Un Dispositif de Lubrification Centrifuge Ameliore pour Compresseurs Frigorifiques

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1 KV-0402-F-GB Un Dispositif de Lubrification Centrifuge Ameliore pour Compresseurs Frigorifiques An Enhanced Centrifugal Lubrication System for Refrigeration Compressors édition spéciale special edition

2 Un Dispositif de Lubrification Centrifuge Ameliore pour Compresseurs Frigorifiques An Enhanced Centrifugal Lubrication System for Refrigeration Compressors Jusqu'à présent, les compresseurs frigorifiques pourvus d'un arbre en position horizontale étaient souvent équipés d'une pompe à huile mécanique, plus précisément les compresseurs équipés d'un moteur électrique d'une puissance nominale d'au moins 5.5 kw. Nous vous présentons, ci-dessous, un dispositif de lubrification centrifuge amélioré qui a démontré toute son efficacité et ses nombreux avantages. In the past, refrigeration compressors with horizontal shafts were often designed with positive displacement lubrication, especially larger compressors with a rated motor power of 5 kw and up. In the following an enhanced centrifugal lubrication system is presented, which has proven to be highly efficient and advantageous. 1 Fondamentaux 1 Basics Dans les compresseurs frigorifiques, comme pour toutes autres machines à pistons, plusieurs rôles sont dévolus à l'huile ; ils ont plus ou moins d'importance en relation avec le fluide frigorigène choisi: Lubrification - transfert d'énergie - surfaces suffisamment séparées - (frictions minimisées) Refroidissement - moins significatif pour les HFC - beaucoup plus pour le NH 3, CO 2, par exemple Nettoyage - garde les surfaces de glissement propres - supprime l'abrasion Etanchéité - taux de fuite réduit dans la chambre de compression Amortissement - réduction de la création et de la transmission du bruit Dans toutes les situations où 2 pièces sont en charge et pour les paliers ( palier dans ce cas est pris au sens large et comprend bien entendu les bagues de palier mais aussi les ensembles bielle-excentrique), il est admis que la présence d'huile de lubrification multiplie au moins par 10 la durabilité de la machine, comparativement à un fonctionnement sans huile. Pour les compresseurs frigorifiques, l'absence d'oxygène dans les circuits réduit considérablement le vieillissement de l'huile et par conséquent l'usure du compresseur. Correctement utilisé, un compresseur de qualité peu aisément fonctionner plus de heures. In refrigeration compressors, as in all piston machines, several tasks are assigned to the "machine element oil", whereas its weighting varies according to the refrigerant: Lubrication - transfer of energy - sufficiently separate surfaces - (minimise friction) Cooling - less for HFC refrigerants - more e.g. for NH 3 and CO 2 Cleaning - keep sliding faces clean - dispose abrasion Sealing - reduce leakage rate in compression chamber Damping - reduce noise development and transmission For all contact compression processes and bearings it is assumed that the application of oil lubrication increases the machine's durability at least tenfold, compared to dry operation. In the case of refrigeration compressors it has to be considered that the absence of oxygen within the refrigerant circuit reduces the compressors' wear and ageing of oil significantly. If correctly applied, high-quality compressors may last for more than operating hours. 2 Technologie 2 Technology La figure 1 présente une coupe de compresseur hermétiqueaccessible de la gamme Octagon avec lubrification par pompe à huile. L'huile est aspirée dans le carter par la pompe (dans ce cas une pompe à engrenages) et refoulée dans le circuit de lubrification. Les différents paliers sont alimentés par des orifices, judicieusement percés dans l'arbre. La lubrification des différents paliers est basée sur les principes de l'hydrodynamique. Il est bien connu que la seule présence d'huile à l'entrée des paliers est suffisante. La pression dans le palier est proportionnelle à la charge, et réalisée par la Figure 1 shows a semi-hermetic compressor of the Octagon series with positive displacement lubrication. The oil is taken from the oil sump by a positive displacement pump (in this case an internal gear pump) and discharged into the circuit. All bearings are supplied by means of bores in the shaft. The lubrication of the slide bearings is based on the principle of hydrodynamics. As generally known an oil presence at the bearing inlet is sufficient. Pressure in the bearing is generated proportionally to the load by means of an oil film 2

