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Garniture d'étanchéité à labyrinthe pour pièces de machine tournantes, en particulier pour pièces de turbines à vapeur et à gaz.
La présente invention concerne une garniture d'étan- chéité labyrinthe pour pièces de machine tournantes, appli- cable en particulier aux turbines vapeur et à gaz, Si l'on veut obtenir avec de semblables garnitures à labyrinthe une étanchéité efficace, le jeu entre la pièce fixe et la pièce tournante doit être très petit. D'autre part, il ne doit se produire entre ces pièces, pour aucun état du fonctionnement, un frottement trop intense car la chaleur produite en pareil
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cas conduirait à des variations et à des déplacements inad- missibles d'autres pièces, ce qui pourra provoquer de graves perturbations dans le fonctionnement.
Le frottement de den- telures de labyrinthe sur des pièces conjuguées métalliques, ou de pièces mobiles en charbon sur des arbres de turbine par exemple provoque en plus une usure des dentelures, un creusement de rainure dans la pièce tournante, un échauffement des manchons et des inconvénients analogues.
On a déjà construit des garnitures d'étanchéité à laby- rinthe à anneaux de charbon fixes en plusieurs pièces, gar- nitures dans lesquelles on a prévu sur la pièce tournante des dentelures qui forment une vis continue ou bien des tranchants en forme de scie. Si dans le cas de semblables garnitures d'étanchéité il se produit un frottement,des par¯ ties sont détachées de l'anneau de charbon, ou bien la sur¯ face intérieure de l'anneau est rabotée d'une certaine quan- tité sur toute sa périphérie de sorte que lors du retour des conditions normales de fonctionnement, il y a un jeu nota- blement plus grand qu'immédiatement après l' assemblage de la boite à bourrage, ce qui rend sensiblement plus mauvaise l'efficacité de la garniture.
Le but de la présente invention est de créer une gar- niture d'étanchéité à labyrinthe du genre mentionné ci-dessus, à anneaux de charbon fixes en plusieurs pièces, et dans la- quelle la bonne étanchéité pouvant être produite immédiate- ment après l'assemblage se conserve de f açon pratiquement permanente.
A cet effet, dans la boite à bourrage à laby- rinthe suivant la présente invention, des peignes annulaires, qui tournent avec la pièce de machine rendre étanche sont montés pratiquement sans jeu dans les anneaux de charbons dans lesquels ils creusent des rainures dans le cas d'une di- latation thermique plus rapide des pièces tournantes que des pièces ne tournant pas, Ces rainures sont encore approfondies par une vibration éventuelle des pièces tournantes, tandis que
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l'effet d'étranglement poursuivi au moyen des peignes se maintient sans changement de f açon pratiquement permanente malgré ces rainures.
Les dessins annexés représentent des formes de réali- sation de l'objet de l'invention à titre d'exemples, et dans tous les cas on n'a représenté pour plus de simplicité qu'un anneau de charbon fixe.
La fig. 1 montre une coupe axiale dans une partie d'une garniture d' étanchéité à labyrinthe, dans laquelle l'anneau de cha rbon est monté de façon à ne pas pouvoir se déplacer radialement dans la pièce ne tournant pas.
La fig. 2 montre une coupe axiale dans une partie d'une garniture à labyrinthe dont l'anneau de charbon est composé de segment prenant appui radialement par des ressorts.
Les fig. 3 et 4 montrent à plus grande échelle diffé- rentes formes de rainures telles qu'elles sont creusées par les peignes annulaires tournantes dans l'anneau de charbon ne tournant pas.
Les fig. 5 et 6 sont des coupes axiales dans deux autres formes de réalisation dans lesquelles les peignes annulaires sont faits en une matière qui possède un plus grand coeffi- que cient de dilatation thermique les matières constitutives des autres pièces de la machine entre lesquelles l'étanchéité doit être produite.
La fige ? montre finalement à plus grande échelle le fonctionnement de la forme de réalisation suivant la fig.6.
