Note: Descriptions are shown in the official language in which they were submitted.
2060793
L~invention concerne une machine tournante du
type compresseur ou turbine pour la compression ou la dé-
tente d'un gaz dangereux, par exemple toxique ou explo-
sif.
De telles machines sont utilisées notamment
dans l'industrie chimique, pour le traitement du gaz na-
turel, etc...
Comme cela est bien connu dans la technique,
un compresseur ou une turbine comprend un stator dans le-
quel est formée une chambre annulaire de circulation de
gaz, un rotor monté tournant dans cette chambre, un arbre
rotatif sur lequel est fixé le rotor et qui s'étend à
l'extérieur du stator à travers un passage d'arbre de ce-
lui-ci, et des paliers de guidage et de support de
l'arbre qui sont montés dans ce passage d'arbre du sta-
tor.
L~arbre du rotor est relié, à llextérieur du
stator, à un autre arbre qui est menant dans le cas d'un
compresseur ou mené dans le cas d'une turbine.
Lorsqu'une telle machine est utilisée pour le
traitement d'un gaz dangereux, il est essentiel d~assurer
et de maintenir dans le temps une étanchéité parfaite au
gaz, visant notamment à interdire les fuites de gaz vers
l'extérieur qui peuvent se produire le long de l'arbre du
rotor.
L'invention a précisément pour but de résoudre
ce problème de façon simple, efficace et peu coûteuse.
Elle propose, à cet effet, une machine tour-
nante du type précité pour la compression ou la détente
d'un gaz dangereux, par exemple toxique ou explosif, ca-
ractérisée en ce qulelle comprend une cloche montée à
étanchéité sur l'extérieur du stator autour dudit passage
d'arbre et délimitant une enceinte fermée remplie de li-
quide, des moyens de pressurisation du liquide dans cette
enceinte à une pression au moins égale ou légèrement su-
:, ' . . - . .
... : ' . :
206~793
périeure à celle maximale du gaz dans la chambre annu-
laire du stator, des moyens d~étanchéité au liquide agen-
cés dans ledit passage d~arbre entre l~arbre du rotor et
le stator du côté de ladite chambre annulaire de circula-
tion des gaz, ces moyens autorisant un très faible débitde fuite du liquide vers la chambre annulaire du stator,
et des moyens de liaison de l'arbre du rotor à un
deuxième arbre extérieur au stator, ces moyens comprenant
un accouplement magnétique rotatif, qui peut être à ai-
mants permanents dont les uns sont portés par l'arbre durotor à l'intérieur de ladite cloche et dont les autres
sont portés par le deuxième arbre à l'extérieur de la
cloche.
L'invention permet donc d'assurer l'étanchéité
voulue autour de l'arbre du rotor à la traversée du sta-
tor, en contrariant les fuites de gaz sous pression qui
pourraient se produire le long de cet arbre, par une
pression supérieure de liquide régnant à l'extérieur du
stator dans une enceinte étanche entourant le passage
d'arbre. Le faible débit de fuite de liquide autorisé
entre ce passage d'arbre et la chambre annulaire de cir-
culation de gaz dans le stator évite une usure rapide des
moyens d'étanchéité au liquide prévus dans le passage
d'arbre et garantit leur durée de vie. Par ailleurs,
l'accouplement magnétique assure une transmission de
couple entre l'arbre du rotor et l'arbre extérieur au
stator, sans traversée de la cloche délimitant llenceinte
étanche remplie de liquide.
Selon une autre caractéristique de
l'invention, la chambre annulaire du stator comporte des
moyens de récupération du débit de fuite précité du li-
quide.
On évite ainsi que les gaz sortant de la ma-
chine selon l'invention comprennent des traces de li-
quide.
20~0793
Selon une autre caractéristique del~inven~ion, les moyens d~étanchéité au liquide compren-
nent un joint mécanique humide, du type comprenant une
pièce annulaire à surface dure, solidaire de l'arbre du
rotor et appliquée à pression sur une pièce complémen-
taire solidaire du stator.
De tels moyens d'étanchéité sont relativement
peu coûteux et utilisables avec une bonne efficacité
jusqu~à des vitesses de rotation de l'ordre de 3000 à
3500 t/mn.
Selon encore une autre caractéristique de
l'invention, le rotor est constitué d~au moins une roue
de compresseur ou de turbine périphérique.