3 vitesse relative des pièces qui participe à la formation d'un film d'huile. Cette pression hydrodynamique est d'environ 50 à 150 fois supérieure à celle fournie par la pompe à huile. Ce même principe est fréquemment utilisé dans d'autres constructions à la fiabilité éprouvée, par exemple les soupapes ou les segments d'un moteur à combustion dont l'étanchéité est assurée par cette pression. Revenons au circuit de l'huile: afin d'éviter des pressions de refoulement excessives, la pompe à huile est équipée d'une soupape de décharge. Un pressostat différentiel d'huile complète la sécurité de l'ensemble. La pression de refoulement habituellement rencontrée à la sortie de la pompe varie de 2 à 4 bar. En cas d'insuffisance d'huile, le pressostat arrête le compresseur avant qu'il ne casse, une alarme est activée, pour éviter, par exemple, la perte des marchandises d'une chambre froide. Afin d'éviter des coupures intempestives, liées à des causes aléatoires courtes, le pressostat comporte une temporisation (habituellement 90 à 120 secondes suivant le choix des constructeurs). Lorsque le compresseur démarre, par exemple, avec beaucoup de fluide en solution dans l'huile, le fonctionnement de la pompe peut être temporairement perturbé par de l'émulsion de l'huile (bulles et/ou mousse) à son aspiration, en particulier après passage à travers le filtre à huile, créateur de pertes de charge, même s'il n'est pas encrassé. Ce dispositif bien que très fiable, est tout de même globalement complexe et c'est ce qui nous a conduit à rechercher des solutions plus simples en particulier pour les compresseurs de plus petite taille. formation through relative speed. The pressure is about 50 to 150 times higher than that of a regular oil pump. This principle of load equivalent bearing capacity is often found in very reliable constructions, e.g. the valve sealing effect in a combustion engine which is closed through pressure, or the piston ring which also has a pressure-dependent sealing capacity. Returning to the oil circuit: In order to avoid excessive discharge pressures, the oil pump is equipped with a pressure relief valve. To monitor the circuit, an (differential) oil pressure switch may be installed. Usual discharge pressures vary from 2 to 4 bar. In case of oil shortage, the oil pressure switch ensures that the compressor is shut-off and an alarm output is provided before a mechanical failure leads e.g. to the loss of goods in a cold store. To avoid frequent tripping, the oil pressure switches feature a time delay function (usually seconds) since the compressor start with refrigerant dissolved in the oil, for example, the pump's operation may be temporarily interrupted by vapour bubbles in the suction port. This very reliable system is characterised by a certain complexity which consequently leads to the search for simpler alternatives with smaller compressors. 1 Pompe à huile mécanique Inner gear pump Fig. 1 Compresseur OCTAGON 4NC-20.2Y équipé d'une pompe à huile mécanique Fig. 1 Octagon compressor 4NC-20.2(Y) with positive displacement lubrication 3

4 3 Dispositif de lubrification centrifuge des compresseurs Octagon 3 The Enhanced Centrifugal Lubrication for Octagon Compressors Notre challenge consistait à trouver un dispositif simple et fiable ayant des performances au moins égales au dispositif décrit précédemment : Alimentation suffisante de toutes les zones à lubrifier dans le compresseur Circulation immédiate de l'huile au démarrage du compresseur Séparation fiable du fluide dissout dans l'huile Fonctionnement stable dans toute la plage d'utilisation du compresseur Possibilité d'assurer la sécurité de l'alimentation en huile La solution trouvée est un dispositif de lubrification centrifuge amélioré, représenté sur la figure 2; il est très différent des lubrifications par simple barbotage. Au moyen d'un disque dynamique (1) ayant un profil particulièrement étudié pour exploiter la force centrifuge, l'huile est transférée du carter d'huile à un réceptacle (2) disposé dans le couvercle de fermeture du corps, à l'extrémité du palier arrière. L'arbre est percé en son centre d'un orifice d'entrée (3) et l'hui- The challenge was to find a simple and reliable system that completely or even better meets the requirements of the system described above: Sufficient supply of all lubricating areas in the compressor Immediate oil supply when starting the compressor Reliable drive-out of dissolved refrigerant at phase change Stable operation at all conditions as usual for refrigeration compressors Possibility for monitoring the oil circuit The solution is an enhanced centrifugal lubrication system as shown in figure 2, which considerably differs from the common oil splasher design. By means of a centrifuge (1), which in this case is a specifically shaped dynamic disk, the oil is transported out of the oil sump into a pocket (2) at the housing cover where the outer crankshaft main bearing is located. The shaft then has a central entrance port (3) from which the oil is taken! " 1 Pompe centrifuge Centrifuge 2 Poche d'huile Oil pocket 3 Entrée arbre Central entrance port 4 Sonde contrôle huile Oil control sensor Fig. 2 Compresseur Octagon 4NCS-20.2Y équipé d'une pompe à huile centrifuge Fig. 2 Octagon compressor 4NCS-20.2(Y) with centrifugal lubrication 4

