Spécialisée dans la production et l’application des compresseurs à vapeur
Spécialisé dans la production et l’application des compresseurs à vapeur
Introduction à la structure des compresseurs centrifuges
Les principaux types de compresseurs à vapeur couramment utilisés sont les compresseurs de type Roots, les compresseurs centrifuges et les compresseurs à flux axial. Les ventilateurs centrifuges sont généralement employés comme équipements auxiliaires d’alimentation en air et ne sont pas classés au même titre que les compresseurs. Les compresseurs Roots conviennent principalement aux applications à faible débit, tandis que les compresseurs à flux axial sont conçus pour des conditions de débit élevé et sont le plus souvent configurés en systèmes multi‑étages. Les compresseurs à vapeur les plus largement utilisés sont les ventilateurs centrifuges et les compresseurs centrifuges.
Les principaux types de compresseurs à vapeur couramment utilisés sont les compresseurs de type Roots, les compresseurs centrifuges et les compresseurs à flux axial. Les ventilateurs centrifuges sont généralement employés comme équipements auxiliaires d’alimentation en air et ne figurent pas au même titre que les compresseurs. Les compresseurs Roots conviennent principalement aux applications à faible débit, tandis que les compresseurs à flux axial sont conçus pour des conditions de débit élevé et sont le plus souvent configurés sous forme de systèmes multi-étages. Les compresseurs à vapeur les plus largement utilisés sont les ventilateurs centrifuges et les compresseurs centrifuges.
Les ventilateurs centrifuges peuvent être utilisés dans des conditions de fonctionnement caractérisées par de faibles taux de pression, jusqu’à une valeur maximale de Π = 1,25. À l’instar des compresseurs centrifuges, le gaz entre dans la roue axialement et en sort radialement sous l’action de la force centrifuge. La roue du ventilateur et le carter sont fabriqués en tôle soudée, renforcés par des nervures de rigidification selon les besoins. Un réducteur d’engrenages n’est généralement pas nécessaire, car le système d’entraînement peut atteindre la vitesse de rotation requise de la roue.
Les principales caractéristiques d’un compresseur centrifuge à un étage sont son agencement compact, avec la roue à aubes en porte‑à‑faux, le compresseur et le réducteur montés ensemble. Le moteur, le réducteur et le compresseur sont généralement installés sur une base commune. Le carter du compresseur est soit moulé, soit soudé. En raison de la vitesse périphérique élevée de la roue — supérieure à 400 m/s —, celle-ci est soumise à des contraintes importantes et est donc fabriquée à partir de matériaux de haute qualité, tels que l’acier au chrome‑nickel ou les alliages de titane.
Les compresseurs centrifuges à plusieurs étages sont utilisés dans des applications nécessitant de débits élevés et des élévations de température importantes de la vapeur saturée. Ces compresseurs sont conçus en disposant plusieurs étages le long d’un arbre commun. Après avoir quitté un étage, le gaz traverse un diffuseur et un passage inter‑étages avant d’entrer dans la roue du stade suivant. L’arbre de la roue tourne sur des paliers logés dans le carter et est entraîné par un réducteur hélicoïdal séparé. Afin d’améliorer l’efficacité et d’éviter des températures trop élevées à l’intérieur du carter, de l’eau peut être injectée dans les passages inter‑étages. Pour des taux de pression supérieurs à Π = 10, des unités à un seul étage peuvent également être raccordées en série. Lorsque les roues sont entraînées par un groupe d’entraînement central équipé de plusieurs petits engrenages, le compresseur peut être qualifié de compresseur à deux, trois ou quatre roues.
Impulseur
La roue est de conception cantilever, montée à l’extrémité libre de l’arbre. Selon la configuration du compresseur, on utilise soit des roues semi‑ouvertes, soit des roues fermées. Pour des taux de compression plus faibles — correspondant à des vitesses de pointe plus basses —, les roues fermées sont privilégiées, car elles présentent une courbe de performance plus raide. Les roues peuvent être usinées avec précision ou fabriquées par soudage. Les aciers inoxydables duplex, qui allient résistance à la corrosion et résistance mécanique requise, sont couramment employés ; d’autres aciers alliés au chrome‑nickel ainsi que des matériaux spécialisés, tels que les alliages de titane, peuvent également être spécifiés.
Volute
Après avoir été accéléré, le gaz quitte la roue et s’écoule dans la volute ainsi que dans le diffuseur tubulaire, où sa vitesse diminue et où son énergie cinétique élevée est convertie en pression statique. Le carter d’un compresseur centrifuge est généralement fabriqué par moulage ou soudage à partir d’un acier allié au chrome‑nickel ; il convient de choisir avec soin l’épaisseur du carter et les dimensions des éléments de renforcement externes afin de veiller à ne pas dépasser les déformations admissibles, un aspect particulièrement crucial en régime de vide.
