<Desc/Clms Page number 1>
DISPOSITIF D'ETANCHEITE ENTRE ORGANES MOBILES ET FIXES DE TURBOMACHINES, NOTAMMENT DE POMPES CENTRIFUGES ET DE COMPRESSEURS CENTRIFUGES.
L'invention concerne un dispositif d'étanchéité entre les organes mobiles et fixes de turbomachines, en particulier de pompes centrifuges et de compresseurs centrifuges.
Pour réaliser des rendements favorables dans de telles machines, il est nécessaire que les pertes dans les Interstices des dispositifs d'étanchéité, où se manifestent des différences de pression,,, soient réduites au mi- nimumo Dans les dispositifs d'étanchéité cylindriques courants,
ceci est généralement réalisé en réduisant au possible les diamètres et les sections des interstices. Or. ces sections ne peuvent pas être réduites dans une grande mesures notamment dans le cas de fluides chauds étant donné le fléchissement ou la déformation - dont le sens et la valeur ne sont pas toujours prévisibles de l'arbre et/ou de l'enveloppe et qui sont dus au poids des parties tournantes et de la répartition inégale de la température dans l'intérieur de 1-'enveloppe.
Le décalage relatif des axes dans le cas d'un fléchissement ou d' une déformation d'organes rotatifs ou fixes.. a pour effet que les périphéries des colliers des labyrinthes frottent sur les fonds des gorges de ceux-ci, d'où augmentation de la section de l'interstice en raison de l'usure. Cet élargissement des sections des interstices réduit déjà le rendement peu de temps après la mise en service. Ceci aboutit dans certains cas au grippage du rotor., comme cela se remarque en particulier dans les machines travaillant sous la charge maximum et fonctionnant avec des agents moteurs à haute température.
L'invention vise à établir un dispositif d'étanchéité entre les organes rotatifs et fixes de turbomachines,, en particulier de pompes centrifuges et de compresseurs centrifuges. dispositif qui. n'étant pas influencé par une flexion de 1-'arbre ou une déformation de 1-'enveloppe. empêche le frottement et l'usure et rend impossible le grippage du rotor.
<Desc/Clms Page number 2>
Selon l'invention, ce problème est résolu par le fait qu'un des organes présente une surface d'étanchéité annulaire orientée perpendiculairement à l'axe,tandis que l'autre organe présente une bague d'étanchéité mobile axialement en vue de former un point étanche avec cette surface d'étanchéité annulaire, cette surface et cette bague.pouvant exécuter des déplacements radiaux relatifs dans les limites de tolérance pour la flexion de l'arbre ou pour les déformations de l'enveloppe. La surface d'étanchéité annulaire et la bague d'étanchéité peuvent être solidaires, l'un ou l'autre.,'de 1' organe tournant ou de l'organe fixe., suivant le cas, comme il sera exposé ciaprès, en se reportant à l'exemple d'exécution représenté.
Avantageusement,, le côté formant joint de la bague d'étanchéité à déplacement axial est limitrophe d'une zone à pression de régime inférieure, tandis que son côté opposé est limitrophe d'une zone à pression de régime su- périeure., de sorte que cette bague est pressée contre la surface d'étanchéité annulaire par les différences de pressions qui se manifestent en cours d'exploitation.
Afin d'assurer une étanchéité dès le début du fonctionnement et de faire agir les différences de pression., qui se manifestent pendant la marge de régime, sur les surfaces affectées à cette fin, la bague d'étanchéité est de préférence soumise à l'action d'une force supplémentaire indépendante du régime et agissant dans le sens de la formation du joint étanche. On peut se servir dans ce but de la pesanteur par exemple lorsqu'il s'agit d'un arbre vertical.Il est cependant préférable d'une manière générale de faire usage de forces élastiques; notamment, d'employer trois ressorts de pression ou plus, de préférence hélicoïdaux.
Les machines dont l'arbre est constamment soumis à une poussée axiale agissant dans le sens de la formation d'un joint étanche, permettent une application particulièrement judicieuse de l'objet de l'invention. Dans ce cas le guidage annulaire et la bague d'étanchéité penvent présenter des épaulements appelés à agir conjointement et qui limitent le rodage de la surface d'étanchéité annulaire. On a donc supposé ici que la bague d'étanchéité présentant, lors de la mise en service, une extension axiale plus grande qu'à l'état rodé.
La différence, qui peut être de quelques centièmes ou de quelques dixièmes de millimètre., n'est pas critique et un mécanisage particulièrement précis des surfaces en contact ne s'impose pas:. Après la mise en service., l'arbre se déplace progressivement dans le sens de la poussée axiale. Il en résulte une pression de frottement entre la bague d'étanchéité et la surface d'étanchéité annulaire. qui conduit, en un temps relativement court, à l'usure de la partie saillante de la bague d'étanchéité. Cette usure est limitée par les épaulements précités.
