Brevet FR3088686A1 — publié le 20200522

Description Titre de l'invention : MOTOCOMPRESSEUR A PLUSIEURS SECTIONS DE COMPRESSION [0001] La présente invention concerne un motocompresseur à plusieurs sections de com- pression et plus particulièrement l'agencement des sections de compression. [0002] Un motocompresseur à plusieurs sections de compression comprend un boîtier comprenant un moteur électrique monté sur un arbre de transmission et destiné à entraîner au moins une section de compression formant une ligne de compression. Une section de compression comprend une ou plusieurs roues de compression destinées à comprimer un gaz montées sur l'arbre de transmission. [0003] L'arbre de transmission est maintenu dans le boîtier par des paliers. [0004] Lorsque les vitesses de rotation sont importantes, par exemple de l'ordre de 30000 tours par minute, les sections de compression et le moteur sont généralement situés entre deux paliers magnétiques actifs de sorte que l'arbre soit en lévitation. [0005] La vitesse de rotation nominale de l'arbre de transmission étant généralement su- périeure à celle de son premier mode de flexion, lors du démarrage et de l'arrêt du moteur électrique, l'arbre de transmission, sur lequel sont montés les sections de compression et le rotor du moteur électrique, traverse le premier mode de flexion entraînant une déformation de l'arbre. [0006] Il est nécessaire de dimensionner les paliers magnétiques actifs de manière à amortir la réponse dynamique de l'arbre. [0007] Cependant ces paliers de grandes capacités magnétiques sont dimensionnés pour un état transitoire de l'arbre. Ils sont onéreux et sont pilotés par des dispositifs électroniques onéreux. [0008] On connaît de l'état de la technique un motocompresseur à grande vitesse de rotation comprenant un arbre de transmission sur lequel est monté un moteur électrique et une section de compression à chaque extrémité de l'arbre. Un palier magnétique actif est disposé entre une section de compression et le moteur électrique. [0009] Les sections de compression sont en porte à faux pour augmenter la valeur de la vitesse critique de l'arbre de transmission de sorte qu'elle soit supérieure à la valeur de la vitesse nominale du moteur électrique. [0010] Les paliers magnétiques actifs et les dispositifs électroniques de contrôle sont di- mensionnés pour le fonctionnement nominal du motocompresseur afin de diminuer la capacité magnétique des paliers et par conséquent le coût des paliers. [0011] Cependant, les brides de connexion d'entrée et de sortie du gaz sont disposées selon une direction axiale de l'arbre de transmission. 2 [0012] Toute intervention sur les roues de compression ou sur le moteur électrique implique le démontage des conduites reliées aux brides. [0013] De plus, chaque section comprend une seule roue de compression limitant la sélection de roues. [0014] La plage de variation du rapport de compression et du débit du motocompresseur est faible. [0015] Pour des applications en basse pression, par exemple lorsque le motocompresseur comprime un gaz de la pression atmosphérique à une pression de 10 bars et un débit faible de l'ordre de 2000 mètres cubes par heure, l'ensemble de la ligne de compression peut comprendre cinq roues de compression. [0016] On pourra se référer au document W02017/153387 qui illustre un motocompresseur dans lequel une roue d'expansion est montée en porte à faux. [0017] Le gaz est détendu en passant dans l'unique roue en porte à faux. [0018] On pourra également se référer au document W02015/032756 qui illustre un com- presseur centrifuge comprenant une section de compression montée sur un arbre de transmission entre deux paliers et une roue de compression montée à une extrémité libre de l'arbre en porte à faux du coté compresseur et comprenant un palier emprisonné. [0019] Un moteur électrique est destiné à être relié à l'arbre. [0020] Comme tous les éléments sont montés sur l'arbre de transmission, les paliers sont sollicités par l'ensemble des éléments montés sur l'arbre réduisant la valeur de la vitesse critique du premier mode de flexion. [0021] De plus, le palier emprisonné complique la maintenance du compresseur. [0022] Il est donc proposé de pallier les inconvénients liés à la sélection restreinte de roues en élargissant la plage de