Brevet FR3162077A1 — publié le 20251114

L’invention concerne un réfrigérateur comprenant, dans un circuit (60) de cycle, un système (16) de compression, un système (3, 4) de refroidissement et un système (26) de détente avec au moins une turbine (26) accouplée à un compresseur (26) du réfrigérateur de part et d’autre d’un arbre (20) commun, un carter (19) abritant une première chambre (15) pour le compresseur (16), une deuxième chambre intermédiaire pour l’arbre (20) monté sur un ensemble de paliers, et une troisième chambre (24) pour la turbine (26), le réfrigérateur (6) comprenant un ensemble de circuits (11, 14) de fluide sous pression en communication au moins deux cavités (14, 18) de situées dans la deuxième chambre pour atténuer ou annuler l’effort axial sur l’arbre (20), l’extrémité de l’arbre (20) portant le compresseur (16) étant pourvue d’un logement (30) dans lequel est reçu une extrémité d’un support (130) fixe, l’arbre (20) étant monté en rotation relativement au support (130), le logement (30), l’extrémité du support (130) délimitant avec le fond du logement (30) un volume séparé de la première chambre (15) configuré pour maintenir dans le logement (30) une pression distincte et inférieure à la pression de la première chambre (15), l’arbre 20 comprenant un canal (120) interne ayant une première extrémité débouchant dans le logement (30) et une seconde extrémité débouchant dans une première cavité (11) de façon décalée le long de l’arbre (20). Figure d’abrégé : Fig. 1 Réfrigérateur, installation comprenant un tel réfrigérateur et procédé de réfrigération L’invention concerne un réfrigérateur, une installation comprenant un tel réfrigérateur et un procédé de réfrigération. L’invention concerne plus particulièrement un réfrigérateur à gaz de cycle comprenant, dans un circuit de cycle, un système de compression, un système de refroidissement et un système de détente pour soumettre le gaz de cycle à un cycle thermodynamique pour produire du froid, le système de détente comprenant au moins une turbine de détente accouplée à un compresseur du réfrigérateur et par exemple un compresseur du système de compression du gaz de cycle, la turbine de détente et le compresseur étant accouplés de part et d’autre d’un arbre commun, la turbine de détente, le compresseur et l’arbre étant logés dans un carter abritant une première chambre dans laquelle est montée en rotation le compresseur, une deuxième chambre intermédiaire dans laquelle est montée en rotation l’arbre sur un ensemble de paliers, et une troisième chambre dans laquelle est montée en rotation la turbine, le réfrigérateur comprenant un ensemble de circuits de fluide sous pression en communication au moins deux cavités de situées dans la deuxième chambre, les circuits de fluide sous pression étant configurés pour fournir des flux de gaz sous pression déterminés dans les cavités pour atténuer ou annuler l’effort axial sur l’arbre provoqué par l’écart de pression entre les pressions régnant dans la première chambre et dans la troisième chambre. Dans les réfrigérateurs à cycle de réfrigération utilisant des turbines, la récupération d’énergie sur les turbines cryogéniques est importante pour augmenter l’efficacité énergétique. Ceci est notamment important pour les liquéfacteurs d’hydrogène à forte puissance (60 à 300 tonne par jour par exemple) utilisant de tels réfrigérateurs. Une solution retenue est la récupération du travail via un compresseur accouplé à l’arbre de la turbine cryogénique afin d’augmenter la pression haute de compression au niveau de la station de compression principale. Pour des contraintes de débit volumique à traiter, ces compresseurs accouplés sont ceux installés en sortie de la station de compression, donc à la plus haute pression (supérieure à 20bar abs). Du côté des turbines cryogéniques, l’arrangement optimum conduit à étager les turbines en série depuis la plus haute pression (par exemple entre 30 et 50 bar abs) jusqu’à la basse pression (entre 1 et 10 bar abs par exemple). Les écarts de pression entre la partie turbine et la partie compresseur accouplés deviennent conséquents. Ce différentiel de pression génère des charges axiales qui doivent être en partie compensées par les paliers sélectionnés supportant l’arbre et par une répartition adéquate des pressions sur les surfaces tournantes mises en jeu, via des systèmes d’étanchéité de la turbomachine. Sur une turbomachine, la capacité de charge des paliers est en première approche proportionnelle à la taille de la machine. En effet, plus la taille de la turbomachine augmente, plus les surfaces sur lesquelles les efforts de pression sont appliqués