EP0703366A1 - Machine rotative à poussée axiale - Google Patents

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EP0703366A1
EP0703366A1 EP95402111A EP95402111A EP0703366A1 EP 0703366 A1 EP0703366 A1 EP 0703366A1 EP 95402111 A EP95402111 A EP 95402111A EP 95402111 A EP95402111 A EP 95402111A EP 0703366 A1 EP0703366 A1 EP 0703366A1
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    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01DNON-POSITIVE DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, e.g. STEAM TURBINES
    • F01D25/00Component parts, details, or accessories, not provided for in, or of interest apart from, other groups
    • F01D25/16Arrangement of bearings; Supporting or mounting bearings in casings
    • F01D25/166Sliding contact bearing
    • F01D25/168Sliding contact bearing for axial load mainly
    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F04POSITIVE - DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS FOR LIQUIDS OR ELASTIC FLUIDS
    • F04DNON-POSITIVE-DISPLACEMENT PUMPS
    • F04D29/00Details, component parts, or accessories
    • F04D29/05Shafts or bearings, or assemblies thereof, specially adapted for elastic fluid pumps
    • F04D29/051Axial thrust balancing
    • F04D29/0513Axial thrust balancing hydrostatic; hydrodynamic thrust bearings
    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F04POSITIVE - DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS FOR LIQUIDS OR ELASTIC FLUIDS
    • F04DNON-POSITIVE-DISPLACEMENT PUMPS
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    • F04D29/05Shafts or bearings, or assemblies thereof, specially adapted for elastic fluid pumps
    • F04D29/053Shafts
    • F04D29/054Arrangements for joining or assembling shafts

Definitions

  • the shafts of the turbomachinery rotors such as gas or steam turbines and centrifugal or axial compressors carry working members such as impellers. These members provide a transformation between thermal energy present in a typically gaseous working environment and mechanical energy present on the rotor shaft.
  • the rotor of such a machine is held in the radial position by bearings and in the axial position by a stop. Its connection in rotation with other rotating elements of the machine is ensured by a coupling system transmitting a working torque.
  • An object of the present invention is to provide an opportunity to increase the value of these critical speeds, and therefore more easily to ensure high performance operation.
  • the rotor working members ensuring the compression are impellers.
  • the shaft which carries them is supported by bearings which provide the dynamic characteristics of stiffness and damping necessary to ensure its stability in rotation.
  • bearings Two types of bearings are used: hydrodynamic oil bearings and active magnetic bearings.
  • the axial thrust generated by the compression is, in part, compensated by a balancing piston; the residual thrust is balanced by that of an axial stop, either with pads lubricated with oil, or magnetic.
  • the increase in the speed of rotation can be authorized by an increase in the overall rigidity of the rotor relative to its mass.
  • One well-known way to achieve this goal is to use a larger diameter rotor shaft. However, this means generally appears to be expensive.
  • the present invention also aims to allow a simple and inexpensive embodiment of a rotor capable of undergoing significant axial thrusts while rotating at high speed and transmitting significant torques.
  • a rotary machine with axial thrust this machine being characterized in that a rotary stop and a coupling wall are fixed to the shaft of its rotor by means of the same connection base for tubular shape bearing coaxially on this shaft to transmit to this shaft both an axial stop thrust and a working torque.
  • this invention proposes at least partial integration of the rotor parts ensuring the function of an axial stop and that of a coupling plate transmitting the working torque. This integration makes it possible to reduce the cantilever masses which, in particular through their gyroscopic effects, affect the dynamic stability of the rotor and thus reduce the range of machine rotation speeds.
  • FIG. 1 represents a view in half axial section of a known compressor.
  • FIG. 2 represents a view in half axial section of a compressor according to this invention.
  • the rotary stop and the coupling wall typically have the respective shapes of a stop disc and a coupling plate. Their connection bases are mounted outside the working segment to limit the range of the shaft and the masses supported by it between the bearings.
  • the bearing 62 or 12 closest to the coupling plate will hereinafter be called "front bearing”.
  • the torque balancing device transmits the working torque to the coupling plate via a flexible coupling system 87 or 37 allowing rotational delignments between the rotor shaft and that of the member balancing torque while decoupling the bending vibrations of the two shafts.
  • stop disc 82 is mounted near the rear bearing 60 to limit the length of the cantilever of the shaft beyond the front bearing.
  • the axial stop and coupling connection bases are one and the same connection base 30.
  • the rotor axial stop and coupling assemblies are constituted by a single transmission part 30, 32, 34 comprising the connection base 30.
  • This base is connected to the inner edge of a transmission disc 32, 34 annular in shape.
  • a central part 34 of this transmission disc constitutes the coupling wall, a peripheral part 32 of this transmission disc constituting the rotary stop.
  • connection base could be mounted around the shaft.
  • the shaft 16 is hollow at least in the vicinity of its front end 17 and the connection base 30 is fixed against the interior surface of this shaft in the vicinity of this end.
  • the rotary stop 32 and the coupling wall extend radially and are then located axially in front of this front end.
  • the bearing surface on the shaft of the connection base 30 can be conical, as shown, or cylindrical. It is mounted by hydraulic or hot press fitting, practically within the range of the front bearing.
  • connection base 30 It is locked axially by an axial screw 46 extending in the connection base 30 and screwing into an internal shoulder 48 of the shaft 6. Adjustment shims 47 make it possible to precisely define the longitudinal position of the connection base 30.