On a désigné par 1 à la fig, 1 l'arbre à rendre étanche d'une machine, par exemple d'une turbine % vapeur ou à gaz.
A l'arbre 1 est reliée de façon à tourner une douille 2 qui présente à la périphérie extérieure des dentelures annulaires ou des peignes 3,4 de longueurs diff érentes. 5 désigne une partie d'un anneau en plusieurs pièces, non représenté pour le reste, qui est monté dans une pièce 6 ne tournant pas (enveloppe, fond de roue directrice, etc..) de la machi-
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ne. L'anneau 5 présente à sa périphérie intérieure des rigo- les 7 dans lesquelles s'avancent les peignes les plus longs
4 de la douille 2. Les peignes les plus courts 3 viennent se placer en face de surfaces annulaires 8 de l'anneau 5. Les pièces 2, 5 forment avec les peignes annulaires 3, 4, les ri- goles 7 et les surfaces 8, une boite bourrage à labyrinthe.
L'anneau 5 mentionné est fait en charbon et la douille 2 en un métal dont la dureté est en tous cas notablement plus grande que celle du charbon.
Les peignes annulaires 3, 4 sont montés pratiquement sans jeu dans l'anneau de charbon ne tournant pas. Si pour une raison quelconque les peignes 3, 4 d'une semblable boite à bourrage glissent sur la surface conjuguée des pièces 5 de l'anneau de charbon, ils creusent simplement des rainures dans l'anneau de charbon. @ La forme des rainures creusées dépend alors de la cause qui provoque le frottement. Si par exemple les pièces tournantes de la boite à bourrage se dilatent seu- lement plus fortement dans le sens radial que l'anneau de charbon, il se creuse des rainures 9 de la forme représentée à la fig. 3, qui sont encore approfondies par une vibration éventuelle des pièces tournantes.
Pendant le fonctionnement normal, l'extrémité extérieure des peignes 3, 4 se trouve contre l'endroit le plus profond de ces rainures 9 ou bien l'extrémité des peignes 3, 4 s'avance au moins assez loin dans les rainures 9 pour que les peignes provoquent une forte déviation et par conséquent un fort étranglement du fluide moteur ou du fluide de refoulement qui essaie de s'échapper par la boite à bourrage. La fig. 3 montre les pièces dans la position qu'elles prennent après que la machine a été arrêtée qt que les différentes pièces sont de nouveau refroidies.
Comme les peignes 3,4 de la douille 2 peuvent creuser facilement dans les pièces 5 de l' anneau de charbon, ils ne sont pas attaquée le moins du monde lors du frottement, ce qui est important pour la conservation du jeu qui peut être
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réduit même jusqu'au zéro. On évite en outre lors du glisse- ment des échauffements inadmissibles. Pour ce qui concerne l'arbre 1, ce dernier point est important car un échauffement trop intense de l'arbre peut provoquer sa flexion et, en cor¯ rélation avec celle-ci, des ruptures d'aubes, des détériora tions des paliers, etc.
Un échauffement inadmissible de l'arbre est empêché même dans le cas où aux endroits de glis- sements, pour une raison quelconque, il se présente encore une production de chaleur intense, vu que les peignes 3, 4 sont tellement longs et minces que le fluide moteur ou de refoulement baignant l'arbre est en état de refroidir les peignes tellement fortement qu'il ne peut y avoir par ces derniers aucune transmission de chaleur devenant dangereuse des points de glissement vers la douille 2 et de celle-ci vers - l'arbre 1. L'arbre reste par conséquent complètement non influencé, de sorte qu'un démarrage de la machine est possi- ble à tous moments.
Si les pièces tournantes de la boite à bourrage se dilatent plus fortement que l'anneau de charbon aussi bien dans le sens radial que dans le sens axial, les peignes 3, 4 creusent des rainures 12 de la forme représentée à la f ig. 4.