augmentent. Avec de telles différentiels de pression aux extrémités de l’arbre, les charges axiales sont supérieures ou très proches de la capacité maximum des paliers (magnétiques, gaz, roulements, autre). Une solution connue consiste en un mécanisme d’égalisation de poussée (« Thrust Equalizing Mechanism » en anglais ou « TEM »). Une autre solution consiste à prévoir un piston d’équilibrage sur le compresseur centrifuge. Une autre solution consiste en une cavité d’équilibrage de roue (« Wheel Balancing hole » en anglais) c’est-à-dire une cavité à l’arrière de la roue maintenue à une pression “moyenne” ou adaptée pour annuler les forces axiales résiduelles liées au différentiel de pression sur les aubes de la roue. Ceci n’annule cependant pas l’effet piston jusqu’au diamètre du joint labyrinthe sur l’arbre. Un but de la présente invention est de pallier tout ou partie des inconvénients de l’art antérieur relevés ci-dessus. A cette fin, le réfrigérateur selon l'invention, par ailleurs conforme à la définition générique qu’en donne le préambule ci-dessus, est essentiellement caractérisé en ce que l’extrémité de l’arbre portant le compresseur est pourvue d’un logement dans lequel est reçu une extrémité d’un support fixe, l’arbre étant monté en rotation relativement au support, le logement, l’extrémité du support délimitant avec le fond du logement un volume séparé de la première chambre par un ensemble de joint(s) configuré pour maintenir dans le logement une pression distincte et inférieure à la pression de la première chambre, l’arbre comprenant un canal interne ayant une première extrémité débouchant dans le logement et une seconde extrémité débouchant dans une première cavité de façon décalée le long de l’arbre. Par ailleurs, des modes de réalisation de l’invention peuvent comporter l'une ou plusieurs des caractéristiques suivantes : la première cavité est située du côté de la turbine, la première cavité délimitée entre deux joint(s) de type labyrinthe, la première cavité est maintenue à une pression égale ou proche de la pression de troisième chambre, le réfrigérateur comporte un circuit relié à la première cavité muni d’un organe de régulation de pression, tel qu’une vanne, et configuré pour réguler la pression dans la première cavité et éventuellement dans le logement, le réfrigérateur comprend une seconde cavité située entre la première chambre et la première cavité, la seconde cavité est reliée à un circuit de fluide sous pression configuré pour maintenir la seconde cavité à un niveau de pression intermédiaire entre la pression dans première chambre et la pression dans la première cavité, l’arbre comprend une collerette faisant saillie sur une portion de sa surface externe, la collerette est située dans la seconde cavité, par exemple en partie centrale de l’arbre. L’invention concerne également une installation de liquéfaction d’un fluide d’alimentation à une température cryogénique, par exemple de l’hydrogène, comprenant un circuit d’alimentation pour le fluide d’alimentation, un ensemble d’échangeur(s) de chaleur en échange thermique avec le circuit d’alimentation, un dispositif de refroidissement en échange thermique avec au moins une partie de l’ensemble d’échangeur(s) de chaleur configuré pour refroidir le fluide d’alimentation à une température cible déterminée, le dispositif de refroidissement comprenant un réfrigérateur selon l’une quelconque des caractéristiques ci-dessus ou ci-dessous. L’invention concerne également un procédé de réfrigération utilisant un réfrigérateur selon l’une quelconque des caractéristiques ci-dessus ou ci-dessous, ou une installation selon l’une quelconque des caractéristiques ci-dessus ou ci-dessous, le procédé comprenant une production de puissance froid au cours de laquelle la turbine de détente détend le gaz de cycle et le compresseur comprime du gaz en générant un écart de pression entre les pressions régnant dans la première chambre et dans la troisième chambre, cet écart de pression produisant un effort longitudinal le long de l’arbre, le procédé comprenant une étape de régulation de pression dans le fond du logement et les cavités pour générer un contre-effort longitudinal antagoniste de même intensité ou d’intensité sensiblement égale pour limiter l’effort axial résultant sur l’arbre. Selon une particularité possible, le procédé comporte une étape de maintien, dans le logement, d’une pression inférieure à la pression dans la première chambre. L’invention peut concerner également tout dispositif ou procédé alternatif comprenant toute combinaison des caractéristiques ci-dessus ou ci-dessous dans le cadre des revendications. D’autres particularités