fonctionnement du motocompresseur et de faciliter la maintenance du motocompresseur, tout en permettant un fonctionnement à une vitesse de rotation nominale inférieure à la vitesse critique du premier mode de flexion. [0023] Au vu de ce qui précède, il est proposé un motocompresseur à plusieurs sections de compression, le motocompresseur comprenant : [0024] - au moins un boîtier, [0025] - au moins deux arbres de transmission, les au moins deux arbres de transmission étant supportés en rotation dans le boîtier par au moins deux paliers ; [0026] - un dispositif d'accouplement flexible reliant les arbres de transmission ; [0027] - un moteur électrique monté sur un premier arbre de transmission desdits au moins deux arbres de transmission ; et [0028] - au moins deux sections de compression. [0029] Une première section de compression (lesdits au moins deux sections de compression est montée en porte à faux à une extrémité libre d'un premier arbre de transmission 3 desdits au moins deux arbres de transmission et une deuxième section de compression est montée entre deux paliers sur un deuxième arbre de transmission desdits au moins deux arbres de transmission. [0030] De préférence, le premier arbre de transmission comporte une première extrémité libre et est supporté en rotation par une première paire de paliers. [0031] Avantageusement, le deuxième arbre de transmission comporte une deuxième extrémité libre et est supporté en rotation par une deuxième paire de paliers. [0032] Selon une caractéristique, un dispositif d'accouplement flexible est relié au premier arbre de transmission et au deuxième arbre de transmission. [0033] De préférence, une première section de compression est montée en porte à faux à l'extrémité libre du premier arbre de transmission. [0034] Avantageusement, une deuxième section de compression est montée entre la deuxième paire de paliers du deuxième arbre de transmission. [0035] Selon une autre caractéristique, le motocompresseur comprend en outre : [0036] - une ou plusieurs sections de compression supplémentaires montées sur le deuxième arbre de transmission ; et [0037] - un palier séparant ladite section de compression supplémentaire d'une section de compression adjacente. [0038] De préférence, le motocompresscur comprend en outre : [0039] - un troisième arbre de transmission supporté en rotation dans le boîtier par au moins deux paliers ; et [0040] - un deuxième dispositif d'accouplement flexible reliant le troisième arbre à la deuxième extrémité libre du deuxième arbre de transmission ; et [0041] - au moins une section de compression supplémentaire montée sur le troisième arbre entre les deux paliers. [0042] Avantageusement, le deuxième dispositif d'accouplement flexible est relié au deuxième arbre de transmission et au troisième arbre de transmission. [0043] Selon une autre caractéristique, le troisième arbre de transmission comporte une troisième extrémité libre et est supporté en rotation par une troisième paire de paliers. [0044] De préférence, chaque section de compression comprend au moins une roue de com- pression. [0045] Avantageusement, la section de compression en porte à faux comprend deux roues de compression. [0046] De préférence, chaque section de compression comprend : [0047] - une bride d'entrée ; et [0048] - une bride de sortie, [0049] lesdites brides étant disposée perpendiculairement aux arbres de transmission. [0050] Selon une autre caractéristique, au moins une section de compression montée entre deux paliers comprend deux demi-sections de compression de sorte que, lors de la rotation de l'arbre de transmission, la poussée générée par une demi-section compense la poussée générée par l'autre demi-section. [0051] De préférence, chaque demi-section dc compression comprend : [0052] - une bride d'entrée ; et [0053] - une bride de sortie, [0054] lesdites brides étant disposées perpendiculairement aux arbres de transmission. [0055] Avantageusement, les paliers comprennent des paliers magnétiques actifs. [0056] De préférence, le motocompresseur comprend en outre une butée de poussée axiale montée sur chaque arbre de transmission qui comporte au moins une section de compression de manière à contrôler le déplacement axial de l'arbre de transmission sous l'effet des forces de poussée exercées par la section