Les peignes 3, 4 se meuvent alors d'abord vers la droite lors de l'échauffement et après la période de mise en marche de nouveau quelque peu vers la gauche le long de la surface o- blique 13 tandis qu' ils appliquent constamment de f açon é- tanche contre la surface oblique 13. On a représenté à la fig. 4 les pièces dans la position qu'elles prennent après qu'en fonctionnement l'état permanent s'est établi. Les rai- nures 12 ont en coupe transversale, comme on l'a représenté, la forme d'un triangle à angles obliques.
Si l' extrémité extérieure des peignes 3, 4 ne s' ap- plique plus de façon étanche contre les surf aces 13 parce qu'à cause d'une vibration des pièces tournantes une nouvel- le rainure s'est creusée, il se produit toutefois encore un
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bon effet de labyrinthe vu que les extrémités des peignes 3,4 s'engageant dans les rainures 12 provoquent même dans ce cas encore une forte déviation et un étranglement du fluide moteur ou du fluide de refoulement qui tend à s'échap- per. On peut donc dire avec raison que l'effet d'etrangle- ment des peignes reste conservé sans changement de façon pratiquement permanente.
La forme de réalisation représentée à la fig. 2 se distingue de celle représentée à la fig. 1 par le fait que la pièce de charbon 5 n'est pas insérée dans la pièce de machine 6 de façon à ne pas pouvoir se déplacer radialement, mais prend appui radialement au moyen d'un ressort 11.
Dans les formes de réalisation représentées aux fig.
5 et 6, qui différent l'une de l'autre uniquement par le fait qu'à la fig. 5 la génératrice 16 de la surface intérieu- re de la pièce de charbon 5 est parallèle à l'axe de l'arbre tandis qu'à la fig. 6 la génératrice 17 est inclinée par rapport à cet axe, les peignes consistent en des disques annulaires 14 qui sont maintenus entre les pièces d'espace- ment 15. Ces dernières sont reliées à la pièce de machine tournante, d'une manière non représentée.
Les disques annu- laires 14 sont faits en une matière dont le coefficient de dilatation est plus grand que celui de la matière des pièces de machines entre lesquelles l'étanchéité doit se produire, de sorte que ces disques annulaires, qui sont montés prati- quement sans jeu dans l'anneau de charbon, se dilatent le plus fortement lors de l'échauffement de la machine et creu- sent par conséquent l'anneau de charbon de la garniture d'é- tanchéité à labyrinthe. Il se creuse alors dans le cas de la construction suivant la fig, 5 des rainures annulaires et dans le cas d'une construction suivant la fig. 6 des rai- nures 18 - (fig.7) de forme triangulaire en section trans- versale.
On a représenté 'à la fig. 7 en traits pleins les disques annulaires 14 dans la position qu'ils prennent à l'e-
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tat froid de la garniture à labyrinthe, tandis que les lignes en pointillé montrent leur position dans l'état nor- mal de fonctionnement. Par suite de l'inclinatson de la li- gne 17 il se creuse, lors du mouvement des disques annulai- res 14 vers la droite, des rainures 18 plus profondes que dans le cas où la génératrice de la surface intérieure des pièces de charbon 5 est parallèle à l'axe de l'arbre. Il se produit alors également une étendue relativement longue 19 (fig.7) le long de laquelle règne un étranglement extrêmement efficace.
Cet effet reste conservé sans changement de façon pratiquement permanente pendant le fonctionnement car la longueur 19 est efficace sans changement même après une inclinaison des pièces.
Dans tous les cas, il faut veiller d'une manière con- nue à ce que les différents segments d'un anneau de charbon soient toujours en contact à l'endroit des surfaces radia- les de séparation c'est à dire qu'ils ne baillent pas au dit endroit. Dans le cas d'arbres horizontaux, on peut prévoir à cet effet par exemple des dispositifs de suspension parti- culiers pour les moitiés inférieures d'anneaux ou des res- sorts d'appui particuliers, comme on en a par exemple repré- senté un à la fig. 2. On peut en tous cas prévoir également à l'endroit des surfaces radiales des segments de charbon des moyens d'étanchéité supplémentaires.