et avantages apparaîtront à la lecture de la description ci-après, faite en référence aux figures dans lesquelles : Brève description des figures L'invention sera mieux comprise à la lecture de la description qui va suivre donnée uniquement à titre d'exemple et faite en se référant aux dessins annexés dans lesquels : FIG. 1 est une vue schématique et partielle illustrant un exemple de structure et de fonctionnement d’une installation comprenant un réfrigérateur selon un exemple de réalisation possible de l’invention, FIG. 2 est une vue schématique en coupe longitudinale d’un détail de l’agencement des roues (turbine et compresseur) sur un arbre du réfrigérateur selon un mode de réalisation possible. Description détaillée Sur toutes les figures, les mêmes références se rapportent aux mêmes éléments. Dans cette description détaillée, les réalisations suivantes sont des exemples. Bien que la description se réfère à un ou plusieurs modes de réalisation, cela ne signifie pas que les caractéristiques s’appliquent seulement à un seul mode de réalisation. De simples caractéristiques de différents modes de réalisation peuvent également être combinées et/ou interchangées pour fournir d’autres réalisations. L’installation 1 illustrée à titre d’exemple à la FIG. 1 est un liquéfacteur d’un fluide d’alimentation à une température cryogénique, par exemple de l’hydrogène. Cette installation 1 comprend un circuit d’alimentation 2 pour le fluide d’alimentation et un ensemble d’échangeur(s) de chaleur 3, 4 en échange thermique avec le circuit d’alimentation. Un dispositif 6 de refroidissement est en échange thermique avec au moins une partie de l’ensemble d’échangeur(s) de chaleur configuré pour refroidir le fluide d’alimentation à une température cible déterminée, par exemple en vue de sa liquéfaction. Comme illustré, l’installation comprend éventuellement un dispositif 23 de pré-refroidissement en échange thermique avec au moins une partie de l’ensemble d’échangeurs de chaleur. Le dispositif de 6 de refroidissement comprend un réfrigérateur à cycle. Le réfrigérateur 6 à gaz de cycle comprend, dans un circuit 60 de cycle, un système 16 de compression, un système 3, 4 de refroidissement et un système 26 de détente pour soumettre le gaz de cycle à un cycle thermodynamique pour produire du froid. Le système de détente comprend au moins une turbine 26 de détente accouplée à un compresseur 26 du réfrigérateur. L’ensemble d’échangeurs de chaleur 3, 4 peut comporter au moins un échangeur à contre-courant assurant simultanément un réchauffage et un refroidissement du fluide de cycle à deux endroits du cycle (refroidissement après compression et réchauffage après détente avant retour à la compression). Dans cet exemple, la turbine 26 de détente est accouplée à un compresseur du système 16 de compression du gaz de cycle. La turbine 26 de détente et le compresseur 16 sont accouplés de part et d’autre d’un arbre 20 commun. Comme illustré à la FIG. 2 , la turbine 26 de détente, le compresseur et l’arbre 20 peuvent être logés dans un carter 19 définissant une première chambre 15 (ou volume) dans laquelle est montée en rotation le compresseur 16, une deuxième chambre intermédiaire dans laquelle est montée en rotation l’arbre 20 sur un ensemble de paliers (non représentés) et une troisième chambre 24 dans laquelle est montée en rotation la turbine 26. Le réfrigérateur 6 comprend un ensemble de circuits de fluide sous pression en communication au moins deux cavités 18, 11 situées dans la deuxième chambre. Par souci de simplification, la partie fixe du stator qui entoure l’arbre 20 n’est pas représentée. Comme décrit plus en détail ci-dessous, les circuits de fluide sous pression sont configurés pour fournir des flux de gaz sous pression déterminés dans les cavités pour atténuer ou annuler l’effort axial sur l’arbre 20 provoqué par l’écart de pression entre les pressions régnant dans la première chambre 15 et dans la troisième chambre 24. L’extrémité de l’arbre 20 portant le compresseur 16 est pourvue d’un logement 30 (un creux) dans lequel est reçu une extrémité d’un support 130 fixe de l’installation (par exemple un axe fixe). L’arbre 20 est monté en rotation relativement au support 130. Par exemple la roue de compresseur 16 tourne sur l’extrémité du support 130 fixe. L’extrémité du support 130 délimite avec le fond du logement 30 un volume (ou cavité) qui est séparé de la première chambre 15 par un ensemble de joint(s) 9 permettant de maintenir dans ce logement 30 une pression (par exemple de l’ordre de 10 bar) distincte et inférieure à la pression régnant de la première chambre 15 (par exemple de l’ordre de 