CA1193482A - Dispositif d'etancheite de l'arbre d'entrainement d'une pompe pour fluide a haute pression - Google Patents

Abstract

Dispositif d'étanchéité de l'arbre d'entrainement d'une pompe pour fluide à haute pression. Ce dispositif comprend un ensemble de joints dont l'un au moins est un joint hydrostatique. Entre le joint et l'espace intérieur de la volute est disposé un joint auxiliaire du type mécanique. Le joint sépare deux chambres qui peuvent être mises en communication ou isolées par une canalisation sur laquelle est disposée une vanne. L'invention s'applique, en particulier, aux pompes primaires d'un réacteur nucléaire à eau sous pression.

Description

"Dispositif d'etanchéité de l~ar'bre d'entrainement d'une p~mpe pour fluide à haute pression"
L~invention concerne un disposi~if d~étanchéité de l'arbre dten-raine~nt d~e pompe pour fluide à :haute pressionO
Dans les réacteurs nucléaires ~ eau sous pression, le circuit de refroidissement du coeur du réacteur, ou circuit pxim~ire, co~orte au moins deux bouoles de refroidisement comporta~ chacune un ~énerateur de vapeur et une pompe pr.imaire~
Les po~pes pri~aires son~ constituées par une ~olute à 11in~é
rieur de laquelle tourne u~e roue à aubes fi~ée rigideme~ a l'~x~rémi~é
inférieure dlun arbre d~entrain~ - ~ relié a un teur.
L~etan~héité le long de 17arbre d1entrainem~n~ est assurée par un ensemble d~ ~oin~s disposés dans un espace annulaire eon~ris entre l~arbre et un boitier qui entoure cet arbre depuis sa sor~ie de la volute ~usqu~au moteur d~erltra~n~ - to Le dispositi~ d7étanch~i~é de l'arbre d~entra1n~ t des pompes primaires est ~énralement constltué de trois ~oints compo~ant ~ne par~ie fixe solidalre du boitier et une partie ~bile solidaire de l9arbre.
Les surfaces en re8ard de ces élém~nts d7étanchéité sont soit en eontact frot~ant, le joint est alors de type mecanique, soit séparées par une couche de fluide en circula~lon entre les surfaces du ~oint, le joînt est alors du type hydrostatique.
Les joints de type m~canique son~ généralemen~ 1~tllisés pour as-surer ltétan~lei~é entre deux zones dont les pressiDnS ne son~ pa~ trop dif~
férentes, alors que les joints hydrostatlques peu~ent ~tre utilises dans le cas d~une tres grande différence de pression de part et d'autre du ~oint~
Dans le cas des pompes primaires, l'eau mise ~n circulation par la pompe est ~ une pression ~res élevée~ de l'ordre de lS0 b~rs. Le ~oi~t disposé le plus en a nt sur l~arbre dte~ra~nl - t, c9est-à-dire le plus près de la partie interne de la pompe~ es~ ~o~c un joint hydrostatique qui perme~ une chute de pression imp~rtante en~re ~a partie a n~ et sa par~ie ~val~ alors que les ~o~nts disposés en a~al sont genéral~ent des ~oints de ~ype mécaniqueO
Un cireuit dqalim~tation en eau froide 50US haute pression per-me~ dlamener dans l~espace ann~ ire limite p~r le boitier, à l~a~o~t du ~oint hydro~tatique, de l'eau don~ une par~iD est refoulée vers la volute de la pompe et dont une ~utre partie fournit le eou~ant de fuite du ~oint 93~

-- :2 hydr~statique. Apres etre passée par le joint hydrostati-que, cette eau sert également au refroidissement des joints mecaniques.
Un joint hydrostatique tel qulutilise sur les pompes primaires comme joint amont a par exemple ete decrit dans le brevet français 1.435.568 publié le 7 mars 1966 et ayant pour inventeur Erling FRISCH et le brevet français