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Abstract

Une poussée de butée axiale et un couple de travail sont transmis à l'arbre (16) du rotor (4) de cette machine par l'intermédiaire d'une même base de raccordement tubulaire (30) portant sur cet arbre. Cette invention s'applique notamment aux turbomachines telles qu'un compresseur centrifuge multiétagé. <IMAGE>

Description

  • Les arbres des rotors de turbomachines telles que les turbines à gaz ou à vapeur et les compresseurs centrifuges ou axiaux portent des organes de travail tels que des roues à aubes. Ces organes assurent une transformation entre une énergie thermique présente dans un milieu de travail typiquement gazeux et une énergie mécanique présente sur l'arbre du rotor.
  • Le rotor d'une telle machine est maintenu en position radiale par des paliers et en position axiale par une butée. Sa liaison en rotation avec d'autres éléments tournants de la machine est assurée par un système d'accouplement transmettant un couple de travail.
  • Dans le cas de machines industrielles comme celles utilisées dans l'industrie du gaz ou du pétrole, on assiste à une augmentation des puissances spécifiques et des performances. Cette augmentation est liée à celle des vitesses de rotation qui atteignent plusieurs dizaines de milliers de tr/mn. Cette augmentation des vitesses de rotation se heurte au problème des vitesses critiques à traverser qui doivent rester en nombre limité pour assurer l'intégrité du rotor. Un but de la présente invention est de donner une possibilité d'élever la valeur de ces vitesses critiques, et par conséquent, d'assurer plus facilement un fonctionnement à performance élevée.
  • Dans le cas par exemple d'un compresseur centrifuge multiétage les organes de travail rotoriques assurant la compression sont des roues à aubes. L'arbre qui les porte est supporté par des paliers qui apportent les caractéristiques dynamiques de raideur et d'amortissement nécessaires à assurer sa stabilité en rotation. Deux types de paliers sont utilisés : les paliers hydrodynamiques à huile et les paliers magnétiques actifs.
  • Les gaz comprimés sont souvent dangereux et doivent être confinés à l'intérieur de l'enveloppe du compresseur. Pour ce faire, une garniture d'étanchéité est interposée à chaque traversée de cette enveloppe par l'arbre. Plusieurs types sont utilisables suivant les applications : bagues à huile, garnitures mécaniques à huile et maintenant, garnitures sèches.
  • La poussée axiale engendrée par la compression est, en partie, compensée par un piston d'équilibrage ; la poussée résiduelle est équilibrée par celle d'une butée axiale, soit à patins lubrifiés à l'huile, soit magnétique.
  • Il est à noter que, bien qu'apportant des avantages indéniables par ailleurs, les composants "secs" (garnitures sèches et paliers magnétiques) apparus récemment sur le marché conduisent à réaliser des rotors plus longs et plus flexibles que précédemment et ayant une masse et un encombrement plus importants.
  • Dans le cas notamment d'une utilisation de ces composants secs, l'accroissement de la vitesse de rotation peut être autorisé par une augmentation de la rigidité globale du rotor par rapport à sa masse. Un moyen bien connu pour atteindre cet objectif consiste à utiliser un arbre de rotor de plus grand diamètre. Mais ce moyen apparaît de manière générale comme coûteux.
  • La présente invention a aussi pour but de permettre de réaliser de manière simple et peu coûteuse un rotor apte à subir des poussées axiales importantes tout en tournant à grande vitesse et en transmettant des couples importants.
  • Elle a pour objet une machine rotative à poussée axiale, cette machine étant caractérisée par le fait qu'une butée tournante et une paroi d'accouplement sont fixées à l'arbre de son rotor par l'intermédiaire d'une même base de raccordement de forme tubulaire portant coaxialement sur cet arbre pour transmettre à cet arbre à la fois une poussée de butée axiale et un couple de travail.
