FR2552501A1 - Multistage centrifugal compressor - Google Patents

Abstract

The multi-stage centrifugal compressor comprises a housing (10) with a flow path (22) from inlet (12) to outlet (16) passing through successive bladed stages (14) of the rotor on the drive shaft (20). This path comprises successive inter-stage portions defined by partitions (26,28,30,32; 34,33) in the housing. At least one (32,33) of these partitions has an annular disc, secured by screws to a partition (33), which has a side facing upstream and downstream side and is provided with axial bores to equalise the pressure between these sides.

Description

Le domaine de la technique concerné par la présente invention est celui des turbomachines et celui de la construction des éléments de telles machines. The field of technology concerned with the present invention is that of turbomachinery and that of the construction of the elements of such machines.

Les compresseurs centrifuges à plusieurs étages sont utilisés pour une grande diversité d'applications qui nécessitent un débit volumique important,à haute pression,d'un gaz particulier. Dans une grande mesure, de tels compresseurs sont dimensionnés et fabriqués à la demande pour répondre aux spécifications du client, les tolérances et configurations des divers éléments étant étroitement respectées afin d'assurer les performances nominales prévues de l'équipement. Multistage centrifugal compressors are used for a wide variety of applications which require a high volume flow rate, at high pressure, of a particular gas. To a large extent, such compressors are sized and manufactured on demand to meet customer specifications, with the tolerances and configurations of the various components being closely observed to ensure the expected nominal performance of the equipment.

Malgré la précision de fabrication, un problème a été reconnu corime étant lié aux largeurs de diffuseur relativement étroites de tels compresseurs, par exemple dans le dernier étage d'un compresseur à passage direct du type à corps cylindrique ou d'un compresseur du type à deux éléments montés dos à dos.Spécifiquement, on a trouvé que, dans de tels compresseurs,au moins une paroi du diffuseur du dernier étage a tendance à entre l'objet d'une déformation, résultant des contraintes imposées aux pressions de fonctionnement relativement élevées, qui provoque un agrandissement de la largeur au-delàdes dimensions nominales.L'accroissement résultant de la largeur d'écoulement du diffuseur peut typiquement être de l'ordre de 0,03 pouce environ (0,076 cm) à des pressions différentielles manométriques de 30 livres par pouce carré (207 kPa) dans un compresseur dont le corps a un diamètre de 60 pouces (150 cm) ou de l'ordre de 0,04 pouce environ (0,102 cm) à des pressions différentielles manométriques de 300 livres par pouce carré (2.007 kpa.) dans un corps de 24 pouces (60 cm) de diamètre. Despite the manufacturing precision, a problem has been recognized which is related to the relatively narrow diffuser widths of such compressors, for example in the last stage of a direct-flow compressor of the cylindrical body type or of a compressor of the two elements mounted back to back. Specifically, it has been found that, in such compressors, at least one wall of the top stage diffuser tends to be subject to deformation, resulting from the constraints imposed at relatively high operating pressures. , which causes an enlargement of the width beyond the nominal dimensions. The increase resulting from the flow width of the diffuser can typically be of the order of about 0.03 inch (0.076 cm) at differential pressure pressures of 30 pounds per square inch (207 kPa) in a compressor whose body is 60 inches (150 cm) in diameter or about 0.04 inch (0.102 cm) at differential pressure ics of 300 pounds per square inch (2,007 kpa.) in a body 24 inches (60 cm) in diameter.

De tels changements de largeur du diffuseur sont, naturellement, indésirables en ce sens qu'ils ont tendance à porter atteinte aux performances nominales du compresseur dans l'étage en cause. Bien que le problème ait été reconnu on ne connaissait jusqu'à présent aucune solution permettant de le résoudre. Such changes in width of the diffuser are, of course, undesirable in the sense that they tend to affect the nominal performance of the compressor in the stage in question. Although the problem has been recognized, no solution has so far been known to solve it.

La présente invention se rapporte à des perfectionnements apportés à des compresseurs centrifuges et elle a trait plus particulièrement à une construction de compresseur centrifuge capable de maintenir une largeur de diffuseur approximativement constante dans des conditions de fonctionnement pour lesquelles des accroissement incontrôlés de la largeur sont constatés dans les compresseurs connus. The present invention relates to improvements made to centrifugal compressors and it relates more particularly to a construction of centrifugal compressor capable of maintaining an approximately constant diffuser width under operating conditions for which uncontrolled increases in width are observed in known compressors.