de compression et/ou le moteur électrique. [0057] 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 : [0058] [fig.1] [0059] illustre un premier mode de réalisation d'un motocompresseur; [0060] [fig.2] [0061] illustre un deuxième mode de réalisation d'un motocompresscur [0062] [fig.3] [0063] illustre un troisième mode de réalisation d'un motocompresseur ; [0064] [fig.4] [0065] illustre un quatrième mode de réalisation d'un motocompresseur ; et [0066] [fig.5] [0067] illustre un cinquième mode de réalisation d'un motocompresseur. [0068] On se réfère à la figure 1 qui illustre un premier mode de réalisation d'un motocom- presseur 1 comprimant par exemple un gaz issu d'un champ de gaz ou un gaz associé issu d'un champ de pétrole. [0069] Le motocompresseur 1 comprend un boîtier 2 comprenant un corps allongé creux 3 et un couvercle 4 à chacune de ses extrémités de manière à rendre le boîtier hermétique au gaz, et deux arbres de transmission 5 et 6 reliés entre eux par un dispositif d'accouplement flexible 7. [0070] Le dispositif d'accouplement flexible 7 permet de séparer les modes de flexion des arbres 5 et 6 et d'équilibrer dynamiquement chaque arbre, les comportements vibratoires des arbres étant indépendants. [0071] Le premier arbre 5 est supporté en rotation dans le boîtier 2 par deux paliers 8 et 9, et le deuxième arbre 6 est supporté en rotation dans le boîtier 2 par deux paliers 8 et 9. [0072] Les premier, deuxième, troisième et quatrième paliers 8.9. 10 et 11 sont identiques et comprennent par exemple des paliers magnétiques actifs pilotés par un dispositif de commande (non représenté). [0073] Le motocompresseur 1 comprend par ailleurs un moteur électrique 12 entraînant en rotation les premier et deuxième arbres 5 et 6 et dont le rotor 12a est monté sur le premier arbre 5 entre les premier et deuxième paliers 8 et 9. [0074] Une première section de compression 13 est montée en porte à faux à l'extrémité libre du premier arbre 5 et une deuxième section 14 de compression est montée entre les troisième et quatrième paliers 10 et 11 sur le deuxième arbre 6. [0075] Chaque section de compression 13 et 14 comprend une bride d'entrée 13a et 14a de gaz, une bride de sortie 13b et 14b du gaz comprimé par la section de compression 13 et 14, et une cartouche 13c et 14c reliée à une première extrémité des brides d'entrée et de sortie. [0076] Les brides d'entrée et de sortie sont destinées à être reliées à des dispositifs de traitement de gaz, par exemple à un refroidisseur de gaz, de stockage de gaz comprimé, à un dispositif d'approvisionnement en gaz à la pression atmosphérique. [0077] Chaque cartouche 13c et 14c comprend des roues de compression 13d, 13e, 14d, 14e, 14f et 14g coopérant avec des diaphragmes non représentés de manière à comprimer le gaz reçu sur la bride d'entrée 13a et 14a. [0078] Une première butée de poussée axiale 15 est montée sur le premier arbre 5 entre le premier palier 8 et le dispositif de couplage flexible?, et une deuxième butée de poussée axiale 16 est monté sur le deuxième arbre 6 entre le troisième palier 10 et la deuxième section 14 de compression. [0079] Les première et deuxième butées de poussée axiale 15 et 16 reprennent les forces exercées respectivement par le moteur électrique et les sections de compression sur les arbres lors de la compression d'un gaz. Elles permettent de contrôler le déplacement axial des arbres 5 et 6 sous l'effet des forces de poussée exercées par le moteur ou les sections de compression. [0080] Le nombre et l'emplacement des butées de poussée axiale montées sur chaque arbre sont déterminés de manière à limiter le déplacement axial de chaque arbre comprenant au moins une section de compression. [0081] La première section de compression 13 peut comprendre une ou plusieurs roues de compression, préférentiellement deux roues 13d et 13e. [0082] La deuxième section de compression 14 peut comprendre une ou plusieurs roues de compression, préférentiellement pas plus de cinq roues. [0083] Le nombre de roues de chaque section de compression et les caractéristiques de chacune des roues sont déterminés de manière à optimiser l'efficacité du motocompresseur dans la plage de débit et de pression dans laquelle opère le motocompresseur 6 1, et de manière à minimiser les contraintes exercées sur les