effets défavorables sur les systèmes de paliers et provoquer la détérioration ou la défaillance des paliers. [0006] Pour réguler la chaleur et refroidir les paliers, il est connu d'utiliser un circuit de re- froidissement qui peut être à boucle ouverte ou fermée, dans laquelle du gaz de refroidissement est extrait du flux du processus, par exemple en sortie du premier étage de compression. Le gaz est ensuite mis en circulation à travers le moteur et les paliers pour absorber la chaleur. [0007] Par exemple, environ 10 % de gaz sont approvisionnés dans le circuit de refroi- dissement, à partir du flux. Le gaz de refroidissement peut être entraîné par une différence de pression entre la source du gaz de refroidissement et l'endroit jusqu'auquel le gaz peut s'écouler. [0008] Les paliers sont souvent hautement sensibles quant à la qualité du gaz qui les refroidit. Notamment lorsque les paliers sont de type AMB, de grosses particules solides peuvent agir de façon inappropriée envers la suspension magnétique de l'arbre rotatif. Il est nécessaire d'utiliser un système de filtration pour filtrer le gaz et en éliminer ainsi les particules solides indésirables, par exemple les particules supérieures à 3 micromètres. 2 100091 Une solution couramment utilisée représentée clans la figure 1, qui illustre une unité de motocompresseur 1 avec sa boucle de refroidissement ll, est de filtrer l'ensemble du flux de gaz de la boucle de refroidissement en plaçant au moins un filtre F, situé dans la boucle de refroidissement, devant l'entrée du gaz de refroidissement circulant clans les paliers AMB, situés de façon centrale, et dans le moteur. Dans l'exemple représenté, un filtre dimensionné pour 100 % du flux de gaz est nécessaire pour éliminer une quantité suffisante des particules indésirables du gaz, avant qu'elles n'entrent dans les paliers AMB, et pour obtenir une fiabilité suffisante du niveau de filtration pouvant être atteint, ce qui augmente les coûts, la taille et la consommation d'énergie. De plus, chaque filtre F nécessite des interventions périodiques en termes de maintenance et de contrôle, car ce type de filtre F s'encrasse au cours de son utilisation. Ainsi, plus l'utilisation des filtres F est intense, plus la maintenance nécessaire est importante et plus il faut s'attendre à des arrêts de l'unité 1MC. [0010] BREVE DESCRIPTION [0011] Des modes de réalisation de la cartouche de filtration pour une unité de motocom- presseur intégrée (« IMC ») décrits ici ont pour objectif d'éviter au moins certains des inconvénients précités. Un avantage particulier des modes de réalisation décrits consiste à éliminer en partie ou en totalité la nécessité d'un filtre et de réduire la maintenance requise. Résumé de l'invention [0012] Les objectifs précités de la présente invention sont atteints grâce à un dispositif de filtration qui est destiné à filtrer un gaz de refroidissement, à savoir à capturer des particules dont la taille dépasse une certaine dimension et qui pourraient être mélangées au gaz de refroidissement, et qui est installé de façon démontable sur le carter d'une unité de compresseur intégrée et qui comprend : [0013] - un carter extérieur présentant und paroi cylindrique intérieure, [0014] - une cartouche interne présentant une paroi cylindrique extérieure et un passage interne pour un gaz filtré, la cartouche interne étant montée dans le carter extérieur et définissant avec celui-ci un conduit situé entre und entrée pour le gaz de refroidissement et une première sortie pour les particules piégées, [0015] la cartouche interne comportant un ensemble d'au moins une deuxième sortie filtrante s'étendant entre le conduit et le passage interne et entre l'entrée et la première sortie. [0016] Ainsi, un piège à particules est prodigué dans le conduit dans lequel circule le gaz. Selon un mode de réalisation, le gaz peut être filtré avant d'être utilisé pour refroidir les paliers magnétiques actifs (« AMB ») servant à porter un arbre rotatif de l'unité de compresseur intégrée, empêchant ainsi une usure prématurée ou une défaillance des 3 paliers AMB, tout en réduisant ou en évitant le besoin de recourir à un filtre. [0017] De manière avantageuse, chaque deuxième sortie comporte un axe s'étendant vers