Ce but est atteint, conformément à l'invention,en construisant une paroi du diffuseur intéressé au moyen d'une plaque de diffuseur annulaire qui y est fixée en place dans une disposition écartée de la surface du diaphragme, à la largeur prévue. Pour éviter les effets de déformation nuisibles des pressions différentielles élevées imposées par le courant de gaz, la face arrière de la plaque de diffuseur comporte un évidement s'étendant radialement qui coopère avec la paroi support à cet emplacement pour délimiter une cavité annulaire. Un équilibre de pression entre les faces avant et arrière de la plaque de diffuseur est obtenu au moyen d'une série d'alésages axiaux circonférentiellement espacés s'étendant entre les faces.Etant donné que l'équilibre de pression égalise pratiquement les valeurs de pression auxquelles les deux faces de la plaque de diffuseur sont exposées, le problème de déformation précédemment provoqué par les forces de pression différentielles imposées est en grande partie sinon complètement éliminé. This object is achieved, in accordance with the invention, by constructing a wall of the diffuser concerned by means of an annular diffuser plate which is fixed therein in an arrangement spaced from the surface of the diaphragm, at the width provided. To avoid the harmful deformation effects of the high differential pressures imposed by the gas stream, the rear face of the diffuser plate has a radially extending recess which cooperates with the support wall at this location to delimit an annular cavity. A pressure balance between the front and rear faces of the diffuser plate is obtained by means of a series of circumferentially spaced axial bores extending between the faces. Since the pressure balance almost equalizes the pressure values to which both sides of the diffuser plate are exposed, the problem of deformation previously caused by the differential pressure forces imposed is largely if not completely eliminated.

Par conséquent, l'un des buts de la présente invention est d'apporter un perfectionnement à la construction d'un compresseur centrifuge qui permette de maintenir une largeur de diffuseur approximativement constante dans des conditions de fonctionnement pour lesquelles des accroissement indésirables des largeurs des diffuseurs se produisaient antérieurement. Consequently, one of the aims of the present invention is to bring an improvement to the construction of a centrifugal compressor which makes it possible to maintain an approximately constant width of diffuser under operating conditions for which undesirable increases in the widths of diffusers occurred previously.

Un autre but de l'invention est de réaliser le but précédent au moyen d'une construction relativement simple qui apporte une solution économique à un problème qui existait de longue date. Another object of the invention is to achieve the preceding object by means of a relatively simple construction which provides an economical solution to a problem which has existed for a long time.

D'autres caractéristiques de l'invention apparaitront à la lecture de la description qui va suivre et à l'examen des dessins annexés dans lesquels:
la Fig. 1 est une vue en coupe longitudinale d'un compresseur centrifuge du type à passage direct mettant en oeuvre la présente invention;
la Fig. 2 est une vue en coupe longitudinale d'un compresseur du type à deux éléments montés dos à dos mettant en oeuvre la présente invention;
la Fig. 3 est une vue en coupe à plus grande échelle des parties encerclées 3 des Fig. 1 et 2; et
la Fig. 4 est une vue partielle prise approximativement suivant les lignes 4-4 de la Fig. 3.Other characteristics of the invention will appear on reading the description which follows and on examining the appended drawings in which:
Fig. 1 is a view in longitudinal section of a centrifugal compressor of the direct passage type implementing the present invention;
Fig. 2 is a view in longitudinal section of a compressor of the type with two elements mounted back to back implementing the present invention;
Fig. 3 is an enlarged sectional view of the encircled parts 3 of FIGS. 1 and 2; and
Fig. 4 is a partial view taken approximately along lines 4-4 of FIG. 3.