Par conséquent, une fois l'usure terminée, il n'existe plus de contact métallique entre les surfaces en regard animées d'un mouvement relatif, celles-ci n'étant alors séparées que par une pellicule extrêmement fine du fluide traversant la machine, généralement inférieure à un centième de millimètre. Il n'y aura donc pratiquement plus de pertes par frottement à cet endroit. Dans le cas où, pour une raison quelconque, l'arbre subirait ultérieurement un nouveau déplacement dans le sens de la poussée axiale, il en résulterait simplement l'enlèvement d'une nouvelle tranche très mince de la bague d'étanchéité. Ceci ne diminue nullement la qualité du dispositif d'étanchéité, de sorte que la machine conserve un bon rendement.
La conception particulière du dispositif d'étanchéité selon l' invention permet de déterminer avec précision la quantité d'eau d'équilibrage passant par l'interstice. Comme les surfaces d'étanchéité ne sont plus évidées ou usées à fond.. l'eau d'équilibrage ne pourra plus parvenir jusqu'au disque d'équilibrage en passant entre les surfaces d'étanchéité.
Par conséquent. on prévoit dans la surface d'étanchéité annulaire ou dans le guidage de la bague d'étanchéité un ou plusieurs forages calibrés pour le passage de l'eau d'équilibrage. Dans ce cas, la quantité d'eau d'équili-
<Desc/Clms Page number 3>
ge pour laquelle la machine a été calculée demeure constante
Les dessins annexes représentent schématiquement quelques exemples
EMI3.1
d'exécution de l'objet de 19înventlon.
La fige 1 est une coupe axiale d'un ensemble comportant plusieurs dispositifs d9étanchéité établis de différentes manières et montés dans une pompe centrifuge.
Les figo 2 et 3 représentent des détails construits de différentes manières.
La fig. 4 représente un dispositif d'étanchéité applicable à une turbine par exemple,, cette figure montrant diverses variantes possibles.
Selon la figo 1. les roues mobiles 2 et 3. ainsi que les manchons d9écartement cu espaceurs 4 et 5 et le disque d'équilibrage 6. sont
EMI3.2
clavetés sur l'arbre 1 d9un rotor Sur l.9espaceur 4 est emmanchée à chaud une bague de guidage 7. tandis que 1gespaceur 5 est établi en une pièce avec un collier 8 formant bague d98tanchéito De méme,, des bagues à épaulement 9 et 10 sont emmanchées à chaud sur la face externe des roues 2 et 3. L'enveloppe fixe 11. visible seulement en partie? comporte une ouïe 12. un appareil distributeur 13 à canal d'inversion 14. ainsi qu'un second appareil
EMI3.3
distributeur 16 relié à joint étanche,, par llentremîse d9un flasque d'en- veloppe 17 à la partie inférieure de l'enveloppe 11.
L'étanchéité entre l' ouïe 12 et la paroi extérieure de la roue 2 est assurée par une bague 20 à déplacement axial dont la surface en bout radiale lisse est en contact avec la surface en boue radiale lissée qui lui fait face. de Inouïe. La pression engendrée par la roue 2 se propage à travers l'interstice entre cette roue 2 et le distributeur 13 et parvient dans la chambre 21 et de 1a,
EMI3.4
dans l'expace intérieur 22 du corps de 12oui:e 12. De là9 la pression agit à travers l'interstice 24. ou à travers des forages non représentés,, dans l'espace annulaire 25 situé au-dessous de la bague d'étanchéité 20 à mouvement axial.
Par conséquente lorsque la pompe'est en marches la surface inférieure de la bague d'étanchéité 20 est soumise à la pression engendrée par'l'étage en question de sorte que la bague d'étanchéité est pressée contre la surface en bout de Inouïe 12. L'usure qui en résulte est limitée
EMI3.5
par le fait qu'un épaulement 26 de la bague 20 ssappuie contre la bague à épaulement 9.Afin que la position du dispositif d'étanchéité qui correspond à la marche de régime. puisse se maintenir même en l'absence d'une pression de régime on prévoit des ressorts de pression 27. disposés en tri-
EMI3.6
angle ou en carré par exemple.
On prévoit en outre des broches d'entra1ne- ment 28.
EMI3.7
Le système d"étanch,t entre la roue 3 et la bague intérieure fixe de 1?enveloppe en contact avec cette roue est établi d'une manière
EMI3.8
analogue Par contre, le système entre l'espaceur tournant 4 et le canal d'inversion fixe 1/ diffère légèrement de celui qui vient d'étre exposé.
Sur le canal d9inversion 14 est fixé - par vissage par exemple - un anneau plan 30. contre lequel s'applique la bague d9étanchéité à mouvement axial 31. Ici également,, on a veillé à ce que la pression élevée qui se manifes-
EMI3.9
te au point i3.nlex3.onn puisse agir sous la bague d'étanchéité 31e pour presser celle-ci contre 1?anneau 30.
