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EP3833872B1 - Turbomachine à étages multiples - Google Patents

Turbomachine à étages multiples Download PDF

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Publication number
EP3833872B1
EP3833872B1 EP19737111.5A EP19737111A EP3833872B1 EP 3833872 B1 EP3833872 B1 EP 3833872B1 EP 19737111 A EP19737111 A EP 19737111A EP 3833872 B1 EP3833872 B1 EP 3833872B1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
compressor
turbine
casing
wheel
shaft
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Active
Application number
EP19737111.5A
Other languages
German (de)
English (en)
Other versions
EP3833872A1 (fr
Inventor
Jacques BOIGEY
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Cryostar SAS
Original Assignee
Cryostar SAS
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Cryostar SAS filed Critical Cryostar SAS
Publication of EP3833872A1 publication Critical patent/EP3833872A1/fr
Application granted granted Critical
Publication of EP3833872B1 publication Critical patent/EP3833872B1/fr
Active legal-status Critical Current
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    • F04D17/00—Radial-flow pumps, e.g. centrifugal pumps; Helico-centrifugal pumps
    • F04D17/08—Centrifugal pumps
    • F04D17/10—Centrifugal pumps for compressing or evacuating
    • F04D17/12—Multi-stage pumps
    • F04D17/122—Multi-stage pumps the individual rotor discs being, one for each stage, on a common shaft and axially spaced, e.g. conventional centrifugal multi- stage compressors
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    • F04D29/42—Casings; Connections of working fluid for radial or helico-centrifugal pumps
    • F04D29/4206—Casings; Connections of working fluid for radial or helico-centrifugal pumps especially adapted for elastic fluid pumps
    • F04D29/4226—Fan casings
    • F04D29/424—Double entry casings

Definitions

  • the present invention relates to a multi-stage turbomachine. It relates more particularly to the structure of such a machine.
  • a turbomachine may have several compression stages or several expansion stages or even one or more compression stages associated with one or more expansion stages.
  • compressor-turbine type machine also called compander (word obtained from the English words compress for compressor and expander for turbine or expander), in which there are one or more centrifugal compressor(s) and one or more turbine(s).
  • compander word obtained from the English words compress for compressor and expander for turbine or expander
  • centrifugal compressor(s) and one or more turbine(s).
  • gearbox or its English equivalent, gearbox
  • Such a machine allows to obtain excellent performances for the treatment of fluids. It is modular and the same machine can work with one or several fluids: it is for example possible to recover energy contained in a fluid to transmit it to another fluid.
  • the document US 5,599,164 A discloses a centrifugal pump comprising an assembly of two centrifugal impellers each provided with a fluid inlet and outlet, the assembly being located cantilevered on one side only of a central portion.
  • the document FROM 1,122,375 B discloses a centrifugal pump comprising an assembly of two centrifugal impellers separated by a wall.
  • the document EP 3 249 234 A1 discloses a turbocharger comprising on one side of an electric motor an assembly of two centrifugal wheels and on the other side a turbine.
  • the two centrifugal wheels are arranged back to back and each mounted in their own housing, and a dividing wall partially separates the two wheels.
  • the document JP 2012/251528 A discloses a turbomachine comprising on either side of a central part an assembly of two centrifugal wheels.
  • the present invention then aims to provide a multi-stage turbomachine capable, like companders, of processing different fluids - for example a gas and a liquid - not having all the aforementioned drawbacks.
  • the new turbomachine will preferably have a more compact structure.
  • This turbomachine for equivalent performances, will also preferably be lighter than a compander.
  • this turbomachine will operate without oil.
  • the present invention proposes a multi-stage turbomachine comprising a central part having at least two bearings from which extends at least on one side a shaft guided by said bearings and on which are mounted in a cantilever manner two radial wheels.
  • the two radial wheels are separated from each other by a sealed partition, and wherein each of the two radial wheels is mounted in its housing, each housing having a clean fluid inlet and a clean fluid outlet.
  • This structure makes it possible to obtain a turbomachine comparable to a compander with four stages with a smaller footprint while allowing to work with several fluids (at least two fluids since at least two casings each have their own inlet and outlet, i.e. not common with another stage.
  • the two radial wheels mounted on the same cantilever are for example mounted back to back. Thus one wheel is fed from one side and the other from the opposite side.