Les compresseurs et turbines périphériques
sont bien connus dans la technique pour leur rendement
élevé à vitesse de rotation moyenne, de llordre de 3000
tours par minute.
Comme les accouplements magnétiques ont égale-
ment pour caractéristique d'assurer une bonne transmis-
sion jusqu'à des vitesses maximales de rotation del'ordre de 3 à 4000 tours par minute, on constate que la
machine selon l'invention est remarquablement homogène,
ses composants essentiels (l'accouplement magnétique, le
joint mécanique humide et la roue de compresseur ou de
turbine périphérique) ayant des vitesses optimales de
fonctionnement qui sont du même ordre.
Selon une autre caractéristique de
l'invention, les moyens de pressurisation du liquide à
l'intérieur de ladite cloche comprennent un multiplica-
teur de pression, dont une entrée est raccordée par uneprise de pression à la chambre armulaire du stator, et
dont la sortie est reliée à l'enceinte délimitée par la-
dite cloche.
Ce multiplicateur de pression peut être réglé
à un rapport légèrement supérieur à 1 (par exemple 1,1),
pour garantir que la pression du liquide dans la cloche
20~0793
sera toujours légèrement supérieure à celle du gaz dans
la chambre annulaire du stator, en dépit d'éventuelles
variations de cette pression de gaz.
Avantageusement, ces moyens de pressurisation
du liquide font partie d~un circuit fermé de liquide,
comprenant une pompe de circulation, un échangeur de cha-
leur pour le refroidissement du liquide et des passages
de liquide débouchant respectivement à l'intérieur de la-
dite cloche et dans le passage dlarbre du stator.
Cela permet notamment de maintenir la tempéra-
ture du liquide à une valeur relativement constante.
Selon encore une autre caractéristique de
l'invention, le stator comprend une chambre intermédiaire
traversée par l'arbre du rotor et ménagée entre la
chambre annulaire de circulation de gaz et le passage
d'arbre précité, cette chambre intermédiaire étant limi-
tée axialement par des garnitures sèches d'étanchéité,
portées par l'arbre du rotor, des moyens étant prévus
pour amener un gaz de barrage sous pression élevée dans
cette chambre intermédiaire entre les garnitures sèches
d'étanchéité, et un gaz de balayage sous faible pression
dans un espace annulaire formé autour de l~arbre du rotor
entre cette chambre intermédiaire et le passage d~arbre
précité.
On assure ainsi l'étanchéité au liquide de la
machine selon l'invention, et on évite tout mélange du
liquide et du gaz circulant dans le stator, même en cas
de défaut du joint mécanique humide.
RelatiYement aux dessins qui il~ustren~ la réalisa~ion de
l'invention,--
la figure 1 est une w e schématique en coupe
axiale d'une machine selon l'invention;
~un~ s~
la figure 2 est une vue schématique partielle
en coupe axiale, à plus petite échelle, d'une variante de
réalisation de cette machine.
La machine représentée à titre d'exemple en
figure 1 est un compresseur périphérique, destiné au
traitement d'un débit de gaz dangereux, par exemple
toxique ou explosif.
De façon classique, ce compresseur comprend un
stator 10, dans lequel est ménagée une chambre annulaire
12 de circulation de gaz. Un rotor 14, constitué d'une
roue de compresseur périphérique, comporte des aubes 16
tournant dans la chambre annulaire 12 pour la mise en vi-
tesse et la compression du gaz.
De façon classique dans un compresseur péri-
phérique, un obturateur 18 est agencé dans la chambre an-
nulaire 12, entre les débouchés d'un conduit d'amenée et
d'un conduit de sortie de gaz (non représentés) formés
dans le stator.
Le rotor 14 est monté sur une extrémité d'un
arbre de rotation 20, qui traverse un passage d~arbre 22
présenté par le stator et qui est supporté et guidé dans
ce passage d'arbre au moyen de paliers 24.
Une cloche 26, de forme cylindrique à fond
bombé 28, est fixée de façon étanche à sa base sur le
stator, à l'extérieur de celui-ci et autour du passage
d'arbre 22, de façon à délimiter une enceinte étanche 30
dans laquelle sont logés le passage d'arbre 22,
l'extrémité de l'arbre 20 sortant de ce passage d~arbre,
et une pièce annulaire 32 solidaire de l'arbre 20 et por-
tant sur sa surface périphérique extérieure des aimantspermanents 34, qui sont au voisinage immédiat de la paroi
cylindrique de la cloche 26.