Sur la Fig. 1 des dessins à laquelle on se référera main tenant,on a représenté un compresseur centrifuge à plusieurs étages du type comportant un carter 10 qui délimite un trajet d'écoulement s'étendant depuis un orifice d'entrée 12 en communication avec une série d'étages 14 qui aboutissent à un orifice de refoulement 16. Les étages 14 sont constitués par une série de roues ou impulseurs 18 axialement espacésfixés à un arbre rotatif 20. Les étages sont disposés suivant une communication d'écoulement en série l'un avec l'autre et chaque impulseur refoule un gaz à grandevites-seà sa périphérie. L'énergie transmise au gaz crée une montée de pression lorsque la vitesse d'écoulement diminue dans la section de diffuseur 22 immédiatement en aval de l'impulseur.A la sortie du diffuseur,un aubage de guidage fixe 24 dirige l'écoulement de façon qu'il pénètre correctement dans l'étage sui vant contenant l'impulseur suivant 18. In Fig. 1 of the drawings to which reference will now be made, a multistage centrifugal compressor of the type comprising a casing 10 which delimits a flow path extending from an inlet orifice 12 in communication with a series of stages 14 which lead to a discharge orifice 16. The stages 14 are constituted by a series of wheels or impellers 18 axially spaced fixed to a rotary shaft 20. The stages are arranged in a flow communication series with one other and each impeller delivers a gas at high speed at its periphery. The energy transmitted to the gas creates a pressure increase when the flow speed decreases in the diffuser section 22 immediately downstream of the impeller. At the outlet of the diffuser, a fixed guide blade 24 directs the flow so that it penetrates correctly into the next stage containing the following impeller 18.

Entre chaque paire d'étages d'impulseur est disposé un diaphragme fixe, ces diaphragmes étant désignés respectivement par les réfdrences 26, 28, 30 et 32 et assurant le support des éléments fixes utilisés entre les impulseurs,tels que les faces de diffuseur, les aubages de guidage,les coudes de retour, les joints à labyrinthe etc... A chaque diaphragme est associé, dans le trajet d'écoulement entrant dans l'aubage suivant 24, un intervalle d'écoulement d'une largeur prédéterminée formé entre la surface du diaphragme et la partie 34 en forme de bulle située à cet emplacement.Comme on peut le remarquer, les largeurs des diffuseurs immédiatement en aval des impulseurs, à une distance périphérique commune, diminuent progressivement depuis le premier étage à pression relativement basse, à l'emplacement du diaphragme 26,jusqu'd l'étage final à pression relativement élevées l'emplacement du diaphragme 32. Aux fins de l'explication, on admettra que la largeur nominale prévue à l'emplacement du diaphragme 32 a une dimension X et que, pour maintenir la dimension X approximativement constante, on utilise une construction 35 conformément à l'invention, que l'on décrira ci-après. Between each pair of impeller stages is disposed a fixed diaphragm, these diaphragms being designated respectively by references 26, 28, 30 and 32 and ensuring the support of the fixed elements used between the impellers, such as the diffuser faces, the guide vanes, return bends, labyrinth seals, etc. With each diaphragm is associated, in the flow path entering the next vane 24, a flow interval of a predetermined width formed between the diaphragm surface and the bubble-shaped part 34 located at this location. As can be seen, the widths of the diffusers immediately downstream of the impellers, at a common peripheral distance, gradually decrease from the first stage at relatively low pressure, at the location of the diaphragm 26, up to the final stage at relatively high pressure the location of the diaphragm 32. For the purposes of the explanation, it will be assumed that the nominal width provided at the location d a diaphragm 32 has an X dimension and that, in order to keep the X dimension approximately constant, a construction 35 is used in accordance with the invention, which will be described below.

La Fig. 2 est une vue en coupe comparable à celle de la Fig. 1 qui représente un compresseur du type à deux élé- ments montés dos à dos qui comporte un carter 36 qui comprend un orifice 38 d'admission de premier élément, un orifice 40 de refoulement de premier élément, un orifice 42 d'admission de second élément et un orifice de refoulement 44 de second élément, les éléments étant séparés par une cloison de séparation 46. Comme dans la construction de la Fig. 1, chaque élément comprend plusieurs étages successifs 14 qui comprennent des impulseurs espacés 18 fixés à un arbre reta- tif 20. Une communication d'écoulement en série est assurée entre les étages et l'impulseur de chaque étage refoule un gaz à grande vitesse à sa périphérie.Entre chaque paire d'étages à impulseur dans chacun des éléments est disposé un diaphragme fixe, les diaphragmes ayant été désignés par les référence 26', 28', 30', 32' et 48' pour le premier élément et par les références 26", 28", 30", 32" et 50" pourle second élément et servant à maintenir la largeur de leurs diffuseurs 22 respectifs. Fig. 2 is a sectional view comparable to that of FIG. 1 which represents a compressor of the two-element type mounted back to back which comprises a casing 36 which comprises an orifice 38 for the admission of first element, an orifice 40 for discharging the first element, an orifice 42 for admission of the second element and a discharge port 44 of the second element, the elements being separated by a partition 46. As in the construction of FIG. 1, each element comprises several successive stages 14 which include spaced impellers 18 fixed to a retaining shaft 20. A series flow communication is ensured between the stages and the impeller of each stage discharges a gas at high speed at its periphery.Between each pair of impeller stages in each of the elements is disposed a fixed diaphragm, the diaphragms having been designated by the references 26 ', 28', 30 ', 32' and 48 'for the first element and by the references 26 ", 28", 30 ", 32" and 50 "for the second element and serving to maintain the width of their respective diffusers 22.