Boîte de vitesses
Les engrenages hélicoïdaux du compresseur sont intégrés à l’ensemble du compresseur. Par conséquent, aucun accouplement n’est nécessaire entre les engrenages et l’arbre du compresseur. Des rondelles de butée sont montées sur l’arbre du pignon haute vitesse ; elles transmettent toute poussée axiale résiduelle à l’arbre principal basse vitesse.
Roulements et système de lubrification
Les paliers d’un compresseur centrifuge doivent garantir des conditions de fonctionnement stables et sans vibrations, afin de résister à la rotation à grande vitesse de l’arbre du pignon. En conséquence, des paliers à film d’huile à patins radiaux basculants sont utilisés pour l’arbre du pignon haute vitesse, tandis que l’arbre principal de l’engrenage tourne sur des paliers hydrodynamiques multi‑surfaces, et que des paliers axiaux assurent le support de la poussée axiale restante.
Les roulements sont lubrifiés par de l’huile sous pression. À cette fin, un système de lubrification standardisé a été installé, comprenant un réservoir d’huile, une pompe à huile principale, une pompe à huile auxiliaire, un filtre à huile et un refroidisseur d’huile.
Dispositif de conduite
Une variété de machines motrices peut être utilisée pour entraîner les unités de recompression à la vapeur. Pour chaque condition de fonctionnement, le dispositif d’entraînement est choisi en fonction de son rendement et du type d’énergie disponible. Les moteurs électriques sont couramment employés comme moyens d’entraînement, offrant des avantages notables tels que des types et des dimensions d’enceintes standardisés, des rapports puissance‑poids et puissance‑volume faibles, des ratios prix‑performance favorables, ainsi que des besoins de maintenance réduits.
Deux types de moteurs asynchrones triphasés peuvent être utilisés : les moteurs basse tension et les moteurs haute tension. En général, sous des tensions d’alimentation de 400 V ou 690 V, les moteurs basse tension peuvent fonctionner à des puissances nominales de 630 kW ou 1 250 kW, respectivement. Les moteurs haute tension, associés à des variateurs de fréquence, sont adaptés aux applications jusqu’à environ 10 000 kW. Les moteurs asynchrones triphasés peuvent être exploités à vitesse variable lorsqu’ils sont équipés d’un variateur de fréquence.
Si la vapeur de rebut peut être récupérée et réutilisée, il est également recommandé d’employer une turbine à vapeur à vitesse variable comme machine motrice du compresseur. Dans ce cas, bien que le rendement d’une turbine à vapeur à un étage soit relativement faible, cette considération devient secondaire lorsque le prix constitue un facteur déterminant.
Équipements de surveillance et de sécurité
Afin de détecter les conditions anormales pendant le fonctionnement du compresseur, d’émettre des alertes précoces en cas d’usure des équipements et de prévenir les dommages mécaniques, de nombreux dispositifs de surveillance et de sécurité sont nécessaires. Ils comprennent généralement les éléments suivants :
- Vitesse de la roue à aubes
- Surveillance des vibrations
- Niveau du réservoir de carburant
- Pompe à huile
- Refroidisseur d'huile
- Différentiel de pression du filtre à huile
- Débit d'huile
- Température du roulement
- Température du bobinage du moteur
- Température du roulement du moteur électrique
- Température du carter du compresseur
- Indicateur de déplacement axial de l’arbre
- Évacuation du condensat
- Protection contre les surtensions pour compresseurs centrifuges
Contrôle du compresseur
Les unités d’évaporation généralement chauffées par recompression mécanique de la vapeur peuvent fonctionner de manière stable dans une certaine plage, même lorsque des paramètres tels que le débit massique, la pression et la température varient au fil du temps. Étant donné qu’il est souvent souhaitable de faire varier la capacité d’évaporation sur une large gamme — c’est‑à‑dire de fonctionner à charge partielle —, il est nécessaire d’ajuster en conséquence le taux de chauffage. Les modifications de la capacité de traitement de l’unité sont obtenues en modifiant le profil de répartition de la température ou de la pression. La conception du compresseur doit concilier ces variations de fonctionnement avec les exigences de conception. Les performances de l’unité sont caractérisées par des courbes dites caractéristiques de l’équipement ou courbes de performance, qui illustrent la relation entre la surchauffe requise de la vapeur saturée et le débit massique de vapeur d’entrée. Dans la plupart des cas, les performances de l’unité doivent être déterminées par des essais expérimentaux, ou tout au moins estimées. Pour un fonctionnement optimal d’un système de recompression de vapeur, les courbes caractéristiques de l’évaporateur et du compresseur doivent être mises en correspondance.
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