Lorsque la génératrice de la surface intérieure de l'anneau de charbon est inclinée par rapport à l'axe de la pièce tournante, comme dans le cas de la forme de réalisa- tion suivant la fig. 6, le jeu radial entre la pièce tour- nante et la pièce fixe de la garniture à labyrinthe peut, si on le désire, être modifié par le fait que l'une ou l'autre de ces pièces est disposée de façon à être déplaçable axia- lement.
La présente invention peut s'appliquer, moyennant les changements voulus, pour n'importe quel nombre d'anneaux
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de charbon. La question de savoir si la pièce tournante se meut autour d'un axe horizontal, vertical ou incliné ne joue ici aucun rôle. Au lieu de charbon, on peut employer aussi d'autres substances qui lui sont équivalentes, pour ce qui concerne les propriétés physiques qui sont importantes pour l'obtention du but poursuivi suivant la présente invention.
La nouvelle boite à bourrage à labyrinthe et à charbon convient tout particulièrement pour les très fortes pressions et les températures très élevées vu qu' avec un nombre rela- tivement minime de peignes on peut produire une bonne étanchéité et que le charbon est insensible aux températures élevées. Dans quelques unes des formes de réalisation décri- tes, on peut se tirer d'affaire tout à fait sans ressorts, ce qui est important vu que, comme on le sait, les ressorts peuvent provoquer facilement aux températures élevées des dérangements dans le fonctionnement. Par suite de la bonne étanchéité, les arbres de turbines sont en outre mis à l'a- bri des températures élevées dans le voisinage du palier à haute pression, ce qui contribue encore davantage à aug- menter la sécurité de fonctionnement.
Le très petit jeu ad- missible permet également de maintenir relativement courte la boite à bourrage à haute pression de sorte que la distan- ce des paliers devient plus petite, ce qui permet aussi de rendre un peu plus petit le diamètre de l'arbre et d'augmen- ter, principalement à cause du poids plus petit du rotor, la sécurité de fonctionnement.
La nouvelle boite à bourrage à labyrinthe présente en outre l'avantage que des pièces de rechange (segments 5 exac- tement identiques de charbon, ou disques annulaires 14) peu- vent être conservées en magasin et que lors du montage éven- tuel de semblables pièces de rechange on ne doit subir que des courtes périodes d'interruption. En outre, les pièces de rechange, peuvent être montées par n'importe quel ajusteur sans instruction spéciale.
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Labyrinth seal for rotating machine parts, in particular for steam and gas turbine parts.
The present invention relates to a labyrinth seal for rotating machine parts, applicable in particular to steam and gas turbines. If it is desired to obtain an effective seal with such labyrinth seals, the clearance between the stationary part and the rotating part must be very small. On the other hand, there must not occur between these parts, for any state of operation, too intense friction because the heat produced in such
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This would lead to inadmissible variations and displacements of other parts, which could cause serious disturbances in operation.
The friction of labyrinth dentures on metal mating parts, or of carbon moving parts on turbine shafts, for example, additionally causes wear of the serrations, groove digging in the rotating part, heating of the sleeves and similar disadvantages.
Labyrinth seals with fixed carbon rings have already been constructed in several pieces, in which there are provided on the rotating part serrations which form a continuous screw or alternatively saw-shaped cutting edges. If in the case of such gaskets there is friction, parts of the carbon ring are detached, or the inner surface of the ring is planed by a certain amount on all around its periphery so that when normal operating conditions return, there is a noticeably greater clearance than immediately after assembly of the stuffing box, which significantly reduces the efficiency of the packing. .
The object of the present invention is to provide a labyrinth seal of the kind mentioned above, with fixed carbon rings in several pieces, and in which the good seal can be produced immediately after the end. The assembly can be kept practically permanently.
For this purpose, in the labyrinth stuffing box according to the present invention, annular combs which rotate with the sealing machine part are mounted practically without play in the carbon rings in which they make grooves in the case. faster thermal expansion of rotating parts than non-rotating parts, These grooves are further deepened by any vibration of the rotating parts, while
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the throttling effect pursued by means of the combs is maintained without change of practically permanent way despite these grooves.