Le diffuseur situé entre la cloison de séparation 46 et le diaphragme 50" est formé par une construction selon l'invention, désignée par la référence 35 et que l'on décrira ciaprès.The diffuser located between the partition 46 and the diaphragm 50 "is formed by a construction according to the invention, designated by the reference 35 and which will be described below.

Comme représenté sur les Fig. 3 et 4 auxquelles on se référera maintenant, on maintient une largeur constante X du diffuseur 22 du dernier étage des modes de réalisation des
Fig. 1 et 2 conformément à la présente invention au moyen d'une plaque de diffuseur annulaire 54 reçue dans un évde- ment annulaire 56 étroitement dimensionné formé dans le dia phragme 32 ou dans la cloison de séparation 46. Face àcette plaque, pour former le diffuseur, est disposée une paroi à aubage coopérante 38,ou respectivement,un diaphragme coopérant 50.La plaque 54 de diffuseur est fixée et positionnée,de manière stre et avec précision, au moyen d'une série de boulons 58 disposés en cercle,à la paroi opposée à cet emplacement,avec interposition de manchons 60 dont la longueur ou épaisseur correspond à la dimension X du diffuseur que l'on charche à maintenir constante. Un joint d'étanchéité torique o2 maintient l'étanchéité à la pression.As shown in Figs. 3 and 4 to which we will now refer, a constant width X of the diffuser 22 of the last stage of the embodiments of the
Fig. 1 and 2 in accordance with the present invention by means of an annular diffuser plate 54 received in a closely dimensioned annular event 56 formed in the diaphragm 32 or in the partition wall 46. Facing this plate, to form the diffuser , is arranged a wall with cooperating blade 38, or respectively, a cooperating diaphragm 50. The diffuser plate 54 is fixed and positioned, securely and precisely, by means of a series of bolts 58 arranged in a circle, at the wall opposite to this location, with the interposition of sleeves 60 whose length or thickness corresponds to the dimension X of the diffuser which one strives to maintain constant. An o2 O-ring maintains pressure tightness.

Pour que la plaque 54 de diffuseur soit efficace aux fins de la présente invention, sa face arrière comporte un évidement annulaire 64 s'étendant radialement qui, en coopération avec la paroi en retrait 56,délimite une cavité annulaire 65. Au moyen d'une série de passages de communication 66 s'étendant axialement et disposés radialement pour produire un équilibre de pression moyen, la pression P1 régnant dans le diffuseur 22 est continuellement transmise à la cavité 65 de sorte que la valeur de la pression P2 qui règne dans cette cavité est égale à la valeur de la pression P qui règne dans le diffuseur ou très proche de cette valeur.Par conséquent, grSce à cet agencement, un équilibre de pression entre les faces avant et arrière de la plaque de diffuseur est approximativement maintenue empêchant, de ce fait, sa déformation indésirable comme elle se produisait de manière à accroitre la largeur du diffuseur dans la technique antérieure. In order for the diffuser plate 54 to be effective for the purposes of the present invention, its rear face has an annular recess 64 extending radially which, in cooperation with the recessed wall 56, delimits an annular cavity 65. By means of a series of communication passages 66 extending axially and arranged radially to produce an average pressure balance, the pressure P1 prevailing in the diffuser 22 is continuously transmitted to the cavity 65 so that the value of the pressure P2 which prevails in this cavity is equal to or very close to the value of the pressure P prevailing in the diffuser. Consequently, thanks to this arrangement, a pressure balance between the front and rear faces of the diffuser plate is approximately maintained preventing, this fact, its undesirable deformation as it occurred so as to increase the width of the diffuser in the prior art.