  • the watertight partition forms a wall common to each of the two housings.
  • the watertight bulkhead has thermal insulation.
  • a multi-stage turbomachine as described above is intended to be used within a thermodynamic process.
  • the central part also includes an electric group chosen from the set of electric motors and electric generators.
  • the casing corresponding to the distal wheel comprises the sealed partition as a proximal part common with the casing of the proximal wheel and a distal part in the form of a plate fixed on the casing of the proximal wheel.
  • a multi-stage turbomachine as described above may comprise on either side of its central part a set of two radial wheels separated from each other by a sealed partition, and for each set each of the radial wheels is mounted in its casing, each casing having a clean fluid inlet and a clean fluid outlet.
  • An electric group 2 which can be a motor or a generator, is arranged in a central position. It is crossed by a shaft 4 supported by bearings 6 and having cantilevered shaft ends. Each shaft end carries two radial wheels.
  • the electrical group 2 is mounted in a housing 8.
  • a magnet 10 is shrunk onto the shaft 4 and forms the rotor of the electrical group 2.
  • a stator 12, separated from the rotor by an air gap and having windings, is fixedly mounted in the housing 8.
  • a connection box 14 makes it possible to electrically connect the electrical group 2.
  • the housing 8 is closed on each side by a cover 16 which integrates a bearing 6 which is here a hydrodynamic bearing.
  • the housing 8 integrates an oil collector 18.
  • seals 22 are provided inside each cover 16.
  • the bearings 6 of the shaft 4 are thus integrated into the covers 16.
  • the parts of the shaft 4 extending outside the housing 8 (or more precisely its covers 16) are arranged cantilevered relative to the support of this shaft 4.
  • a first compressor is mounted adjacent to the cover 16 located on the right on the figure 1 .
  • This compressor comprises a first compressor wheel 22 and a first compression body in several parts.
  • the first compressor wheel 22 is mounted on the shaft 4 and driven by it.
  • the fluid enters the first compressor wheel 22 in an axial direction (given by the axis of the shaft 4), from left to right on the figure 1 .
  • the shaft 4 has a section of so-called polygonal shape at the level of the first compressor wheel 22.
  • the section of the shaft 4 is here of triangular shape (with slightly convex faces and rounded vertices).
  • the first compression body guides the fluid supplying the first compressor wheel 22 upstream and downstream thereof.
  • a casing 24 has an inlet 24a which channels the fluid supplying the first compressor wheel 22 in a radial direction as well as an outlet 24b which guides the compressed fluid downstream of the first compressor wheel 22.
  • the casing 24 is fixed on a support 26 mounted on the corresponding cover 16. This support 26 has an inner wall which also participates in guiding the fluid to lead it to the first compressor wheel 22.
  • a sealing part 28 is arranged between the support 26 and the shaft 4 to seal the compressor. In the illustrated embodiment, the sealing part 28 has a labyrinth on the side of the shaft 4.
  • the sealing part ensures the guidance of the fluid to make it pass from a radial direction to its axial direction to supply the first compressor wheel 22.
  • a deflector 30 ensures the guidance of the fluid upstream of the first compressor wheel 22 and opposite the latter.
  • a transverse wall 32 separates the first compressor from a second compressor.
  • This second compressor comprises a second compressor wheel 34 as well as a body of compression also in several pieces.
  • the transverse wall 32 extends perpendicular to the axis of the shaft 4. It has an annular shape and houses a sealing device 36 at its center. At this level, the shaft 4 also has a polygonal (triangular) section. To achieve sealing, a ring having an inner surface matching the polygonal shape of the shaft 4 and a circular cylindrical outer surface is placed around the shaft 4. The sealing is then for example achieved on said ring by a labyrinth sealing system.
  • the transverse wall 32 has a face receiving the rear face of the first compressor wheel 22 and a face receiving the rear face of the second compressor wheel 34.
  • the rear face of a wheel is called its face with the largest diameter.
  • the two compressor wheels (first compressor wheel 22 and second compressor wheel 34) are thus mounted back-to-back.
  • Each face of the transverse wall 32 has a housing for receiving the rear face of the corresponding compressor wheel. Beyond this housing, each face of the transverse wall 32 forms a wall for the diffuser of the corresponding compressor.