Cette pièce 32 et ces aimants permanents 34
font partie d'une accouplement magnétique, comprenant, à
l'ext~rieur de la cloche 26, une pièce annulaire 36 soli-
daire d'un arbre moteur 38 coaxial à l'arbre 20 du rotor,
:
2060793
des aimants permanents 40 étant prévus sur la surface pé-
riphérique interne de la pièce 36 en étant disposés en
correspondance des aimants précités 34 et en étant sépa-
rés de ces derniers par la paroi cylindrique de la cloche
25.
La cloche 26 peut être réalisé en un alliage
métallique tel que celui commercialisé sOIls la dénomina-
tion HASTELLOY, cet alliage étant de préférence amagné-
tique et non conducteur, et elle peut aussi être réalisée
en un matériau composite, par exemple en fibres de car-
bone, pour éliminer les courants de Foucault dans
l'accouplement magnétique.
L'enceinte étanche 30 délimitée par la cloche
26 est destinée à être remplie d~un liquide sous pres-
sion, dont l'une des fonctions est la lubrification des
paliers 24. Ce liquide peut donc être de l'huile lorsque
les paliers 24 sont des roulements à billes ou de l'eau
lorsqu~on utilise des paliers 24 hydrodynamiques, ou tout
autre liquide approprié.
A l'extrémité du passage dlarbre 22 située du
côté de la chambre annulaire 12 de circulation de gaz,
des moyens d'étanchéité au liquide sont agencés entre
l'arbre 20 et le stator. Comme cela a été schématiquement
représenté en figure 1, ces moyens d'étanchéité compren-
nent un joint mécanique humide, comportant une pièce an-
nulaire 42 montée à étanchéité sur l~arbre 20 et entrai-
née en rotation par celui-ci, cette pièce annulaire 22
présentant une surface radiale dure appliquée à pression
sur une surface radiale d'une pi~ce correspondante 44 du
stator. Ce type de joint autorise un tr~s faible débit de
fuite de liquide en direction de la chambre annulaire 12
du stator, lorsque la pression du liquide est supérieure
à la pression des gaz dans le stator. Eventuellement, des
moyens de récupération de ce débit de fuite de liquide
sont prévus dans le stator le long du rotor, comme indi-
2~0793
qué en 46, si llon veut réduire les traces de liquide
présentes dans le gaz traité.
La pression du liquide dans llenceinte 30 est
régulée par des moyens de pressurisation, comprenant dans
l'exemple représenté un multiplicateur de pression 48
dont une entrée est reliée à une prise de pression 50 si-
tuée juste en aval du joint mécanique humide 42, 44 et
dont la sortie est reliée à un conduit 52 formé dans le
stator et débouchant à l'intérieur de la cloche 26. De
préférence, le multiplicateur de pression 48 fait partie
d'un circuit fermé de liquide, comprenant un échangeur de
chaleur 54 monté en sortie du multiplicateur de pression
et une pompe étanche 56 de circulation à entraînement ma-
gnétique.
L'entrée de liquide dans le multiplicateur de
pression 48 est reliée à un conduit 58 débouchant dans le
passage d'arbre 22, en amont du joint mécanique humide
42.
Le fonctionnement de ce compresseur découle à
l'évidence de ce qui précède.
L'arbre moteur 38 entraîné en rotation autour
de son axe transmet un couple moteur à l'arbre 20 du ro-
tor par l'intermédiaire de l'accouplement magnétique
constitué par les pièces 32 et 36 et les aimants perma-
nents 34 et 40. L'arbre 20 entraîné en rotation faittourner les aubes 16 du rotor dans la chambre annulaire
12 du stator, pour la mise en vitesse et la compression
du gaz dans cette chambre. La pression de gaz appliquée
au multiplicateur de pression 48 détermine une pression
de liguide légèrement supérieure dans la cloche 26. Cette
pression supérieure de liquide s'oppose à toute pénétra-
tion de gaz dans le passage d'arbre 22 et provogue un
très faible débit de fuite de liguide par le joint méca-
nique humide 42 vers la chambre annulaire 12, ce débit de
fuite étant par exemple de llordre de 0,5 à lcm3 par
heure. Eventuellement, ce débit de fuite peut être récu-
2~793
péré en 46 avant sa pénétration dans la chambre annulaire12 de circulation du gaz.