  • Il apparaît que cette invention propose une intégration au moins partielle des pièces rotoriques assurant la fonction d'une butée axiale et celle d'un plateau d'accouplement transmettant le couple de travail. Cette intégration permet de diminuer les masses en porte à faux qui, par leurs effets gyroscopiques notamment, affectent la stabilité dynamique du rotor et réduisent ainsi la plage des vitesses de rotation de la machine.
  • A l'aide des figures schématiques ci-jointes, on va décrire plus particulièrement ci-après, à titre d'exemple non limitatif, comment la présente invention peut être mise en oeuvre.
  • La figure 1 représente une vue en demie coupe axiale d'un compresseur connu.
  • La figure 2 représente une vue en demie coupe axiale d'un compresseur selon cette invention.
  • On va tout d'abord décrire des dispositions qui sont communes à ces deux compresseurs, ceci en se référant à ces deux figures à la fois, les éléments portant des numéros de référence supérieurs à 50 appartenant au compresseur connu de la figure 1, ceux portant des numéros de référence inférieurs à 50 appartenant au compresseur de la figure 2 réalisé selon cette invention. De manière générale, lorsque deux éléments de ces deux compresseurs assurent la même fonction, leurs numéros de référence présentent une différence égale à 50.
  • Selon ces dispositions communes chacun de ces compresseurs comporte les éléments essentiels suivants :
    • Un stator 52 ou 2.
    • Un rotor 54 ou 4 tournant autour d'un axe sensiblement horizontal 56 ou 6 pour effectuer, sur un milieu de travail fluide, un travail tel que ce rotor reçoit de ce milieu à la fois un couple et une poussée axiale. Dans le cas du rotor d'un compresseur centrifuge multiétage agissant sur un milieu de travail gazeux le couple reçu de ce milieu est un couple résistant. Mais un tel couple peut aussi être moteur, par exemple dans le cas du rotor d'une turbine à gaz.
    • Enfin un organe d'équilibrage de couple 58 ou 8 tournant comme ce rotor et lui appliquant un couple de travail équilibrant le couple que ce rotor reçoit du milieu de travail. Ce couple de travail est moteur ou résistant selon que le couple reçu du milieu de travail est résistant ou moteur, l'organe d'équilibrage étant alors un moteur ou un organe entraîné, respectivement.
  • Le stator comporte au moins :
    • deux paliers 60 et 62, ou 10 et 12, pour supporter le rotor,
    • et une pièce statorique de butée axiale 64 ou 14 pour maintenir axialement ce rotor en lui appliquant une poussée de butée axiale.
  • Le rotor comporte au moins les éléments suivants :
    • Un arbre 66 ou 16 s'étendant selon l'axe 56 ou 6.
    • Deux portées de paliers 68 et 70 ou 18, et 20 formées sur cet arbre et coopérant respectivement avec les deux paliers 60 et 62 ou 10 et 12 pour supporter cet arbre. Ces deux portées de paliers définissent entre elles sur cet arbre un segment de travail 72 ou 22.
    • Des organes de travail 74, 76 et 78 ou 24, 26, et 28 montés sur cet arbre dans ce segment de travail pour effectuer ledit travail lorsque ce rotor est en rotation. Leur nombre est variable et fonction des performances demandées.
    • Un ensemble rotorique de butée axiale 80 et 82 ou 30 et 32 comportant d'une part une base de raccordement de butée de forme tubulaire 80 ou 30 portant coaxialement sur cet arbre à l'extérieur de ce segment de travail, d'autre part une butée tournante présentant une partie périphérique 82 ou 32 formant saillie radiale sur cet arbre et sur cette base de raccordement de butée. Cette butée tournante coopére avec la pièce statorique de butée axiale pour transmettre la poussée de butée axiale à cet arbre par l'intermédiaire de cette base de raccordement de butée.