2.049.690 publie le 26 mars 1971 et ayant pour inventeur Picco ~ILLASORo Pour qu'un tel joint hydrostatique puisse fonc-tionner correctement, c'est-a-dire sans ~ue les elements disposes en vis à vis limitant la fuite viennent en contact, il faut que la chute de pression a travers ce joint hydro-statique, appelee ~p, soit superieure à une certaine limite.
Dans le cas des pompes primaires utilisees actuel-lement, cette limite de pression est de l'ordre de 14 bars.
Dans le cas du fonctionnement normal du reacteur nucleaire, l'eau de refroidissement du reacteur est à une pression de l'ordre de 150 bars et l'eau froide injectee en amont du joint hydrostatique est a une pression un peu superieure, si bien que la chute de pression a travers le joint hydrostatique est très elevee et generalement voisine de 150 bars. Le bon fonctionnement du joint hydrostatique est alors assure.
Il n'en est plus de même lorsgue la pression du circuit primaire diminue par ex~mple dans le cas d'un arrêt du reacteur, puisqulon est amene a diminuer la pression d'injection de l'eau froide lorsque la pression du circuit primaire diminue. Il faut en effet equilibrer le5 debits injectes dans la volute et dans le joint et ces debits dependent de la pression du circuit primaire~
En desà d'une certaine valeur de la pression dans le circuit primaire la pression d'injection en amont du joint hydrostatique n'est plus suffisante pour assurer un tel ~P superieur a 14 bars et le joint hydrostatique ne peut plus fonctionner correctement.
Dans le cas des pompes primaires utilisées dans les reacteurs nucleaires à eau sous pression actuellement en service, on considère que la pression minimale du fluide primaire en deça de laquelle on ne peut plus faire fonc-tionner le joint hydrostatique est de l'ordre de 26 bars.
Lors de l'arret d'un reacteur nucleaire a eau sous pression, il est necessaire de laisser en fonctionne-ment au moins une pompe primaire pour permettre la circula-tion du fluide primaire et assurer un bon refroidissement.
En fin de refroidissement, on est en presenced'eau a 26 bars et à une temperature de 70C. A cette temperature, on ne peut plus maintenir la pression de 26 bars par utilisation de l'equilibre liquide/vapeur dans le pressuriseur du reacteur et on est oblige d'utiliser des pompes de charge d'un circuit auxiliaire pour maintenir la pression.
Selon la presen~e invention, il est prevu un dis-positif dletancheité de l'arbre d'entralnement dlune pompe ~0 pour fluide a haute pression, cette pompe pouvant fonction-ner sous deux regimes differents, à savoir un premier regime dans leguel ledit fluide est mis en circulation à haute pression, et un second regime dans lequel ledit fluide est mis en circulation a relativement basse pression, ledit dispositif comprenant, suivant la longueur de l'arbre, un ensemble de joints dont l'un au moins est du type hydrosta-tique a fuite de liquide entre deux eléments limitant cette fuite et qui sont reli.e.s l'un a l'arbre et l'autre à un boltiex entourant l'arbre et ménageant un espace annulaire autour de celui-ci, ce joint, dispose le plus en amont, c'est-à-dire vers l'intérieur de la pompe, nécessitant pour son fonctionnement une pression differentielle suffisante, a savoir supérieure a celle ~ue peut produire ladite rela-tivement basse pression, entre la partie de l'espace annu-laire ~ui se trouve en amont du joint, formant une chambre ~g~
- 3a --en communication avec la partie interne de la pompe, et la partie de cet espace annulaire qul se trouve a l'aval du joint, cette chambre etant alimentee par un circuit d'ali-mentation r en un fluide à une pression superieure a celle qui permet d'obtenir ladite pression differentielle neces~
saire au bon fonctionnement dudit joint hydrostakique, caracterise par le fait qu'il comprend en outre:
- un joint auxiliaire du type mecanique dont les pieces en regard sont liées l'une a llarbre et l'autre au boltier, disposé dans la chambre, en amont de l'arrivee de fluide sous pression, separant cette chambre en une paxtie amont et une partie aval, - et une canalisation disposee entre la partie amont et la partie aval de la chambre, sur la~uelle est placee une vanne permettant de mettre en communication ou d'isoler les deux parties de la chamhre, respectivement quand ladite pompe fonctionne sous ledit premier regime~ et sous ledit second regimeO
Le dispositif d'etancheité selon l'invention permet un maintien en fonctionnement de la pompe, même si la pression du fluide dont on effectue le pompage atteint des valeurs faibles, par exemple inferieures à 26 bars.
Afin de bien faire comprendre llinvention, on va maintenant decrire, a titre d'exemple non limitatif, en se ~5 ré~erant aux figures jointes en annexe, une pompe primaire d'un reacteur nucléaire a eau sous pression equipée d'un dispositi d'etanchéité suivant l'invention.
La figure 1 représente dans une vue en perspective eclatee, une pompe primaire suivant llart antérieur, La figure 2 représente de façon schématique le dispositif d'etancheite suivant l'invention, La figure 3 représente dans une demi-vue en coupe par un plan vertical de symétrie, la partie supérieure d'une pompe primaire pour réacteur nucleaire comportant un dis-positif d'etanchéité suivant l'invention.