paliers. [0084] De préférence, dans ce mode de réalisation, la sélection comporte généralement au maximum sept roues. [0085] Comme le dispositif de couplage flexible 7 permet de séparer les modes de flexion des premier et deuxième arbres, les premier et deuxième paliers 8 et 9 sont dimensionnés selon les contraintes dynamiques générées principalement par la première section de compression 13 et le rotor 12a du moteur électrique 12, les contraintes générées par les autres éléments montés sur l'arbre étant négligeables, et les troisième et quatrième paliers 10 et 11 sont dimensionnés selon les contraintes dynamiques générées principalement par la deuxième section de compression 14, les autres éléments montés sur l'arbre étant négligeables. [0086] Comme la bride d'entrée 13a, et la bride de sortie 13b sont disposées perpendicu- lairement à l'arbre de transmission 5, les roues de compression de la première section de compression 13 sont aisément accessibles en démontant le couvercle 4 et peuvent être facilement remplacées lorsqu'elles sont détériorées ou si le rapport de compression du motocompresscur 1 doit être modifié, par exemple si la pression du gaz reçu fluctue selon la phase d'exploitation du champ de gaz. [0087] Tl n'est pas nécessaire de démonter le corps 3 et de démonter les dispositifs de traitement du gaz raccordés aux brides d'entrée et de sortie du motocompresscur 1. [0088] De préférence, la première section de compression 13 reçoit sur sa bride d'entrée 13a le gaz entrant la première fois dans le motocompresseur 1 généralement humide favorisant la corrosion et l'érosion des roues de compression. [0089] Selon d'autres modes de réalisation, le boîtier 2 peut comprendre plusieurs boîtiers reliés entre eux, par exemple un boîtier moteur comprenant le moteur 12 et la première section de compression 13 et un boîtier compresseur comprenant la deuxième section de compression 14. [0090] Selon encore d'autres modes de réalisation, le boîtier 2 peut comprendre un boîtier moteur comprenant le moteur 12, un premier boîtier compresseur comprenant la deuxième section de compression 14 et un deuxième boîtier compresseur comprenant la première section de compression 13. [0091] Dans ce qui suit, les éléments identiques à ceux décrits précédemment sont identifiés par les mêmes références alphanumériques [0092] On se réfère à la figure 2 qui illustre un deuxième mode de réalisation du motocom- presseur 1. [0093] Ce mode de réalisation diffère du premier mode de réalisation en ce qu'une troisième section de compression 17 est montée en porte à faux à l'extrémité libre du deuxième arbre 6. [0094] La troisième section de compression 17 est d'architecture identique à la première 7 section de compression 13 et comprend de préférence deux roues de compression. [0095] Comme dans le cas de la première section de compression 13, les roues de la troisième section de compression 17 sont aisément accessibles en démontant le couvercle 4. [0096] La section de compression supplémentaire permet d'augmenter la sélection de roues. Par conséquent, le rapport de pression généré par le motocompresseur 1 est plus élevé que dans le mode de réalisation illustré à la figure 1. [0097] Les plages de pression et de débit de fonctionnement du motocompresseur 1 sont étendues par rapport à celles du premier mode de réalisation. [0098] Dans ce mode de réalisation, les troisième et quatrième paliers 10 et 11 sont di- mensionnés selon les contraintes dynamiques générées principalement par les deuxième et troisième sections de compression 14 et 17, les contraintes dynamiques ducs aux autres éléments montés sur l'arbre étant négligeables. [0099] La figure 3 illustre un troisième mode de réalisation du motocompresseur 1 qui diffère du deuxième mode de réalisation en ce la deuxième section de compression 14 comprend deux demi-sections de compression 18 et 19 chacune d'architecture identique à celle des sections de compression 13 et 17. [0100] Les deux-demi sections 18 et 19 sont montées sur le deuxième arbre 6 de sorte que, lors de la rotation de l'arbre, la poussée générée par la première demi-section 18 compense la poussée générée par la deuxième demi-section 19 réduisant ainsi la poussée générée par la deuxième section de compression 14 et transmise à la deuxième butée de poussée