The accompanying drawings show embodiments of the object of the invention by way of example, and in all cases only a fixed carbon ring has been shown for simplicity.
Fig. 1 shows an axial section through a part of a labyrinth seal, in which the ring ring is mounted so as not to be able to move radially in the non-rotating part.
Fig. 2 shows an axial section in a part of a labyrinth lining, the carbon ring of which is composed of segments supported radially by springs.
Figs. 3 and 4 show on a larger scale different forms of grooves as they are carved by the rotating annular combs in the non-rotating carbon ring.
Figs. 5 and 6 are axial sections in two other embodiments in which the annular combs are made of a material which has a greater coefficient of thermal expansion than the constituent materials of the other parts of the machine between which the seal must be produced.
Freeze? finally shows on a larger scale the operation of the embodiment according to fig.6.
The shaft to be sealed of a machine, for example of a steam or gas turbine, is designated by 1 in FIG.
A shaft 1 is connected so as to rotate a bush 2 which has at the outer periphery annular serrations or combs 3, 4 of diff erent lengths. 5 denotes a part of a ring in several parts, not shown for the rest, which is mounted in a part 6 which does not rotate (casing, steering wheel base, etc.) of the machine.
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born. The ring 5 has at its inner periphery channels 7 in which the longer combs advance.
4 of the bush 2. The shorter combs 3 are placed in front of annular surfaces 8 of the ring 5. The parts 2, 5 form with the annular combs 3, 4, the rims 7 and the surfaces 8 , a maze jam box.
The ring 5 mentioned is made of carbon and the sleeve 2 of a metal the hardness of which is in any case significantly greater than that of carbon.
The annular combs 3, 4 are mounted practically without play in the non-rotating carbon ring. If for some reason the combs 3, 4 of such a stuffing box slide on the mating surface of the pieces 5 of the carbon ring, they simply make grooves in the carbon ring. @ The shape of the hollowed out grooves then depends on the cause which causes the friction. If, for example, the rotating parts of the stuffing box only expand more radially than the carbon ring, grooves 9 of the shape shown in FIG. 3, which are further deepened by a possible vibration of the rotating parts.
During normal operation, the outer end of the combs 3, 4 is against the deepest part of these grooves 9 or else the end of the combs 3, 4 protrudes at least far enough into the grooves 9 so that the combs cause a strong deflection and consequently a strong throttling of the driving fluid or of the delivery fluid which tries to escape through the stuffing box. Fig. 3 shows the parts in the position they take after the machine has been switched off and the individual parts are cooled again.
As the combs 3,4 of the socket 2 can easily dig into the 5 pieces of the carbon ring, they are not attacked in the least when rubbing, which is important for the conservation of the play which can be.
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even reduced to zero. In addition, inadmissible heating is avoided during sliding. With regard to shaft 1, this last point is important because too intense heating of the shaft can cause it to bend and, in correlation with this, blade breakage, damage to the bearings, etc.
Unacceptable heating of the shaft is prevented even in the event that, for whatever reason, there is still an intense production of heat at the slipping points, since the combs 3, 4 are so long and thin that the motor or delivery fluid bathing the shaft is able to cool the combs so strongly that there can be no heat transmission through them, becoming dangerous from the sliding points towards the bush 2 and from the latter to - l Shaft 1. The shaft therefore remains completely unaffected, so that the machine can be started at all times.
If the rotating parts of the stuffing box expand more strongly than the carbon ring both in the radial direction and in the axial direction, the combs 3, 4 make grooves 12 of the shape shown in f ig. 4.
The combs 3, 4 then move first to the right during the warm-up and after the switch-on period again somewhat to the left along the oblique surface 13 while they constantly apply sealed against the oblique surface 13. FIG. 4 the parts in the position they take after in operation the permanent state is established. The grooves 12 have in cross section, as shown, the shape of a triangle with oblique angles.