  • the casing 24 is configured on the rear side of the first compressor wheel 22 to receive the transverse wall 32.
  • it has a hollow housing, preferably with a shoulder 38, to receive the transverse wall 32.
  • the housing at the bottom of which the transverse wall 32 is placed is closed by a plate 40 carrying a fluid inlet pipe 42 and an outlet pipe 44.
  • the plate 40 is fixed to the casing 24.
  • the inlet pipe 42 is arranged in a central position and it guides fluid towards the second compressor wheel 34 such that this fluid is oriented axially by heading towards the figure 1 , for the second compressor wheel 34 on the right, from right to left.
  • a guide 46 ensures the guidance of the fluid towards the second compressor wheel 34 and in this wheel.
  • the compressed fluid is guided by a diffuser 48 (and by the transverse plate 32).
  • the second compressor wheel 34 is also mounted on a section of the shaft 4 having a polygonal section. It should be noted, however, that the second compressor wheel 34 is mounted on a section of smaller dimensions (“diameter”) than the section of the shaft 4 receiving the first compressor wheel 22.
  • a screw 50 fixes the second compressor wheel 34 at the end of the shaft 4. This fixing ensures by stacking the fixing of the various elements arranged on the shaft 4, such as the sealing devices and the first compressor wheel 22.
  • FIG. 2 illustrates a variant embodiment of the figure 1 not in accordance with the invention. It takes up the references of the figure 1 to designate similar parts.
  • a bearing which in this example is also a hydrodynamic bearing but which could be of any other type, "conventional" with bearings or magnetic, air, .
  • the compressor body corresponding to the first compressor wheel or proximal wheel is of suitable shape and has a housing for partially receiving the compressor body corresponding to the second compressor wheel.
  • the cover 16 and the support 26 of the figure 1 are both grouped into a single part on which the housing 24 is mounted.
  • the structure of the hydrodynamic bearing and the seal is revised.
  • the sealing part therefore has a different shape.
  • the form of realization of the figure 2 corresponds for example to a turbomachine intended to work with two fluids at very different temperatures.
  • an insulating layer 52 which is arranged in the second compression body opposite the first compression body. It is possible here for example to compress a cryogenic fluid and another fluid at “normal” temperature, for example close to ambient temperature.
  • the pressure in the second compression body in this other embodiment is relatively high.
  • the plate 40 closing this body and separating it from the outside is of a domed shape.
  • the fluid supply is then adapted.
  • turbomachines multi-stage, said stages being able to be independent of each other.
  • FIG. 1 illustrates a four-stage machine that is symmetrical. This symmetry is for illustrative purposes only. There can be two distinct sets on either side of the central part of the machine.
  • the turbomachine proposed here has a single shaft and no gearbox. It can therefore have a limited footprint compared to a "compander” type machine described in the preamble. The number of bearings and seals to be produced is reduced compared to a "compander”.
  • turbomachine in its proposed four-stage version (for example, we could have only two or three stages, i.e. two stages on one side and one or zero on the other) or, on the contrary, a greater number of stages.
  • the compression or expansion bodies corresponding to these two radial wheels are made so as to be able to each receive a different fluid.
  • Each body thus has a fluid inlet and outlet and there are two completely separate circuits: the inlet and outlet of one body and the inlet and outlet of the other body.
  • the radial wheels shown are mounted on the shaft by "polygon" type zones.
  • other assemblies are possible: keys, teeth, Hirth type teeth, etc.
  • the outermost wheel is preferably, but not necessarily, mounted on a shaft section of smaller section. Mounting on two identical sections can also be considered.
  • the wheels are mounted using any means: support washers, bushings, labyrinth seals or others, ....
  • the compression or expansion body corresponding to the outermost wheel, or distal wheel is preferably fixed to the body (compression or expansion) corresponding to the innermost wheel. Thermal insulation may be provided between the two bodies.

Landscapes

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  • Mechanical Engineering (AREA)
  • General Engineering & Computer Science (AREA)
  • Structures Of Non-Positive Displacement Pumps (AREA)
  • Supercharger (AREA)

Description

  • La présente invention concerne une turbomachine à étages multiples. Elle concerne plus particulièrement la structure d'une telle machine.