5 le est ensuite automatiquement distribuée aux différentes zones à lubrifier. Les percements radiaux, judicieusement disposés et calibrés, génèrent la force centrifuge indispensable à l'éjection de huile vers les zones à lubrifier et assurent l'aspiration et la circulation de l'huile dans le canal central. Grâce à une faible mais régulière pression d'alimentation, cette méthode élégante de transporter l'huile satisfait parfaitement les paliers qui développent ensuite eux-mêmes la pression de lubrification élevée dont ils ont besoin, indépendamment de la pression d'alimentation. Un avantage majeur de ce système par rapport à la lubrification par pompe mécanique réside dans la moindre consommation d'huile du compresseur en liaison avec la diminution des fuites d'huile aux flancs de chaque palier (figure 3). Comparé à la lubrification par simple barbotage, ce dispositif bénéficie d'une dynamique de lubrification bien plus performante. En effet, tout de suite au démarrage, le débit d'huile est immédiatement assuré et maintenu dans toute la plage d'application du compresseur, en ayant aussi une consommation d'huile largement inférieure à cette méthode. La tâche la plus difficile consistait à développer une sécurité adaptée. C'est ce que nous avons réussi en développant une sonde (4) directement placée dans le réceptacle (2). Lorsque le débit d'huile est interrompu de manière significative, une alarme est activée et le compresseur est arrêté. Nous avons surmonté la difficulté qui consistait à trouver une sonde capable de fonctionner de -20 à +100 C et c'est ainsi que cette sécurité est au moins aussi sure que celle des compresseurs à pompe mécanique. Cette sécurité peut être utile lorsque surviennent des cas de fonctionnement anormaux, par exemple retour d'huile aléatoire pour des circuits complexes et des compresseurs montés en centrale. in and supplied to the lubricating areas. This is driven by the centrifugal force of the oil in the shaft, which is carried from the central port to the lubricating areas that are radially located further outside. Due to its low but steady feed pressure, this smart oil transportation mechanism is exactly fitted to the demand of the slide bearings which build up their oil pressure independent of the feed pressure. A major advantage of this system over the pump lubricated version is the small side flow out of the bearings, which significantly reduces the compressor's oil carry-over (Fig. 3). Compared to the commonly used splasher lubrication, the new system is favoured with respect to its highly dynamic responding characteristics: After starting the oil flow is immediately built up and maintained over the entire operating range. The more difficult task was to develop a suitable monitoring system for the oil circuit. For this a specific oil control sensor (4) has been developed, which is mounted directly into the pocket (2). If the oil flow is interrupted significantly, an alarm output is provided and the compressor is shut off. The application of this system to the required temperature ranges of -20 C to 100 C seemed to be difficult. Having overcome this difficulty the compressor monitoring is as reliable as for the pump lubricated version. The monitoring basically accounts for the risk of an oil circulation failure caused by abnormal conditions that appear in cases of e.g. multiple compressor plants with extended pipe work. Monitoring of the internal lubrication system itself is of a certain minor significance since the compressor has proven to be even more reliable due to this sophisticated system. 0 K E = I > EJ = I I K B K E@ A BHEC HEC A E E HA BHA C A H= J = I I B M " & $ " # # 5 K H? D = K K C = = I F EH J D 5 K? JE 5 K F A HD A = JJ D 4 " " ) J # + J? # + J J? + F HA I I A K H= L A? K > HEBE? = JE F = H? EH? K = JE B H? A + F HA I I HM EJD F I EJEL EI F =? A A J K > HE? = JE + F HA I I A K H= L A? K > HEBE? = JE? A JHEBK C A + F HA I I HM EJD? A JHEBK C = K > HE? = JE 6 A F H= JK L = F H= JE - L = F H= JE C JA F A H= JK HA 6 A F H= JK A I = JE A I E C JA F A H= JK HA Fig. 3 Entraînement d huile de différents systèmes de lubrification utilisés sur le même compresseur Fig. 3 Oil carry-over of different lubrication systems with identical compressors 5