l'amont, du point de vue d'un flux de gaz de refroidissement. [0018] Ainsi, les plus grosses particules indésirables ne peuvent pas entrer dans la deuxième sortie et sont donc amenées à tomber en direction de la première sortie. [0019] De façon avantageuse, il est prévu une paire de deuxièmes sorties opposées. [0020] Ainsi, le flux de gaz est divisé en deux courants circulant dans des sens opposés dans le conduit, les courants se rejoignant au-dessus de la première sortie et créant une zone turbulente dans laquelle les plus grosses particules sont piégées. [0021] Avantageusement, la direction de la deuxième sortie se situe entre 135° et 170° par rapport à la direction aval du flux de gaz de refroidissement depuis l'entrée. [0022] Chaque deuxième sortie peut comporter un filtre, de manière à cc que l'effet filtrant du dispositif soit complété le long de la circulation du gaz à travers chaque deuxième sortie. [0023] De manière avantageuse, un récipient est relié à la première sortie et est adapté pour recueillir les particules piégées. [0024] Selon un mode de réalisation, il est prévu un moyen de commande de l'ouverture de la première sortie. [0025] Avantageusement, la paroi intérieure comporte une partie plate faisant face à la première sortie. [0026] Ainsi, la section transversale du conduit augmente de façon abrupte, en provoquant une chute de pression du gaz et en augmentant le piégeage des particules indésirables dans la zone turbulente. [0027] De façon avantageuse, le dispositif de filtration constitue un support pour un palier magnétique actif. Brève description des dessins [0028] D'autres objectifs, caractéristiques et avantages de modes de réalisation de la présente invention seront mieux compris à l'étude détaillée de la description ci-après, qui est fournie uniquement à titre d'exemple non limitatif, et en se référant aux dessins annexés, sur lesquels [0029] [fig.]] représente de façon schématique une cartouche de filtration selon l'état actuel de la technique ; [0030] [fig.2] représente de façon schématique une coupe transversale du dispositif de filtration selon un premier mode de réalisation de la présente invention ; [0031] [fig.3] représente de façon schématique une coupe transversale du dispositif de filtration de la figure 2, comprenant en outre des filtres à cartouche facultatifs ; [0032] [fig.4] représente une vue en perspective dc la cartouche interne seule du dispositif dc filtration, selon le mode de réalisation de la figure 2 ; et [0033] [fig.5] représente de façon schématique unc unité de motocompresseur intégrée comportant le dispositif de filtration de la figure 2. Description des modes de réalisation [0034] Les figures 2, 3 et 4 représentent de façon schématique un dispositif (le filtration 1 dans lequel un gaz de refroidissement est mis en circulation et subit une filtration. Dans le mode de réalisation illustré, le dispositif de filtration I est destiné à être placé avant l'arrivée du gaz de refroidissement sur les paliers magnétiques actifs (« AMB »), afin de protéger ceux-ci. Toutefois, un dispositif de filtration de ce type peut être utilisé pour filtrer les gaz de refroidissement de tout type d'élément rotatif d'une unité dc motocompresseur intégrée (« unité IMC »). Le gaz de refroidissement peut par exemple être du gaz naturel ou un mélange de gaz tels que l'air, composé de particules indésirables ou comportant de telles particules. Dans ces gaz, des particules polluantes de différentes natures peuvent être dispersées. Par exemple, des impuretés telles que des particules métalliques, des particules de rouille, de la condensation, des gouttelettes d'eau ou des gouttelettes d'huile peuvent flotter dans le gaz suite à la corrosion ou la détérioration mécanique des composants de l'unité IMC au cours du fonctionnement normal de celle-ci. Le dispositif de filtration permet de piéger les plus grosses de ces particules indésirables, ayant par exemple des tailles comprises entre 3 micromètres et 10 micromètres. Lorsque le gaz comporte trop de ces grosses particules polluantes solides indésirables, le fonctionnement des paliers AMB peut être perturbé. C'est notamment parce qu'ils tournent et sont sensibles au colmatage, au blocage voire même aux rayures, que les