  • Une turbomachine peut comporter plusieurs étages de compression ou plusieurs étages de détente ou bien encore à la fois un ou plusieurs étage(s) de compression associé(s) à un ou plusieurs étage(s) de détente.
  • Il est notamment connu d'avoir une machine de type compresseur-turbine, appelée aussi compander (mot obtenu à partir des mots anglais compresser pour compresseur et expander pour turbine ou détendeur), dans laquelle on trouve un ou plusieurs compresseur(s) centrifuge(s) et une ou plusieurs turbine(s). Ces divers étages sont reliés mécaniquement à un moteur commun (éventuellement une génératrice commune) par l'intermédiaire d'un ensemble d'engrenages appelé boite de vitesses (ou son équivalent anglais, gearbox).
  • Une telle machine permet d'obtenir d'excellentes performances pour le traitement de fluides. Elle est modulaire et une même machine peut travailler avec un ou plusieurs fluides : il est par exemple possible de récupérer de l'énergie contenue dans un fluide pour la transmettre à un autre fluide.
  • Un inconvénient toutefois des companders connus est leur encombrement au sol qui est relativement important.
  • Un autre inconvénient des companders connus est leur structure qui impose d'avoir un nombre de paliers important. Il y a en effet un palier pour chaque roue de turbine ou compresseur ainsi que quatre paliers pour le moteur et la boite de vitesses. Cette structure présente également plusieurs arbres qu'il faut étancher. Tout ceci fait que la turbomachine obtenue est relativement lourde.
  • Enfin du fait de la présence de la boite de vitesses, il est le plus souvent nécessaire d'avoir de l'huile pour lubrifier ladite boite de vitesses. Pour certaines applications, il est préférable de ne pas avoir d'huile et la présence de la boite de vitesses est alors un inconvénient.
  • Le document US 5 599 164 A divulgue une pompe centrifuge comprenant un assemblage de deux roues centrifuges munies chacune d'une entrée et d'une sortie de fluide, l'assemblage étant situé en porte à faux d'un seul côté d'une partie centrale.Le document DE 1 122 375 B divulgue une pompe centrifuge comprenant un assemblage de deux roues centrifuges séparées par une paroi.
  • Le document EP 3 249 234 A1 divulgue un turbocompresseur comprenant d'un côté d'un moteur électrique un assemblage de deux roues centrifuges et d'un autre coté une turbine. Les deux roues centrifuges sont disposées dos à dos et montées chacune dans leur carter propre, et une paroi de séparation sépare partiellement les deux roues.
  • Le document JP 2012/251528 A divulgue une turbomachine comprenant de part et d'autre d'une partie centrale un assemblage de deux roues centrifuges. La présente invention a alors pour but de fournir une turbomachine à étages multiples pouvant, comme les companders, traiter des fluides différents -par exemple un gaz et un liquide- ne présentant pas tous les inconvénients précités.
  • Ainsi, la nouvelle turbomachine présentera de préférence une structure plus compacte. Cette turbomachine, pour des performances équivalentes, sera aussi de préférence plus légère qu'un compander. Avantageusement, cette turbomachine fonctionnera sans huile.
  • À cet effet, la présente invention selon revendication 1 propose une turbomachine à étages multiples comportant une partie centrale présentant au moins deux paliers à partir de laquelle s'étend au moins d'un côté un arbre guidé par lesdits paliers et sur lequel sont montées en porte à faux deux roues radiales.
  • Selon la présente invention, les deux roues radiales sont séparées l'une de l'autre par une cloison étanche, et dans lequel chacune des deux roues radiales est montée dans son carter, chaque carter présentant une entrée de fluide propre et une sortie de fluide propre.
  • Cette structure permet d'obtenir une turbomachine comparable à un compander avec quatre étages avec un encombrement moindre tout en permettant de travailler avec plusieurs fluides (au moins deux fluides puisqu'au moins deux carters ont chacun une entrée et une sortie qui leur sont propres, c'est-à-dire non commune avec un autre étage.
  • Pour faciliter l'alimentation des deux roues radiales et avoir une structure compacte, les deux roues radiales montées sur un même porte à faux sont par exemple montées dos à dos. Ainsi une roue est alimentée d'un côté et l'autre du côté opposé.