If the outer end of the combs 3, 4 no longer fits tightly against the surfaces 13 because, due to vibration of the rotating parts, a new groove has formed, a new groove occurs. however still a
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good labyrinth effect since the ends of the combs 3, 4 engaging in the grooves 12 even in this case again cause a strong deflection and a throttling of the driving fluid or of the delivery fluid which tends to escape. It can therefore be said with reason that the effect of throttling of the combs remains virtually permanently retained unchanged.
The embodiment shown in FIG. 2 differs from that shown in FIG. 1 in that the piece of carbon 5 is not inserted into the machine piece 6 so that it cannot move radially, but is supported radially by means of a spring 11.
In the embodiments shown in FIGS.
5 and 6, which differ from each other only by the fact that in FIG. 5 the generator 16 of the interior surface of the piece of coal 5 is parallel to the axis of the shaft while in FIG. 6 the generator 17 is inclined with respect to this axis, the combs consist of annular discs 14 which are held between the spacers 15. These latter are connected to the rotating machine part, in a manner not shown. .
The annular discs 14 are made of a material whose coefficient of expansion is greater than that of the material of the machine parts between which the sealing is to occur, so that these annular discs, which are practically mounted without clearance in the carbon ring, expand most strongly when the machine is heated and consequently dig the carbon ring of the labyrinth seal. In the case of the construction according to FIG. 5, it is then hollowed out by annular grooves and in the case of a construction according to FIG. 6 of the grooves 18 - (fig.7) of triangular shape in cross section.
There is shown 'in FIG. 7 in solid lines the annular discs 14 in the position they take on the e-
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cold state of the labyrinth seal, while the dotted lines show their position in the normal operating state. As a result of the inclination of the line 17, during the movement of the annular discs 14 to the right, grooves 18 become deeper than in the case where the generator of the inner surface of the pieces of coal 5 is parallel to the axis of the shaft. There is then also a relatively long expanse 19 (fig. 7) along which there is an extremely effective constriction.
This effect remains virtually permanently maintained unchanged during operation because the length 19 is effective without change even after tilting the parts.
In any case, care must be taken in a known manner that the different segments of a carbon ring are always in contact at the location of the radial separating surfaces, that is to say that they do not yawn at said place. In the case of horizontal shafts, it is possible to provide for this purpose, for example, special suspension devices for the lower halves of the rings or special support springs, as one has for example shown one. in fig. 2. In any case, additional sealing means can also be provided at the location of the radial surfaces of the carbon segments.
When the generator of the inner surface of the carbon ring is inclined with respect to the axis of the rotating part, as in the case of the embodiment according to fig. 6, the radial clearance between the rotating part and the fixed part of the labyrinth seal can, if desired, be modified by having either of these parts arranged so as to be movable. axially.
The present invention can be applied, with the desired changes, for any number of rings.
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of coal. Whether the rotating part moves around a horizontal, vertical or inclined axis is irrelevant here. Instead of carbon, it is also possible to use other substances which are equivalent to it, with regard to the physical properties which are important for obtaining the aim pursued according to the present invention.
The new labyrinth and carbon stuffing box is particularly suitable for very high pressures and very high temperatures, since with a relatively small number of combs a good seal can be produced and the carbon is insensitive to high temperatures. . In some of the described embodiments one can get by quite without springs, which is important since, as is known, springs can easily cause disturbances in operation at high temperatures. As a result of the good seal, the turbine shafts are additionally exposed to high temperatures in the vicinity of the high-pressure bearing, which further contributes to increased operational reliability.
The very small allowable clearance also allows the high pressure stuffing box to be kept relatively short so that the distance between the bearings becomes smaller, which also allows the shaft diameter to be made a little smaller and increase, mainly due to the smaller weight of the rotor, the operational safety.
The new labyrinth stuffing box also has the advantage that spare parts (exactly identical carbon segments 5, or annular discs 14) can be kept in the store and that during the possible assembly of similar ones. spare parts should only be subjected to short periods of interruption. In addition, spare parts can be fitted by any fitter without special instruction.