EP0703366B1 - Machine rotative à poussée axiale - Google Patents
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- F04D29/054—Arrangements for joining or assembling shafts
Definitions
- the shafts of turbine engine rotors such as gas or steam turbines and centrifugal compressors or axial ones carry working elements such as wheels paddle. These organs ensure a transformation between a thermal energy present in a workplace typically gaseous and mechanical energy present on the rotor shaft.
- the rotor of such a machine is held in position radial by bearings and in axial position by a stop. Its connection in rotation with other rotating elements of the machine is ensured by a coupling system transmitting a couple of work.
- An object of the present invention is to give a possibility to raise the value of these speeds critical, and therefore more easily ensure a high performance operation.
- the rotor working members ensuring the compression are impellers.
- the tree that carries them is supported by bearings which provide the dynamic stiffness and damping characteristics necessary to ensure its stability in rotation.
- bearings Two types bearings are used: hydrodynamic bearings with oil and active magnetic bearings.
- Compressed gases are often dangerous and must be confined within the compressor casing. To do this, a seal is interposed at each crossing of this envelope by the tree. Many types can be used depending on the applications: oil, mechanical oil seals and now, dry fillings.
- the axial thrust generated by the compression is, in part, compensated by a balancing piston; the thrust residual is balanced by that of an axial stop, i.e. with pads lubricated with oil, either magnetic.
- the present invention also aims to allow simply and inexpensively produce a rotor capable of experience significant axial thrusts while turning high speed and transmitting large torques.
- this invention provides a at least partial integration of 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 door masses to false which, by their gyroscopic effects in particular, affect the dynamic stability of the rotor and thus reduce the range of machine rotational speeds.
- Figure 1 shows a view in half axial section of a known compressor.
- Figure 2 shows 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 and a coupling plate. Their bases of connection are mounted outside the segment of work to limit the range of the tree and the masses supported by it between the bearings. Landing 62 or 12 closest to the coupling plate will be said below "front landing”.
- the torque balancing device transmits the torque from work on the coupling plate via a flexible coupling system 87 or 37 allowing rotational edgings between the rotor shaft and that of the torque balancing member while decoupling the bending vibrations of the two shafts.
- the thrust disc 82 is mounted near the rear bearing 60 to limit the length of the tree overhang beyond the front landing.
- connection bases axial stop and coupling are one and the same connection base 30.
- the axial stop rotor assemblies and coupling consist of one and the same transmission part 30, 32, 34 comprising the base of connection 30.
- This base is connected to the inner edge a transmission disc 32, 34 of annular 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 tree.
- the shaft 16 is hollow at least near its end front 17 and the connection base 30 is fixed against the inner surface of this tree 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 base shaft connection 30 can be conical, as shown, or cylindrical. It is mounted by hydraulic fitting or hot, practically within the bearing range before.
- connection base 30 It is locked axially by an axial screw 46 extending into the connection base 30 and screwing in an internal shoulder 48 of the shaft 6. Wedges of setting 47 allow precise positioning longitudinal of the connection base 30.
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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 apparaít 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, présentant les caractéristiques de la revendication 1.
Il apparaít 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 entraíné, 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 (2)
- Machine rotative à poussée axiale, cette machine comportant :ce stator comportant au moins :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 rotor 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,cette machine étant caractérisée par le fait que ladite base de raccordement (30) se raccorde 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.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 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 ladite base de raccordement, 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,
- Machine selon la revendication 1, 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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