    • Enfin un ensemble rotorique d'accouplement 81 et 84 ou 30 et 34 comportant d'une part une base de raccordement d'accouplement 81 ou 30 de forme tubulaire portant coaxialement sur cet arbre à l'extérieur dudit segment de travail, d'autre part une paroi d'accouplement 84 ou 34 formant saillie radiale sur cet arbre et sur cette base de raccordement d'accouplement. Cette paroi d'accouplement est accouplée à l'organe d'équilibrage de couple 58 ou 8 pour transmettre le couple de travail à cet arbre par l'intermédiaire de cette base de raccordement d'accouplement.
  • La butée tournante et la paroi d'accouplement présentent typiquement les formes respectives d'un disque de butée et d'un plateau d'accouplement. Leurs bases de raccordement sont montées à l'extérieur du segment de travail pour limiter la portée de l'arbre et les masses supportées par celui-ci entre les paliers. Le palier 62 ou 12 le plus proche du plateau d'accouplement sera dit ci-après "palier avant".
  • L'organe d'équilibrage de couple transmet le couple de travail au plateau d'accouplement par l'intermédiaire d'un système d'accouplement flexible 87 ou 37 permettant des délignages en rotation entre l'arbre du rotor et celui de l'organe d'équilibrage de couple tout en découplant les vibrations de flexion des deux arbres.
  • Dans le cas donné en exemple d'un compresseur centrifuge multiétagé les organes de travail du rotor sont des roues à aubes telles que 24, 26 et 28. Le stator comporte alors lui aussi des organes de travail constitués par des couronnes à aubes fixes non représentées coopérant avec ces roues à aubes. Quant au rotor il comporte en outre classiquement :
    • un piston d'équilibrage 86 ou 36 monté sur l'arbre au voisinage des roues pour équilibrer une partie de la poussée axiale reçue du gaz de travail, ces roues et ce piston constituant un ensemble central,
    • deux labyrinthes 88 et 90 ou 38 et 40 montés sur l'arbre dans le segment de travail de part et d'autre de cet ensemble central pour limiter les déplacements du gaz de travail vers les paliers,
    • et deux garnitures d'étanchéité 92 et 94 ou 42 et 44 montées sur l'arbre respectivement entre ces deux labyrinthes et les deux paliers 60 et 62 ou 10 et 12 pour empêcher des fuites du gaz de travail.
  • Dans la machine connue représentée à la figure 1 le disque de butée 82 est monté près du palier arrière 60 pour limiter la longueur de porte à faux de l'arbre au-delà du palier avant.
  • Selon la présente invention les bases de raccordement de butée axiale et d'accouplement sont une seule et même base de raccordement 30.
  • Cette intégration des deux bases de raccordement précedemment utilisées en une seule permet de limiter la masse totale supportée par l'arbre en porte à faux au delà des paliers. Elle supprime tout porte à faux gênant au delà du palier arrière.
  • De préférence les ensembles rotoriques de butée axiale et d'accouplement sont constitués par une seule et même pièce de transmission 30, 32, 34 comportant la base de raccordement 30. Cette base se raccorde au bord intérieur d'un disque de transmission 32, 34 de forme annulaire. Une partie centrale 34 de ce disque de transmission constitue la paroi d'accouplement, une partie périphérique 32 de ce disque de transmission constituant la butée tournante.
  • La base de raccordement pourrait être montée autour de l'arbre. Cependant, de préférence, selon l'invention, l'arbre 16 est creux au moins au voisinage de son extrémité avant 17 et la base de raccordement 30 est fixée contre la surface intérieure de cet arbre au voisinage de cette extrémité. La butée tournante 32 et la paroi d'accouplement s'étendent radialement et sont alors situées axialement en avant de cette extrémité avant.
  • La surface de portée sur l'arbre de la base de raccordement 30 peut être conique, comme représenté, ou cylindrique. Elle est montée par emmanchement hydraulique ou à chaud, pratiquement à l'intérieur de la portée du palier avant.
  • Elle est bloquée axialement par une vis axiale 46 s'étendant dans la base de raccordement 30 et se vissant dans un épaulement interne 48 de l'arbre 6. Des cales de réglage 47 permettent de définir avec précision la position longitudinale de la base de raccordement 30.