  • Pour limiter le nombre de pièces et avoir une structure compacter, on peut prévoir que la cloison étanche forme une paroi commune à chacun des deux carters.
  • Pour permettre d'utiliser des fluides à des températures sensiblement différentes, la cloison étanche présente une isolation thermique.
  • Une turbomachine à étages multiples telle que décrite ci-dessus est destinée à être utilisée au sein d'un process thermodynamique. Pour une meilleure maîtrise de ce process, on prévoit avantageusement que la partie centrale comporte en outre un groupe électrique choisi dans l'ensemble des moteurs électriques et des générateurs électriques.
  • Selon la présente invention, le carter correspondant à la roue distale comporte la cloison étanche comme une partie proximale commune avec le carter de la roue proximale et une partie distale sous forme d'une plaque fixée sur le carter de la roue proximale
  • Pour obtenir une structure équivalente à un compander, une turbomachine à étages multiples telle que décrite ci-dessus peut comporter de part et d'autre de sa partie centrale un ensemble de deux roues radiales séparées l'une de l'autre par une cloison étanche, et pour chaque ensemble chacune des roues radiales est montée dans son carter, chaque carter présentant une entrée de fluide propre et une sortie de fluide propre.
  • Des détails et avantages de la présente invention apparaitront mieux de la description qui suit, faite en référence au dessin schématique annexé sur lequel :
    • La figure 1 est une vue en coupe transversale d'une turbomachine à étages multiples, et
    • la figure 2 est une vue en coupe transversale partielle à échelle agrandie d'une variante de réalisation de la turbomachine de la figure 1. Cette variante n'est pas conforme à l'invention.
  • Dans la forme de réalisation illustrée sur la figure 1, on a une turbomachine à quatre étages indépendants. La structure globale de cette machine est décrite ci-après. Un groupe électrique 2, qui peut être un moteur ou une génératrice, est disposé en position centrale. Il est traversé par un arbre 4 supporté par des paliers 6 et présentant des extrémités d'arbre en porte à faux. Chaque extrémité d'arbre porte deux roues radiales.
  • Le groupe électrique 2 est monté dans un boitier 8. Un aimant 10 est fretté sur l'arbre 4 et forme le rotor du groupe électrique 2. Un stator 12, séparé du rotor par un entrefer et présentant des bobinages, est monté fixe dans le boitier 8. Une boite de connexion 14 permet de relier électriquement le groupe électrique 2.
  • Le boitier 8 est fermé de chaque côté par un couvercle 16 qui intègre un palier 6 qui est ici un palier hydrodynamique. Le boitier 8 intègre un collecteur d'huile 18. Pour éviter toute migration d'huile vers le groupe électrique 2, des joints 22 sont prévus à l'intérieur de chaque couvercle 16.
  • Les paliers 6 de l'arbre 4 sont ainsi intégrés dans les couvercles 16. Les parties de l'arbre 4 s'étendant à l'extérieur du boitier 8 (ou plus précisément de ses couvercles 16) sont disposées en porte-à-faux par rapport au support de cet arbre 4.
  • On remarque sur la figure 1 que les deux ensembles de roues radiales disposés de part et d'autre du groupe électrique 2 sont symétriques. Ainsi, dans la description qui suit, un seul ensemble, celui de droite sur la figure 1, sera décrit.
  • Un premier compresseur est monté adjacent au couvercle 16 situé à droite sur la figure 1. Ce compresseur comporte une première roue de compresseur 22 et un premier corps de compression en plusieurs pièces.
  • La première roue de compresseur 22 est montée sur l'arbre 4 et entraînée par celui-ci. Le fluide (en phase gazeuse ou liquide) entre dans la première roue de compresseur 22 selon une direction axiale (donnée par l'axe de l'arbre 4), de la gauche vers la droite sur la figure 1. Dans la forme de réalisation préférée illustrée sur la figure 1, l'arbre 4 présente une section de forme dite polygonale au niveau de la première roue de compresseur 22. La section de l'arbre 4 est ici de forme triangulaire (avec des faces légèrement convexes et des sommets arrondis).