axiale 16. [0101] Un tel montage est connu sous l'expression anglo-saxonne « back to back ». [0102] Bien entendu, n'importe quelle section de compression qui n'est pas en porte à faux peut comprendre deux demi-sections de compression. [0103] La figure 4 illustre un quatrième mode de réalisation du motocompresseur 1 comprenant en outre une quatrième section de compression d'architecture identique aux première, deuxième et troisième sections de compression et comprenant de préférence cinq roues de compression. [0104] Ce mode de réalisation diffère du deuxième mode de réalisation en ce qu'une quatrième section de compression 20 est montée sur le deuxième arbre 6 entre la deuxième et la troisième section de compression 14 et 17. [0105] La quatrième section de compression 20 est séparée de la deuxième section de com- pression 14 et 17 par le quatrième palier 11 et de la troisième section de compression 17 par un cinquième palier 21. [0106] Le nombre et les caractéristiques des roues des sections de compression sont choisis de manière à limiter les contraintes subies par les paliers et de manière à atteindre le rapport de compression voulu. 8 [0107] L'ajout d'au moins une quatrième section de compression permet d'adapter le moto- compresseur à des applications de compression d'un gaz léger avec un fort taux de compression, par exemple du méthane pur comprimé à un rapport de pression supérieur à 10. [0108] De plus, l'ajout de sections de compression ou de demi-sections de compression permet d'optimiser le refroidissement du gaz après chaque étape de compression. [0109] En effet, il est aisé de rajouter entre la bride de sortie d'une section de compression et la bride d'entrée de la section de compression adjacente un refroidisseur de gaz. [0110] On se réfère à la figure 5 qui illustre un cinquième un troisième mode de réalisation du motocompresseur 1. Ce mode de réalisation diffère du quatrième mode de réalisation en ce que une les troisième et quatrième sections de compression 17 et 20, et le cinquième palier 21 sont montées sur un troisième arbre 22 relié à l'extrémité libre du deuxième arbre 6 par un deuxième dispositif d'accouplement flexible 23. [0111] La troisième section de compression 17 est montée en porte à faux à l'extrémité libre du troisième arbre 22 et la quatrième section de compression 20 est montée entre le cinquième palier 21 et un sixième palier 24 disposé entre le deuxième dispositif d'accouplement flexible 23 et la quatrième section de compression 20. [0112] Le troisième arbre 22 comprend en outre une troisième butée de poussée axiale 25 montée entre la troisième section de compression 17 et le cinquième palier 21. [0113] Par rapport au quatrième mode de réalisation, pour un même nombre de sections de compression, le deuxième dispositif d'accouplement flexible 23 permet de séparer les modes de flexion des deuxième et troisième arbres augmentant ainsi valeur de la vitesse critique du premier mode de flexion des arbres de transmission sur lesquels sont montées les deuxième, troisième et quatrième sections de compression 14, 17 et 20. [0114] Dans ce mode de réalisation, les troisième et quatrième paliers 10 et 11 sont di- mensionnés selon les contraintes dynamiques générées principalement par la deuxième section de compression 14, et les cinquième et sixième paliers 21 et 24 sont dimensionnés selon les contraintes dynamiques générées principalement par les troisième et quatrième section de compression 17 et 20, les contraintes dynamiques dues aux autres éléments montés sur les deuxième et troisième arbres 6 et 22 étant négligeables. [0115] Avantageusement, l'agencement en porte à faux d'au moins une section de com- pression et l'utilisation d'un dispositif de couplage flexible permet d'augmenter la valeur de la vitesse critique du premier mode de flexion des arbres de transmission à une valeur supérieure à celle de la vitesse nominale de fonctionnement du motocompresseur. [0116] Par conséquent, les paliers supportant les arbres peuvent être dimensionnés sans tenir 9 compte du passage des arbres par leur premier mode de flexion réduisant ainsi la capacité magnétique des paliers. [0117] De plus, le montage d'au moins une section de compression en porte à faux facilite le remplacement des roues montées dans ladite section. 10