On a décrit ci-dessus un nouveau perfectionnement apporté à un compresseur centrifuge qui permet de maintenir une largeur de diffuseur approximativement constante dans des conditions semblables à celles dans lesquelles les diffuseurs classiques de la technique antérieure ont été l'objet d'accroissements indesirables de leur dimension en largeur. En maintenant constante la largeur du diffuseur de la manière décrite cidessus, on obtient cet avantage que l'étage intéressé est capable de répondre aux spécifications nominales sans perte attribuables à des accroissements de largeur incontrôlés, comme -ceci était antérieurement le cas. En même temps, la construction de l'invention est relativement simple et économique à mettre en oeuvre pour obtenir le résultat recherché qui est d'améliorer le rendement du compresseur. We have described above a new improvement made to a centrifugal compressor which makes it possible to maintain an approximately constant diffuser width under conditions similar to those in which the conventional diffusers of the prior art have been subject to undesirable increases in their width dimension. By keeping the width of the diffuser constant as described above, this advantage is obtained that the stage concerned is capable of meeting the nominal specifications without loss attributable to uncontrolled increases in width, as was previously the case. At the same time, the construction of the invention is relatively simple and economical to implement in order to obtain the desired result which is to improve the efficiency of the compressor.

Etant donné que l'on peut apporter de nombreux changements à la construction décrite ci-dessus et que l'on pourrait réali- ser de nombreux modes de réalisation de cette invention en apparence largement différents sans sortir de son cadre, il est bien entendu que tout ce qui est contenu dans la description et les dessins doit être considéra comme donné à titre d'illustration et ne doit pas être interprété dans un sens limitatif.  Since many changes can be made to the construction described above and many seemingly widely different embodiments of this invention could be made without departing from its scope, it is understood that all that is contained in the description and the drawings must be regarded as given by way of illustration and must not be interpreted in a limiting sense.

Claims (9)