  • Le premier corps de compression guide le fluide alimentant la première roue de compresseur 22 en amont et en aval de celle-ci. Un carter 24 présente une entrée 24a qui canalise le fluide alimentant la première roue de compresseur 22 selon une direction radiale ainsi qu'une sortie 24b qui guide le fluide comprimé en aval de la première roue de compresseur 22. Le carter 24 est fixé sur un support 26 monté sur le couvercle 16 correspondant. Ce support 26 présente une paroi intérieure qui participe également au guidage du fluide pour le conduire vers la première roue de compresseur 22. Une pièce d'étanchéité 28 est disposée entre le support 26 et l'arbre 4 pour réaliser l'étanchéité du compresseur. Dans la forme de réalisation illustrée, la pièce d'étanchéité 28 présente un labyrinthe du côté de l'arbre 4. Du côté de l'intérieur du carter 24, la pièce d'étanchéité assure le guidage du fluide pour le faire passer d'une direction radiale vers sa direction axiale pour alimenter la première roue de compresseur 22. Enfin, à l'intérieur du carter 24, un déflecteur 30 assure le guidage du fluide en amont de la première roue de compresseur 22 et en face de celle-ci.
  • Après la première roue de compresseur 22, c'est-à-dire en s'éloignant de la partie centrale de la turbomachine qui intègre le groupe électrique 2, une paroi transversale 32 vient séparer le premier compresseur d'un second compresseur. Ce second compresseur comporte une seconde roue de compresseur 34 ainsi qu'un corps de compression également en plusieurs pièces.
  • La paroi transversale 32, comme suggéré par son nom, s'étend perpendiculairement à l'axe de l'arbre 4. Elle présente une forme annulaire et loge en son centre un dispositif d'étanchéité 36. À ce niveau, l'arbre 4 présente également une section de forme polygonale (triangulaire). Pour réaliser l'étanchéité, une bague présentant une surface intérieure épousant la forme polygonale de l'arbre 4 et une surface extérieure cylindrique circulaire est placée autour de l'arbre 4. L'étanchéité est alors par exemple réalisée sur ladite bague par un système d'étanchéité à labyrinthe.
  • La paroi transversale 32 présente une face recevant la face arrière de la première roue de compresseur 22 et une face recevant la face arrière de la seconde roue de compresseur 34. On appelle ici face arrière d'une roue sa face de plus grand diamètre. Comme on peut le voir ici, les deux roues de compresseur (première roue de compresseur 22 et seconde roue de compresseur 34) sont ainsi montées dos-à-dos. Chaque face de la paroi transversale 32 présente un logement pour recevoir la face arrière de la roue de compresseur correspondante. Au-delà de ce logement, chaque face de la paroi transversale 32 forme une paroi pour le diffuseur du compresseur correspondant.
  • Le carter 24 est configuré du côté arrière de la première roue de compresseur 22 pour recevoir la paroi transversale 32. Il présente à cet effet un logement en creux, de préférence avec un épaulement 38, pour recevoir la paroi transversale 32. Le logement au fond duquel vient prendre place la paroi transversale 32 est fermé par une plaque 40 portant une tubulure d'arrivée 42 de fluide et une tubulure de sortie 44. La plaque 40 est fixée sur le carter 24.
  • La tubulure d'arrivée 42 est disposée en position centrale et elle guide du fluide vers la seconde roue de compresseur 34 de telle sorte que ce fluide soit orienté axialement en se dirigeant sur la figure 1, pour la seconde roue de compresseur 34 de droite, de la droite vers la gauche. À l'intérieur du logement, un guide 46 assure le guidage du fluide vers la seconde roue de compresseur 34 et dans cette roue. En sortie de roue, le fluide comprimé est guidé par un diffuseur 48 (et par la plaque transversale 32).
  • La seconde roue de compresseur 34 est elle aussi montée sur un tronçon de l'arbre 4 présentant une section polygonale. On remarque toutefois que la seconde roue de compresseur 34 est montée sur un tronçon de dimensions (« diamètre ») moindre que le tronçon de l'arbre 4 recevant la première roue de compresseur 22. Une vis 50 vient fixer la seconde roue de compresseur 34 en bout d'arbre 4. Par cette fixation, on assure par empilage la fixation des divers éléments disposés sur l'arbre 4, tels les dispositifs d'étanchéité et la première roue de compresseur 22.
  • On remarque ici que les deux corps de compression sont à la fois imbriqués l'un dans l'autre, avec des éléments communs, et à la fois indépendants puisque deux circuits de fluide distincts sont créés.