6 4 Retours d'expérience 4 Operational Experiences En 1995, ce nouveau dispositif a été appliqué à la gamme des petits compresseurs Octagon (sans la sonde de sécurité), puis utilisé au fur et à mesure du développement de compresseurs Octagon plus puissants, couvrant ainsi une gamme de 0,5 à 20 kw de puissance moteur nominale. Les retours d'expérience sont extrêmement positifs. En 2003, plus de compresseurs avaient été installés. Aucune panne causée par le dispositif de lubrification n'a été recensée. Ce dispositif fonctionne aussi très bien dans une plage importante de vitesses de rotation du fait de l'adéquation entre le besoin en lubrification et l'alimentation en huile, alors que ce n'est pas le cas avec les compresseurs avec pompe mécanique. De ce fait l'énergie nécessaire à la lubrification est inférieure avec ce nouveau dispositif. De plus si l'on fait un parallèle entre le nombre de pièces en mouvement et la fiabilité mécanique, celle-ci peut être considérée comme supérieure dans le cas de ce dispositif. In 1995 the new system was first carried out for the smallest Octagon series (without the monitoring sensor), and then progressively implemented into 4 new series of semihermetic compressors, which cover a range between 0.5 and 20 kw rated motor power. The operational experiences are extremely positive. In 2003 more than such compressors were brought to market. No failures caused by the lubricating system have been reported. The system also works extremely well over wide speed ranges, and it is especially characterised by less unnecessary oil pumping rates within the compressors, e.g. at high speed. Besides that the energy requirement for the oil circuit tends to be lower than that of the pump lubricated version. Moreover, with respect to the fact that fewer mechanical components are used, the operational reliability can be considered superior as well. 5 Résumé 5 Summary Se basant sur l'expérience obtenue avec un grand nombre de compresseurs, ce dispositif de lubrification centrifuge amélioré que nous avons développé avec succès peut aussi être utilisé avantageusement pour de plus grandes puissances et des plages de vitesse de rotation plus étendues. Les principaux points forts en sont les suivants: Moins de pièces mécaniques Plus faible consommation d'huile Moindre besoin en énergie Adaptation plus aisée à la variation de vitesse Meilleure réponse en cas de présence de beaucoup de fluide dans l'huile, au moment du démarrage. Jusqu'à présent le seul inconvénient résidait dans l'absence d'une sécurité d'huile adaptée, d'autant plus utile que les installations sont plus puissantes. Cette difficulté est maintenant surmontée grâce à la sonde de sécurité de débit d'huile utilisée dans les compresseurs plus puissants. Based on experiences with smaller compressors a new centrifugal lubrication system has been developed which can be applied to compressors with higher capacities and extended speed ranges. It features the following advantages: Fewer mechanical components Lower oil carry-over Lower energy requirement Easier adaptation to variable speeds Faster responding characteristics during start with refrigerant dissolved in the oil Up to now the only disadvantage was that there was no possibility for direct monitoring of the oil circuit in the compressor, important with large systems. This difficulty, however, has been overcome by the oil flow sensor and the use in larger compressors is now possible. 6

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8 Bitzer Kühlmaschinenbau GmbH Eschenbrünnlestr Sindelfingen (Germany) Tel. +49(0) Fax +49(0) & -147 bitzer@bitzer.de Toutes modifications résérvées / Subject to change 12.04