paliers AMB sont menacés lorsque le gaz circule pour les refroidir. [0035] Comme le montrent les figures 2, 3 et 4, le dispositif de filtration I comprend une cartouche interne 2 formant une bague interne de support de palier AMB, à savoir une bague de support d'AMB, assemblée dans un carter extérieur 3 correspondant à au moins une partie de l'unité IMC, par exemple au carter de moteur de l'unité IMC. La cartouche interne 2 peut être conçue pour s'adapter à une ou plusieurs autres parties de l'unité IMC, par exemple aux supports de paliers. Par exemple, la cm-touche interne 2 peut être vissée sur le carter de l'IMC. La cartouche interne 2 comporte une paroi cylindrique extérieure WO et un passage interne 4 pour le gaz de refroidissement filtré. Les paliers AMB qui doivent être refroidis sont reliés au passage interne 4 qui se situe dans la région centrale du dispositif de filtration 1. [0036] Le carter extérieur 3 comprend une paroi intérieure cylindrique Wl. La paroi cy- lindrique extérieure WO est enfermée dans la paroi intérieure W1 cylindrique. Les parois cylindriques intérieure et extérieure s'étendent le long d'un même axe longitudinal X, en définissant un conduit 5 entre elles, dans lequel le gaz peut circuler. [0037] Le conduit 5 se situe entre une entrée 6 pour le gaz de refroidissement et une première sortie 7 pour les particules piégées. Le conduit 5 peut correspondre sensiblement à un espace tubulaire. Dans le mode de réalisation de la figure 2, cet espace tubulaire présente à peu près une forme ovoïde, rapportée à un plan de coupe transversale, avec un axe plus long qui correspond à un axe ascendant vertical Z. Par rapport à l'axe ascendant vertical 3, le conduit 5 présente une hauteur maximale (un sommet) et une hauteur minimale (un bas), comme le montre la figure 2. [0038] Le conduit 5 est hermétique vis-à-vis des particules de gaz, de sorte que le gaz dans le conduit 5 ne peut s'écouler que dans le conduit 5. [0039] L'entrée 6 comporte au moins un trou qui traverse le carter extérieur 3 pour laisser le gaz de refroidissement entrer dans le conduit 5. L'entrée 6 peut par exemple être équipée d'une buse, d'un tube et/ou d'une valve pour permettre au gaz d'entrer, par exemple grâce à un compresseur. [0040] La première sortie 7 comprend au moins un trou traversant le carter extérieur 3 à partir du conduit 5. [0041] De manière avantageuse, l'entrée 6 est située aussi près que possible du sommet du conduit 5. Le fait de prévoir une entrée 6 en hauteur permet d'allonger la trajectoire des particules dans le conduit 5 dans lequel elles sont filtrées. Une entrée 6 située à un endroit plus haut facilite également le piégeage des grosses particules grâce à la gravité, car cela permet d'obtenir un trajet plus long du gaz dans le conduit 5. De même, il est ainsi possible d'obtenir un dispositif de filtration 1 à symétrie verticale. [0042] Il est avantageux que la première sortie 7 se situe sensiblement autour du bas du conduit 5 où se forme la turbulence de l'écoulement et où les particules indésirables sont piégées. [0043] Avantageusement, la cartouche interne 2 comporte un ensemble d'au moins une deuxième sortie 8a, 8b filtrante. Chaque deuxième sortie 8a, 8b est prévue pour traverser la cartouche interne 2, permettant au gaz contenu dans le conduit 5 d'atteindre le passage interne 4. Le gaz peut circuler uniquement de l'entrée 6 jusqu'à la première sortie 7 ou jusqu'à la deuxième sortie 8a, 8b, au nombre d'au moins une, à travers le conduit 5. [0044] Selon un premier mode de réalisation, l'effet de filtration agit dans le conduit 5 rempli de gaz, avant que le gaz ne passe par la deuxième sortie 8a, 8b. L'objectif 6 consiste à faire en sorte qu'un maximum de particules indésirables tombent sous l'effet de la gravité en direction de la première sortie 7 et à les piéger dans celle-ci, notamment en créant une zone de turbulence de l'écoulement du gaz, juste au-dessus de la première sortie 7, qui empêche les particules de monter de nouveau jusqu'à la deuxième sortie 8a, 8h. [0045] Chaque deuxième sortie 8a, 8h est disposée à un emplacement intermédiaire entre l'entrée 6 et la première sortie 7 du conduit 5 et constitue une singularité qui provoque une chute de pression ponctuelle dans