  • On réalise de la sorte deux étages entièrement indépendants l'un de l'autre sur une même extrémité d'arbre d'une turbomachine.
  • La figure 2 illustre une variante de réalisation de la figure 1 non conforme à l'invention. Elle reprend les références de la figure 1 pour désigner des pièces similaires. On retrouve ici deux roues radiales séparées par une cloison et montées dos à dos, les deux roues étant montées sur un même porte à faux d'un arbre. On retrouve aussi sur la figure 2, qui est une coupe partielle à échelle agrandie, un palier (qui est dans cet exemple aussi un palier hydrodynamique mais qui pourrait être de tout autre type, « classique » avec des roulements ou bien magnétique, à air, ...). En outre, le corps de compresseur correspondant à la première roue de compresseur ou roue proximale (la plus proche du palier) est de forme adaptée et présente un logement pour recevoir partiellement le corps de compresseur correspondant à la seconde roue de compresseur. Dans la suite, seules les différences entre la forme de réalisation de la figure 2 et celle de la figure 1 seront mises en avant.
  • Du côté de la partie centrale, le couvercle 16 et le support 26 de la figure 1 sont tous deux regroupés en une seule pièce sur laquelle est monté le carter 24. La structure du palier hydrodynamique et de l'étanchéité est revue. La pièce d'étanchéité présente de ce fait une forme différente.
  • La forme de réalisation de la figure 2 correspond par exemple à une turbomachine destinée à travailler avec deux fluides à des températures très différentes. On reconnaît alors une couche isolante 52 qui est disposée dans le second corps de compression en regard du premier corps de compression. On peut ici par exemple comprimer un fluide cryogénique et un autre fluide à température « normale », par exemple proche de la température ambiante.
  • La pression dans le second corps de compression dans cette autre forme de réalisation est relativement élevée. De ce fait, la plaque 40 fermant ce corps et le séparant de l'extérieur est de forme bombée. L'alimentation en fluide est alors adaptée.
  • Les formes de réalisation décrites ci-dessus présentent donc des turbomachines à étages multiples, lesdits étages pouvant être indépendants les uns des autres.
  • La figure 1 illustre une machine à quatre étages qui est symétrique. Cette symétrie est uniquement illustrative. On peut avoir deux ensembles bien distincts de part et d'autre de la partie centrale de la machine.
  • La turbomachine proposée ici présente un seul arbre et aucune boite de vitesses (gearbox). Elle peut ainsi présenter une empreinte au sol limitée par rapport à une machine de type « compander » décrite au préambule. Le nombre de paliers et d'étanchéités à réaliser est réduit par rapport à un « compander ».
  • La turbomachine, dans sa version proposée à quatre étages (on pourrait n'avoir par exemple que deux ou trois étages, c'est-à-dire deux étages d'un côté et un ou zéro de l'autre) ou bien au contraire un plus grand nombre d'étages.
  • La turbomachine proposée peut aussi comporter une ou plusieurs roues de détente (et pas uniquement des étages de compression). Elle vient alors prendre place dans une installation thermodynamique. Elle peut être motrice dans le cas où un moteur est disposé dans la partie centrale, ou bien génératrice si un générateur est prévu en partie centrale. Il peut aussi s'agir aussi d'un échange entre fluides, un ou plusieurs détendeurs transmettant alors de l'énergie à un ou plusieurs compresseurs par l'intermédiaire de l'arbre central. Pour une machine à quatre étages, on peut avoir ainsi plusieurs configurations selon que l'on ait des compresseurs ou des turbines de détente (ou « expandeurs »). On peut ainsi avoir les configurations suivantes avec un moteur :
    • Turbine-turbine/moteur/compresseur-compresseur
    • Turbine-turbine/moteur/turbine-compresseur
    • Turbine-turbine/moteur/compresseur-turbine
    • Turbine-compresseur/moteur/compresseur-compresseur
    • Turbine-compresseur/moteur/turbine-compresseur
    • Turbine-compresseur/moteur/compresseur-turbine
    • Compresseur-turbine/moteur/compresseur-compresseur
    • Compresseur-turbine/moteur/turbine-compresseur
    • Compresseur-turbine/moteur/compresseur-turbine
    • Compresseur-turbine/moteur/turbine-turbine
    • Compresseur-compresseur/moteur/compresseur-compresseur
  • De même avec un générateur en partie centrale, on peut avoir toutes les combinaisons possibles de turbine et compresseur de part et d'autre du générateur (sauf avoir uniquement des compresseurs qui ne peuvent alors pas entraîner le générateur).