On remarque' en outre sur la face intérleuree en 32, des épaulements destinés à limiter l9usureo
Alors que dans l'exemple d'exécution décrit en dernier lieu la bague d'étanchéité tournée tandis que la surface d 9 étanchéité qui coopère avec elle est fixée on a adopté la disposition inverse dans le système
EMI3.10
qui assure l'étanchéité vis-a'-vis du disque d'équilibrage 6.
L'enveloppe 11 est munie d'une bague 40, dans laquelle se visse une autre bague ±la Celle-ci supportée à l'aide de ressorts et de broches d'
<Desc/Clms Page number 4>
entraînement, la bague d'étanchéité 42 à déplacement axial. Cette dernière est appliquée contre le collier $-façonné au tour sur l'espaceur 5. On remarque que toutes les surfaces d'étanchéité sont radiales, ce qui autorise dans une grande mesure les déplacements radiaux dus aux flexions de l'arbre ou aux déformations de l'enveloppe.
Là où il s'agit d'admettre des flexions plus ..importantes que celles qui ont été supposées dans cet exemple, une-construction adéquate peut être établie sans difficulté.
Le collier 8 de l'espaceur 5 est muni de forages calibrés 43 qui, d'une part, communiquant avec le dernier étage par les espaces annulaires 44. 45 et par l'interstice entre le distributeur 16 et la roue 3-et, d'autre part. débouchent dans 19espace situé devant le disque d'équilibrage 6.
Par conséquent les dimensions de ces forages déterminent la quantité du fluide agissant sur le disque d'équilibrage, cela d'une manière définitive et indépendamment de l'usure.
La fig. 2 montre d'une façon plus détaillée le système d'étanchéité de la roue 2. décrit plus haut. la surface complémentaire de la bague d' étanchéité étant omise. La pression, qui vient agir sur la surface externe de la bague à épaulement de la manière décrite plus haut., pénètre dans le canal annulaire 51 par un ou plusieurs forages 50. La surface interne de la bague d'étanchéité 20 à déplacement axial s'applique à joint étanche mais à mouvement relatif contre la face externe de la roue 2, tandis qu'on prévoit, à l'extérieur de la bague 20. un espace annulaire 52 ou une série de forages, qui permettent une propagation de la pression dans l'espace 25.
Les extrémités des ressorts 27 sont engagées respectivement dans les forages 53 et 54, qui guident ces ressorts.De l'autre côté du dessin, on voit, dans le plan de coupe, une des broches d'entraînement 28, laquelle est insérée dans un forage 55 de la bague d'étanchéité 20 et pénètre à jeu dans un forage 56 prévu dans la partie extérieure de la roue 2. Ces broches servent au guidage, ainsi qu'à assurer l'entraînement et peuvent d'autre part limiter le déplacement de la bague vers l'arrière en heurtant le fond de forage 56. On retrouve dans la fig. 2 les épaulements, pressés l'un contre l'autre, des pièces 9 et 20.
La fig. 3 montre une variante de l'exemple du système d'étanchéité vis-à-vis de l'ouïe 29.La bague d'étanchéité 60 à déplacement axial représenté ici est maintenue par des vis 61 et est guidée dans le même sens que les broches d'entraînement 28. D'autre part, la tête 62 de la vis 61 agit. comme butée vis-à-vis du fond 63 du forage 64 de la bague, tout en rempla- çant les épaulements qui agissent l'un sur l'autre en 26, Fig. 2. Ici également, on prévoit des ressorts de pression.
Finalement, la fig. 4 montre une coupe à plus grande échelle d' une variante des surfaces de contact d'une bague d'étanchéité 70 à déplacement axial et d'une surface d9étanchéité d'extension radiale 71. l'axe de rotation étant supposé se situer à gauche. Les deux surfaces présentent des nervures annulaires 72. 73. 74. 75 à la manière d'un joint à labyrinthe, les distances radiales - c'est-à-dire les différences des rayons - étant telles que l'on obtient des intervalles 76. 77 et 78, qui permettent un écart radial en cas de flexion de l'arbre ou de déformation de l'enveloppe.
Afin de faciliter et d'accélérer le rodage jusqu'à la valeur requise, on peut prévoir dans les nervures annulaires des gorges annulaires de section triangulaire (79), rectangulaire (80) ou semi-circulaire (81). De tels systèmes d'étanchéité à labyrinthe, qui produisent les mêmes effets que les systèmes plan des fig. 1. 2 et 3. conviennent notamment aux turbines.
Les gorges 79. 80, 81 de la fig. 4 peuvent au besoin être prévues également sur les surfaces actives des bagues 20. 31. 42 et 60.