le flux de gaz, en raison du rétrécissement de la deuxième sortie 8a, 8h par rapport au diamètre du conduit 5. Le flux dans la deuxième sortie 8a, 8h peut être plus faible que dans le conduit 5, afin de réduire à un minimum l'aspiration des particules indésirables dans le flux de gaz entrant dans la deuxième sortie 8a, 8h. [0046] La vitesse du gaz à l'entrée 6 et les emplacements de la deuxième sortie 8a, 8h sont choisis de manière à ce que la plupart des particules indésirables passent devant la deuxième sortie 8a, 8h, sans y pénétrer, c'est-à-dire avec une vitesse suffisamment élevée pour subir la chute de pression locale, et descendent dans le conduit 5, jusqu'à atteindre la première sortie 7 où se trouve le piège à particules. [0047] Comme le montre la figure 2, la deuxième sortie 8a, Rb traverse la cartouche interne 2, à partir d'un trou débouchant ayant une entrée sur la paroi cylindrique extérieure WO et une sortie sur le passage interne 4. De manière avantageuse, la sortie est disposée à une plus grande hauteur que l'entrée par rapport à l'axe ascendant Z vertical. En d'autres termes, le flux de gaz bifurque à l'endroit de la deuxième sortie 8a, 8b, et une partie du gaz monte, c'est-à-dire qu'elle s'écoule vers l'amont, à travers la deuxième sortie 8a, 8b. L'angle 01, 02 entre l'axe du trou débouchant et l'axe vertical doit être choisi pour être au moins supérieur à 90°, si possible avec un angle aigu compris entre 135° et 170°, pour maximiser la chute de pression et empêcher ainsi les grosses particules de pénétrer dans la deuxième sortie 8a, 8b. [0048] Un mode de réalisation avantageux prévoit deux deuxièmes sorties 8a,8b qui mènent toutes deux au passage interne 4, à travers la cartouche interne 2 et à partir du conduit 5, chacune des sorties étant située sensiblement en symétrie de l'autre, par rapport à l'axe ascendant vertical Z. De manière avantageuse, les deuxièmes sorties Sa, 8b sont sensiblement identiques et disposées de façon symétrique à la même hauteur entre le conduit 5 et le passage interne 4 et entre l'entrée 6 et la première sortie 7. Il est avantageux que les deuxièmes sorties 8a, 8b soient orientées de façon similaire vers le haut, avec un axe s'étendant vers l'amont, avec des angles 01, 02 symétriques par rapport à l'axe vertical Z. Avantageusement, le courant de gaz de refroidissement arrivant de l'entrée 6 est divisé en deux courants, comme le montrent les figures 2 et 3, en direction de chacune des deuxièmes sorties 8a, 8b. Dans chaque courant, les 7 particules de gaz parcourent sensiblement la moitié de la longueur totale du conduit 5, parce que les deux courants opposés se rencontrent lorsqu'ils atteignent le bas du conduit 5, en arrivant de deux directions opposées. Chacun des deux courants opposés empêche l'autre d'aller beaucoup plus loin que la moitié du conduit 5 et de remonter ensuite jusqu'à la deuxième sortie 8a, 8h opposée. La présence de deux flux symétriques crée un point de turbulence en bas du conduit 5, au-dessus de la première sortie 7. Cela empêche les particules indésirables de rebondir et de remonter jusqu'à l'une des deuxièmes sorties 8a, 8h. Chaque deuxième sortie 8a, 8h peut être placée aussi près que possible de Ventrée 6 pour empêcher le retour des particules indésirables, notamment en cas de flux d'admission à haute vitesse à l'entrée. Toutefois, en raison de leur direction orientée nécessairement vers le haut, chaque deuxième sortie 8a, Rb est placée en prenant en considération la courbure de la paroi cylindrique intérieure Wl. [0049] Selon un autre mode de réalisation, la paroi cylindrique extérieure WO comporte une partie plate 9 qui fait face à la première sortie. Comme le montrent les figures 2, 3 et 4, cette partie plate 9 peut par exemple être prévue de façon sensiblement horizontale sur la paroi cylindrique extérieure WO et juste au-dessus de la première sortie 7. La partie plate 9 comporte deux arêtes vives 9a, 9h constituant des discontinuités à l'intérieur du conduit 5, sur la paroi cylindrique extérieure WO le long de laquelle s'écoule le gaz. Comme le montre la figure 2, la partie plate 9 crée également un élargissement du conduit 5. Les courants de gaz qui se rencontrent en face de cet élargissement et entre les