50 bar). Cet agencement permet de générer une cavité à relative basse pression du côté du compresseur 16 (par exemple recopiant la pression coté turbine). Ceci permet de diminuer ou d’annuler les efforts axiaux sur l’arbre 20. Ceci permet en outre de former une surface d’appui pour un piston d’équilibrage. Par exemple l’extrémité du support 130 peut se placer au niveau d’une vis qui habituellement assure le maintien de la roue de compresseur sur l’arbre. Par exemple, la vis est percée pour permettre l’agencement et le transfert de fluide. En variante ou en combinaison, une partie de l’arbre autour de la vis ou la roue de compresseur est percée. De plus, l’arbre 20 comprend un canal 120 interne ayant une première extrémité débouchant dans le logement 30 et une seconde extrémité débouchant dans une première cavité 11 située de façon décalée le long de l’arbre 20. Cette première cavité 11 peut être située du côté de la turbine 26. Comme illustré, la première cavité 11 peut être délimitée entre deux joint(s) 9 de type labyrinthe. Cette première cavité 11 peut être maintenue à une pression égale ou proche de la pression de troisième chambre 24 (par exemple de l’ordre de 10 bar). Une seconde cavité 18 peut être située entre la première chambre 15 et la première cavité 11. Cette seconde cavité 18 peut être maintenue à un niveau de pression intermédiaire (par exemple de l’ordre de 30 bar) entre la pression dans première chambre 15 et la pression dans la première cavité 11. Cette seconde cavité 18 peut être située en partie centrale de l’arbre 20. L’arbre 20 peut comprendre une collerette 10 faisant saille sur une portion de sa surface externe par exemple en partie centrale de l’arbre 20. L’agencement représenté comprend en outre une troisième cavité 14 raccordée à un circuit de fluide à haute pression en communication avec une face antérieure du compresseur 16, c’est-à-dire une face du compresseur 1 opposée à la face du compresseur munie d’aubages dans la chambre de compression. Cette troisième cavité 14 est par exemple alimentée en gaz sous pression compressé par le compresseur 16 (à une pression seconde supérieure à la première pression en entrée de compresseur). Ceci génère sur le compresseur 16 un effort d’équilibrage axial (longitudinal) opposé à l’effort généré par la compression dans la chambre de compression. La régulation de pression dans les diverses cavités permet de générer au global un contre-effort longitudinal antagoniste de même intensité ou d’intensité sensiblement égale pour limiter l’effort axial résultant sur l’arbre. Par exemple, l'effort axial résultant est minimisé et par exemple inférieur à 10 à 25% de la capacité de charge des paliers et des butées sélectionnées de la turbomachine. Ceci est obtenu sans générer des fuites importantes et sans contaminer les circuits relativement froid (côté turbine) par des flux relativement chaud (côté compresseur). Par exemple, la pression dans le logement 30 et dans la première cavité 11 peuvent être régulée en sortie de la première cavité 11 par un organe 12 de régulation de pression, par exemple une vanne 12 contrôlée par la pression dans la cavité 11. Ainsi, le gaz sous pression de la première chambre 15 chemine dans le logement puis transite dans le canal 120 interne jusqu’à la première cavité 11. La vanne 12 régule la pression par exemple en fonction d’une mesure 13 de pression dans la première cavité 11. Le flux en aval de la vanne peut être fourni au circuit de cycle, par exemple à un niveau de relative basse pression. En variante, le flux de gaz pourrait être inversé. C’est-à dire qu’un flux à relative basse pression est fourni dans la première cavité 11 et circule jusqu’au logement 30 à relative basse pression. A noter que par soucis de simplification les paliers sustentant l’arbre dans le stator ne sont pas représentés. Ces paliers peuvent être de type magnétique ou à gaz. Dans le cas de paliers à gaz, le gaz de sustentation dans les paliers peut être apporté par tout ou partie des circuits de fluide sous pression précités. Réfrigérateur à gaz de cycle comprenant, dans un circuit (60) de cycle, un système (16) de compression, un système (3, 4) de refroidissement et un système (26) de détente pour soumettre le gaz de cycle à un cycle thermodynamique pour produire du froid, le système de détente comprenant au moins une turbine (26) de détente accouplée à un compresseur (26) du réfrigérateur et par exemple un compresseur du système (16) de compression du gaz de cycle, la turbine (26) de détente et le compresseur (16) étant accouplés de part et d’autre d’un arbre (20) commun, la turbine (26) de détente, le compresseur et l’arbre (20) étant logés dans un carter (19) abritant une première chambre (15) dans laquelle est montée en rotation le compresseur (16), une deuxième chambre intermédiaire dans laquelle est montée en rotation l’arbre (20) sur un ensemble de paliers, et une troisième chambre (24) dans laquelle est montée en rotation la turbine (26), le réfrigérateur (6) comprenant un ensemble de circuits (11, 14) de fluide sous pression en communication au moins deux cavités (14, 18) de situées dans la deuxième chambre, les circuits de fluide sous pression étant configurés pour fournir des flux de gaz sous pression déterminés dans les cavités pour atténuer ou annuler l’effort axial sur l’arbre (20) provoqué par l’écart de pression entre les pressions régnant dans la première chambre (15) et dans la troisième chambre (24), caractérisé en ce que l’extrémité de l’arbre (20) portant le compresseur (16) est pourvue d’un logement (30) dans lequel est reçu une extrémité d’un support (130) fixe, l’arbre (20) étant monté en rotation relativement au support (130), le logement (30), l’extrémité du support (130) délimitant avec le fond du logement (30) un volume séparé de la première chambre (15) par un ensemble de joint(s) (9) configuré pour maintenir dans le logement (30) une pression distincte et inférieure à la pression de la première chambre (15), l’arbre (20) comprenant un canal (120) interne ayant une première extrémité débouchant dans le logement (30) et une seconde extrémité débouchant dans une première cavité (11) de façon décalée le long de l’arbre (20). Réfrigérateur selon la revendication 1, caractérisé en ce que la première cavité (11) est située du côté de la turbine (26). Réfrigérateur selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que la première cavité (11) délimitée entre deux joint(s) (9) de type labyrinthe. Réfrigérateur selon l’une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que la première cavité (11) est maintenue à une pression égale ou proche de la pression de troisième chambre (24). Réfrigérateur selon la revendication précédente, caractérisé en ce qu’il comporte un circuit relié à la première cavité (11) muni d’un organe de régulation de pression, tel qu’une vanne (12), et configuré pour réguler la pression dans la première cavité (11) et éventuellement dans le logement (30). Réfrigérateur selon l’une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu’il comprend une seconde cavité (18) située entre la première chambre (15) et la première cavité (11), la seconde cavité (18) est reliée à un circuit de fluide sous pression configuré pour maintenir la seconde cavité à un niveau de pression intermédiaire entre la pression dans première chambre (15) et la pression dans la première cavité (11). Réfrigérateur selon l’une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que l’arbre comprend une collerette (10) faisant saillie sur une portion de sa surface externe. Réfrigérateur selon les revendications 6 et 7, caractérisé en ce que la collerette (10) est située dans la seconde cavité (18), par exemple en partie centrale de l’arbre (20). Installation de liquéfaction d’un fluide d’alimentation à une température cryogénique, par exemple de l’hydrogène, comprenant un circuit d’alimentation (2) pour le fluide d’alimentation, un ensemble d’échangeur(s) de chaleur (3, 4) en échange thermique avec le circuit d’alimentation, un dispositif (6) de refroidissement en échange thermique avec au moins une partie de l’ensemble d’échangeur(s) de chaleur configuré pour refroidir le fluide d’alimentation à une température cible déterminée, le dispositif de (6) de refroidissement comprenant un réfrigérateur selon l’une quelconque des revendications 1 à 8. Procédé de réfrigération utilisant un réfrigérateur selon l’une quelconque des revendications 1 à 8 ou une installation selon la revendication 9, le procédé comprenant une production de puissance froid au cours de laquelle la turbine (26) de détente détend le gaz de cycle et le compresseur comprime du gaz en générant un écart de pression entre les pressions régnant dans la première chambre (15) et dans la troisième chambre (4), cet écart de pression produisant un effort longitudinal le long de l’arbre (20), le procédé comprenant une étape de régulation de pression dans le fond du logement (30) et les cavités pour générer un contre-effort longitudinal antagoniste de même intensité ou d’intensité sensiblement égale pour limiter l’effort axial résultant sur l’arbre. Procédé selon la revendication 10, caractérisé en ce qu’il comporte une étape de maintien dans le logement (30) d’une pression inférieure à la pression dans la première chambre (15).