Claims (4)

1) Machine rotative à poussée axiale, cette machine étant caractérisée par le fait qu'une butée tournante (32) et une paroi d'accouplement (34) sont fixées à l'arbre (16) de son rotor (4) par l'intermédiaire d'une même base de raccordement (30) de forme tubulaire portant coaxialement sur cet arbre pour transmettre à cet arbre à la fois une poussée de butée axiale et un couple de travail.
2) Machine selon la revendication 1, cette machine comportant :
- un stator (2)
- un rotor (4) tournant autour d'un axe sensiblement horizontal (6) pour effectuer sur un milieu de travail un travail tel que ce rotor reçoit de ce milieu à la fois un couple et une poussée axiale,
- et un organe d'équilibrage de couple (8) tournant comme ce rotor et lui appliquant un couple de travail équilibrant ledit couple que ce rotor reçoit du milieu de travail,
   ce stator comportant au moins :
- deux paliers (10, 12) pour supporter le rotor,
- et une pièce statorique de butée axiale (14) pour maintenir axialement ce rotor en lui appliquant une poussée de butée axiale,
   ce rotor comportant au moins :
- un arbre (16) s'étendant selon ledit axe,
- deux portées de paliers (18, 20) formées sur cet arbre et coopérant respectivement avec les deux dits paliers (10, 12) pour supporter cet arbre, ces deux portées de palier définissant entre elles sur cet arbre un segment de travail (22),
- des organes de travail (24, 26, 28) montés sur cet arbre dans ce segment de travail pour effectuer ledit travail lorsque ce rotor est en rotation,
- un ensemble rotorique de butée axiale (30, 32) comportant d'une part une base de raccordement de butée de forme tubulaire (30) portant coaxialement sur cet arbre à l'extérieur de ce segment de travail, d'autre part une butée tournante présentant une partie périphérique (32) formant saillie radiale sur cet arbre et sur cette base de raccordement de butée, cette butée tournante coopérant avec ladite pièce statorique de butée axiale pour transmettre ladite poussée de butée axiale à cet arbre par l'intermédiaire de cette base de raccordement de butée,
- et un ensemble rotorique d'accouplement (30, 34) comportant d'une part une base de raccordement d'accouplement (30) de forme tubulaire portant coaxialement sur cet arbre à l'extérieur dudit segment de travail, d'autre part une paroi d'accouplement (34) formant saillie radiale sur cet arbre et sur cette base de raccordement d'accouplement, cette paroi d'accouplement étant accouplée audit organe d'équilibrage de couple (8) pour transmettre ledit couple de travail à cet arbre par l'intermédiaire de cette base de raccordement d'accouplement,
   cette machine étant caractérisée par le fait que lesdites bases de raccordement de butée axiale et d'accouplement sont une seule et même base de raccordement (30).
3) Machine selon la revendication 2 caractérisée par le fait que lesdits ensembles rotoriques de butée axiale et d'accouplement sont constitués par une seule et même pièce de transmission (30, 32, 34) comportant ladite base de raccordement (30), cette base se raccordant au bord intérieur d'un disque de transmission (32, 34) de forme annulaire, une partie centrale (34) de ce disque de transmission constituant ladite paroi d'accouplement, une partie périphérique (32) de ce disque de transmission constituant ladite butée tournante.
4) Machine selon la revendication 2, cette machine étant caractérisée par le fait que ledit arbre (16) est creux au moins au voisinage de l'une de ses extrémités constituant une extrémité avant (17), ladite base de raccordement (30) étant fixée contre la surface intérieure de cet arbre au voisinage de cette extrémité avant, lesdites butée tournante (32) et paroi d'accouplement s'étendant radialement et étant situées axialement en avant de cette extrémité avant.
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FR9411365A FR2724974B1 (fr) 1994-09-23 1994-09-23 Machine rotative a poussee axiale

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EP0703366A1 true EP0703366A1 (fr) 1996-03-27
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FR (1) FR2724974B1 (fr)
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EP0703366B1 (fr) 1998-11-18
DE69506069D1 (de) 1998-12-24
DE69506069T2 (de) 1999-05-20
FR2724974A1 (fr) 1996-03-29
NO953728D0 (no) 1995-09-21
NO953728L (no) 1996-03-25
FR2724974B1 (fr) 1996-11-22

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