deux arêtes vives 9a, 9b de la partie plate créeront naturellement un courant turbulent. C'est dans ce courant turbulent que les particules plus grosses perdent rapidement leur énergie cinétique pour finir par tomber vers le bas sous l'effet de la gravité. Pour cette raison, la partie plate 9 est disposée en tant qu'obstacle à l'ascension verticale des particules et retient les particules les plus grosses. [0050] Grâce au dispositif de filtration 1 qui est représenté, décrit et revendiqué ici, les particules indésirables peuvent ensuite être piégées en modulant plusieurs paramètres qui peuvent à titre d'exemple non limitatif être la vitesse du courant de gaz d'entrée, les angles 01, 02 des deuxièmes sorties, la longueur de la partie plate 9 et l'acuité des bords 9a, 9b de la partie plate. [0051] Selon un autre mode de réalisation représenté dans la figure 3, une cartouche filtrante est entichée dans chaque deuxième sortie 8a, 8b. Une telle cartouche filtrante 10 peut également par exemple être insérée dans le conduit 5, le long de la paroi cylindrique intérieure ou de la paroi extérieure W0. Ce filtre peut par exemple être une cartouche filtrante 10 coalescente, adaptée pour piéger naturellement les particules de la taille souhaitée, par exemple supérieure à 3 micromètres. [0052] Selon un autre mode de réalisation, il est prévu un récipient 11 qui est relié à la 8 première sortie 7. Ce récipient 11 permet de recueillir les particules piégées qui peuvent s'accumuler dans une couche sous-jacente, en bas du conduit 5, sous l'effet de la gravité, et finir par former une couche de sédiments autour de la partie basse du conduit 5 où elles se concentrent. [0053] Un moyen de commande 12 de l'ouverture de la première sortie 7 peut en outre être prévu pour faciliter l'évacuation des particules piégées, par exemple au cours d'une période de maintenance. Le moyen de commande 12 peut par exemple comprendre une vanne et un tube permettant de relier le conduit 5 par exemple au récipient 11 ou de l'en séparer. [0054] De plus, les parois cylindriques intérieure et extérieure peuvent par exemple être conçues avec des formes spécifiques qui sont adaptées pour faire augmenter la section transversale du conduit 5, suivant une circonférence de la paroi cylindrique extérieure WO et depuis l'entrée 6 jusqu'à la première sortie 7. En d'autres termes, les parois intérieure et extérieure peuvent avoir des formes spécifiques, adaptées pour que la distance entre elles augmente vers le bas. Par exemple, le diamètre du conduit 5 peut augmenter du haut vers le bas du conduit 5. Cela permettrait au gaz de se dilater progressivement en direction des sorties 7, 8a, 8h et, en même temps, aux particules de ralentir légèrement. Cet élargissement du conduit 5, ainsi que la présence de la première sortie 7 et de la partie plate 9, tendent à détourner et à ralentir le flux du fluide et à faciliter la chute des plus grosses particules vers le bas, sous l'effet de la gravité, pour améliorer ainsi le piégeage des particules indésirables à travers la première sortie 7. [0055] On se référera maintenant à la figure 5 qui représente de façon schématique une unité de motocompresseur dotée du dispositif de filtration 1 divulgué ci-dessus. Comme montré, l'unité de motocompresseur désignée par la référence 13 comprend un moteur électrique 14 et un compresseur 15 présentant au moins un étage de compression 15 monté sur un arbre entraîné par un rotor du moteur. L'arbre entraîné et le rotor sont chacun supporté par une paire de paliers AMB 16. [0056] Les paliers AMB 16 et le moteur sont refroidis en utilisant une boucle de refroi- dissement 17 dans laquelle le gaz de refroidissement est prélevé sur le tlux du processus, dans le premier étage de compression 15. La majeure partie du gaz de refroidissement circule dans le moteur rotatif électrique 14, et le reste du gaz circule en direction des AMB 16. Au moins un dispositif de filtration 1, tel que décrit ci-dessus, peut être assemblé sur le carter de moteur 18 de l'unité de motocompresseur 13 et être placé devant chaque arrivée du gaz de refroidissement sur un AMB 16. Un dispositif de filtration 1 de ce type est ensuite dimensionné pour une partie mineure du flux de gaz de refroidissement. 9