Les vitesses de rotation maximales de
l'accouplement magnétique, du joint mécanique humide 42
et de la roue de compresseur périphérique sont bien adap-
tées les unes aux autres ~ de l'ordre de 3000 à 4000 t/mn
au maximum) et garantissent un fonctionnement optimal de
l'ensemble.
L'échangeur de chaleur 54 permet de maintenir
le liquide dans l'enceinte 30 à une température de
l'ordre de 50 à 60 C au maximum. La pression du liquide
est par exemple de 20 bars, lorsque la pression de gaz
est de 18 bars environ dans l'enceinte annulaire 12.
Une variante de réalisation de ce compresseur
a été représentée de façon partielle en figure 2.
Le compresseur de la figure 2 comprend les
memes éléments que celui de la figure 1, à savoir un sta-
tor 10 à chambre annulaire 12 de circulation de gaz, dans
laquelle tourne un rotor 14 constitué d'une roue de com-
presseur périphérique, monté sur un arbre 20 guidé etsupporté par des paliers 24 logés dans un passage d'arbre
22 présenté par le stator. Comme dans le mode de réalisa-
tion précédent, le passage d'arbre 22 est entouré exté-
rieurement par une cloche (non représentée) délimitant
une enceinte étanche remplie de fluide sous pression, et
un accouplement magnétique (non représenté) permet la
transmission à l'arbre 20 d'un couple moteur. Un joint
mécanique humide 42, semblable à celui représenté en fi-
gure 1, est prévu entre l'arbre 20 et le stator, à la
sortie du passage d'arbre 22 orientée vers la chambre an-
nulaire 12.
Dans cette varian~e de réalisation, une
chambre intermédiaire 60 est ménagée dans le stator 10
entre cette sortie du passage d'arbre 22 et la chambre
annulaire 12 de circulation de gaz. Cette chambre inter-
médiaire 60 est limitée axialement par des garnitures
2~6~79~
d'étanchéité sèches 62 portées par l'arbre 20 et coopé-
rant avec des surfaces radiales correspondantes 64 du
stator 10. Un conduit 66 formé dans le stator 10 permet
d'amener dans cette chambre intermédiaire 60 un gaz de
barrage sous pression relativement élevée, supérieure à
la pression du gaz dans la chambre annulaire 12, ce gaz
de barrage étant compatible avec le gaz circulant dans le
stator et pouvant être lui-même dangereux.
~ar ailleurs, un autre conduit 68 formé dans
le stator 10 permet d'amener un gaz de balayage sous
pression relativement faible, dans l'espace annulaire 70
ménagé dans le stator autour de l'arbre 20, entre la
chambre intermédiaire 60 et l'extrémité correspondante du
passage d'arbre 22 où se trouve situé le joint mécanique
humide 42.
La chambre intermédiaire 60 et cet espace an-
nulaire 70 sont reliés à l'extérieur du stator par des
conduits de sortie de gaz 72 et 74 respectivement.
Ces conduits de sortie 72 et 74 sont reliés à
des moyens de reprise de gaz, menant par exemple à des
moyens de combustion, tels qu'une torchère ou analogue.
En fonctionnement, le gaz de barrage sous
pression relativement ~levé, qui est amené dans la
chambre intermédiaire 60 par le conduit 66, peut fuir
d'un côté vers la chambre annulaire 12 de circulation de
gaz et de l'autre côté dans l'espace annulaire 70 entou-
rant l'extrémité du passage d'arbre 22 et le joint méca-
nique humide 42. Le gaz de balayage amené dans cet espace
annulaire 70 par le conduit 68 permet d'évacuer, par le
conduit de sortie 74, le débit de fuite de gaz de barrage
et le débit de fuite de liquide arrivant dans cet espace
annulaire 70. Les gaz sortant de la chambre intermédiaire
60 par le conduit 72 et de l'espace annulaire 70 par le
conduit 74 sont ensuite, par exemple, conduits à une tor-
chère ou autre moyen de combustion approprié.
20~07~3
Dans cette variante de réalisation de la fi-
gure 2, un défaut du joint mécanique humide 42 n'a pas
d'incidence sur le fonctionnement du compresseur, le gaz
de barrage amené dans la chambre in~ermédiaire 60
s'opposant à tout passage de liquide vers la chambre an-
nulaire 12 de circulation de gaz.
La sortie 72 de gaz de barrage peut être sup-
primée, le gaz de barrage fuyant alors d~un côté vers la
chambre annulaire 12 et de l'autre côté vers l'espace an-
nulaire 70.