REVENDICATIONS 1 - Un compresseur centrifuge à plusieurs étages pour comprimer un courant de fluide, comprenant un corps (10; 36) qui délimite un trajet d'écoulement depuis un orifice d'entrée (12; 38, 42) jusqu'à un orifice de sortie (16; 40, 44),un impulseur (18) à plusieurs étages (14) monté dans le trajet d'écoulement et des parois coopérantes (54. 33, 50) délimitant un diffuseur fixe (22) qui s'étend en aval par rapport à l'impulseur (18ira chaque étage (14), caractérisé encequ'au moins l'une des parois coopérantes d'au moins l'un des étages comprend une plaque annulaire (54) ayant une surface avant orientée vers le trajet d'écoulement du fluide à travers le diffuseur et une surface arrière opposée orientée en éloignement du trajet d'écoulement du fluide a travers le diffuseur et des moyens (66) servant à appliquer à la surface arrière une pression (P2) qui est approximativement égale à la pression de fluide (P1) appliquée à la surface avant.1 - A multistage centrifugal compressor for compressing a fluid stream, comprising a body (10; 36) which delimits a flow path from an inlet orifice (12; 38, 42) to an outlet orifice (16; 40, 44), a multistage impeller (18) mounted in the flow path and cooperating walls (54, 33, 50) delimiting a fixed diffuser (22) which extends downstream relative to the impeller (18ira each stage (14), characterized in that at least one of the cooperating walls of at least one of the stages comprises an annular plate (54) having a front surface oriented towards the path d fluid flow through the diffuser and an opposite rear surface oriented away from the fluid flow path through the diffuser and means (66) for applying pressure (P2) to the rear surface which is approximately equal to the fluid pressure (P1) applied to the front surface. 2 - Compresseur centrifuge à plusieurs étages selon la revendication 1, caractérisé en ce que ladite plaque (54) formant paroi forme l'une des parois coopérantes et s'étend approximativement radialement sur la même étendue que la paroi opposée (33; 50) avec laquelle elle coopère pour délimiter le diffuseur (22) à cet emplacement et en ce qu'il comporte des moyens de communication fluidique (66) qui transmettent continuellement la pression de fluide entre les surfaces opposées de la plaque (54) pour assurer cette égalisation approximative des pressions.2 - Multistage centrifugal compressor according to claim 1, characterized in that said plate (54) forming a wall forms one of the cooperating walls and extends approximately radially over the same extent as the opposite wall (33; 50) with which it cooperates to delimit the diffuser (22) at this location and in that it comprises fluid communication means (66) which continuously transmit the fluid pressure between the opposite surfaces of the plate (54) to ensure this approximate equalization pressures. 3 - Compresseur centrifuge à plusieurs étages selon la revendication 2, caractérisé en ce que la surface arrière de la plaque (54) comporte des moyens (64) qui délimitent une cavité annulaire (65) s'étendant radialement en communication avec les moyens de communication fluidique (66).3 - Multistage centrifugal compressor according to claim 2, characterized in that the rear surface of the plate (54) comprises means (64) which delimit an annular cavity (65) extending radially in communication with the communication means fluidics (66). 4 - Compresseur centrifuge à plusieurs étages selon la revendication 3, caractérisé en ce que les moyens de communication fluidique (66) comprennent plusieurs passages espacés (66) qui s'étendent entre les surfaces opposées de la plaque (54) formant paroi. 4 - Multistage centrifugal compressor according to claim 3, characterized in that the fluid communication means (66) comprise several spaced passages (66) which extend between the opposite surfaces of the plate (54) forming the wall. 5 - Compresseur centrifuge à plusieurs étages selon la revendication 4, caractérisé en ce que la plaque (54) formant paroi est positionnée dans un évidement annulaire (56) formé axialement vers l'intérieur dans une paroi annulaire (32; 46) adjacente au diffuseur (22).5 - Multistage centrifugal compressor according to claim 4, characterized in that the plate (54) forming the wall is positioned in an annular recess (56) formed axially inwards in an annular wall (32; 46) adjacent to the diffuser (22). 6 - Compresseur centrifuge à plusieurs étages selon la revendication 5, caractérisé en ce que l'étage dont l'une au moins des parois de diffuseur coopérantes comporte une plaque annulaire (54) est le dernier étage du compresseur.6 - Centrifugal multistage compressor according to claim 5, characterized in that the stage, at least one of the cooperating diffuser walls of which comprises an annular plate (54) is the last stage of the compressor. 7 - Compresseur centrifuge à plusieurs étages selon la revendication 6, caractérisé en ce que le compresseur est du type à passage direct et la paroi annulaire qui comprend un évidement dans lequel est positionnée ladite plaque (54) est le diaphragme (22) de cet étage.7 - Multistage centrifugal compressor according to claim 6, characterized in that the compressor is of the direct passage type and the annular wall which comprises a recess in which is positioned said plate (54) is the diaphragm (22) of this stage . 8 - Compresseur centrifuge à plusieurs étages selon la revendication 6, caractérisé en ce que le compresseur est du type à deux éléments montés dos à dos ayant des premier et second éléments, l'étage dont l'une au moins des parois de diffuseur coopérantes comporte une plaque annulaire (54) est le dernier étage du second élément et la paroi annulaire qui comprend un évidement dans lequel est positionnée ladite plaque est la cloison de séparation (46) entre les éléments.8 - Multistage centrifugal compressor according to claim 6, characterized in that the compressor is of the type with two elements mounted back to back having first and second elements, the stage of which at least one of the cooperating diffuser walls comprises an annular plate (54) is the last stage of the second element and the annular wall which comprises a recess in which is positioned said plate is the partition (46) between the elements. 9 - Compresseur centrifuge à plusieurs étages selon l'une des revendications 2, 3 et 4, caractérisé en ce qu'il comporte une série d'organes de fixation (58, 60) s'étendant transversalement entre ladite plaque (54) formant paroi et l'autre paroi coopérante pour fixer lesdites plaques et paroi espacées l'une de l'autre de la largeur nominale du diffuseur (22). 9 - Multistage centrifugal compressor according to one of claims 2, 3 and 4, characterized in that it comprises a series of fixing members (58, 60) extending transversely between said plate (54) forming a wall and the other cooperating wall for fixing said plates and wall spaced from each other by the nominal width of the diffuser (22).