  • De même toutes les combinaisons de turbines et de compresseurs (sauf uniquement des turbines ou uniquement des compresseurs) peuvent être envisagées sans groupe électrique en partie centrale pour réaliser des échanges énergétiques entre fluides uniquement par l'intermédiaire de l'arbre central.
  • On retrouve à chaque fois, au moins d'un côté de la partie centrale, un assemblage de deux roues radiales, de préférence montées dos-à-dos, sur un même porte à faux d'un arbre commun, un dispositif d'étanchéité entre les deux roues radiales. Les corps de compression ou d'expansion correspondant à ces deux roues radiales sont réalisés de manière à pouvoir recevoir chacun un fluide différent. Chaque corps présente ainsi une entrée et une sortie de fluide et on a deux circuits totalement distincts l'entrée et la sortie d'un corps et l'entrée et la sortie de l'autre corps.
  • Dans la description purement descriptive et non limitative, les roues radiales montrées sont montées sur l'arbre par des zones de type « polygone ». Bien entendu, d'autres montages sont possibles : clavettes, dentures, denture de type Hirth, etc.
  • La roue la plus à l'extérieur est de préférence, mais pas forcément, montée sur une section d'arbre de plus petite section. Un montage sur deux sections identiques peut aussi être envisagé. Le montage des roues se fait à l'aide de tout moyens : rondelles d'appui, douilles, étanchéité à labyrinthe ou autres, ....
  • Le corps de compression ou d'expansion correspondant à la roue la plus extérieure, ou roue distale, est de préférence fixé sur le corps (de compression ou d'expansion) correspondant à la roue la plus intérieure. Une isolation thermique peut être prévue entre les deux corps.
  • La présente invention ne se limite pas aux formes de réalisation décrites ci-dessus et aux variantes envisagées. Elle concerne également les variantes de réalisation à la portée de l'homme du métier dans le cadre des revendications ci-après.

Claims (5)

  1. Turbomachine à étages multiples comportant une partie centrale (2) présentant au moins deux paliers (6) à partir de laquelle s'étend au moins d'un côté un arbre (4) guidé par lesdits paliers (6) et sur lequel sont montées en porte à faux deux roues radiales (22, 34),
    dans lequel les deux roues radiales (22, 34) sont séparées l'une de l'autre par une cloison étanche (32), la cloison étanche (32) présentant une isolation thermique (52),
    dans lequel chacune des deux roues radiales (22, 34) est montée dans son carter (24, 32, 40), chaque carter présentant une entrée de fluide (24a, 42) propre et une sortie de fluide (24b, 44) propre, et
    le carter (32, 40) correspondant à la roue distale (34) comporte la cloison étanche (32) comme une partie proximale commune avec le carter de la roue proximale (22) et une partie distale (40) sous forme d'une plaque fixée sur le carter (24) de la roue proximale (22).
  2. Turbomachine à étages multiples selon la revendication 1, caractérisée en ce que les deux roues radiales (22, 34), montées sur un même porte à faux sont montées dos à dos.
  3. Turbomachine à étages multiples selon l'une des revendications 1 ou 2, caractérisée en ce que la cloison étanche (32) forme une paroi commune à chacun des deux carters (24, 32, 40).
  4. Turbomachine à étages multiples selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisée en ce que la partie centrale (2) comporte en outre un groupe électrique choisi dans l'ensemble des moteurs électriques et des générateurs électriques.
  5. Turbomachine à étages multiples selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisée en ce qu'elle comporte de part et d'autre de sa partie centrale (2) un ensemble de deux roues radiales (22, 34), séparées l'une de l'autre par une cloison étanche (32), et en ce que pour chaque ensemble chacune des roues radiales (22, 34), est montée dans son carter (24, 32, 40), chaque carter présentant une entrée de fluide (24a, 42) propre et une sortie de fluide (24b, 44) propre.
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