Sur la fi~ure 1 on voit une ponpe comportant un corps de poT~e ou volute 1 percée d~une ouverture d~aspiration 2 Pt d~une ouver~ure de re~oulement 3.
A llintérieur de cette volute es~ dYpose un diffuseur 4 à llin térieur duquel tourne la roue à aubes 5 solidaire de llarbre dten~raine-' ment 7 relié au m~teur d7entrainement de la po~pe non représ~nté.
La partie supérieure du corps de pompe comporte une bride d~ac couplement 8 permettant de relier la pompe à son groupe m~eur.
L~arbre 7 est entouré dlun boi~ier 9 qui ménage autour de celui-ci un espace annulaire lOo A sa partie superieure le boitier 9 com~or~e une bride 12 de rac-cordement a1t mo~eur d~entrainement de la pompe.
Dans l~espace Ann~ re 10 son~ disposés des ~olnt~ 14 permett~nt d7assurer l'étanchéite le long de l~arbre 7.
Lrarbre 7 porte à son extrémité pénétran~ dans la volute la ro~e à a~abes 5 et sort de cette volute au niveau d~un joint labyrinthe 16 au ni-veau duquel est égale~en~ placée u~e barriere ~her~fque 17 parcourue par un serpentin de refroidissement. Llarbre 7 passP. ensuite dans un palier 15 assu-rant son malntien et son guidageO
Le ~oint 14 disposé le plus en amont9 c~est-à~dire vers lli~té-rieur de la pompe, et donc placé le plus près du palier 15, est du type hy-drostatique, de l~eau roide sous une pression légèrement supérieure à la pression de l~eau dans la po~pe étant ~njectée par des tubulures diin~ection 19, dans ltespace ~nn~ fre 10 dans lequel sont places les ~oints d~étanché-ité.
Sur la figure 2~ on voit une représentation sché~atique du dispo-sitif d~tanchéité associé à une po~pe pri~2ire du m~m~ type que la pompe représentée ~ la figure 1.
A l'intérieur de la volute 21 de cet~e pom~e eomportant une ouver-ture dBaspiration 22 et une nuver~ure de refoulem~nt 23~ la roue à aubes25 solldalre de l~extremité de l~arbre 27 est mise en ro~ation par llinter_ m~diaire de ~et arbre. A sa sor~ie de la volu~e 21~ 17arbre passe dans un ensemble de deu~ joints à labyrinthe 26 eux~me~s entourés pa~ la barrière ~herm~que 28 parcourue par un serpenti~ 29 alimen~e ~n eau de refroldisse~

3~ ment.
Lqarbre 27 traverse alnrs 17espace ~nnt~la;re ~0 délimi~é par un boitier disposé autour de llarbre suiv2n~ toute sa longueur`~usqula son raecorde~nt avec le m~eur dqen~ralnement 31~ ..

A 1~ intérieu~ de cat e5pac~ annulaire sont disposes le palier 32 per~ttan~L le guidage de l'arbre et l~s ~int~ 33~ 34 et 350 L~ premier ~oint 33 disp3sé en amont ~st du type hydro~tacique a fuite de liqulde entre sa par~le tour;naII~ce ~iee ~ rbre 27 et sa par~
S ~ie fixe liée au boitler, Les ~o:Lnes 34 e~c 35 soIlt du type m~canique comporltant deux par tles frottantes d~nt l~une es~ solidaire de llarbre e~ l~autre du boitier.
Un circuit dqalimentation en eau rside sous pression 36 permet d~eneI eetl:e eau froide à une pression légèr~nerlt su~érieur2 ~i la pres-10 ~ion de l~eau mise eI~ circula~lon par la po~pe, d~ns l~espace s~nn~2l~ire30, en ant du ~oln~c 33~
La pression de cette eau froide ~s~ reglée ~zâce ~ une vamle de dérivaeion 38 e~c à une pon~pe de charge 40 placee en deriva~ ur la con~
duite princip~le du circui~ 26~ Un m~no~tre 39 permet de véri~ier la pres~
sion dans le circuit 360 Des conduites 41~ 42 et 43 p~r~t~ de recycle~
l~eau recupérée à llaval du ~oint 33 dans le cirruit d'alim2ntatio~ 36.
Le dlsposi~if d7e~anchei~é ~uivant l~invention comporte de plu5 un ~oint auxiliaire 45 disposé en a~nt tu ~oint hydro~ta~ique 33 d~ns la par~ie de l~espace ~n~nl~ire 30 c~ns~i~uant une ~h~mbre 46 en c~
tion avec la partie i~terne de l~ ~olute 41, par 17int~ 'dia~re des ~oint~
labyrinthes 2~.
Le ~int auxiliaire 45 est un Joint ~e~an~que à ~urfaces frottan-tes qui sépare la cha~bre 46 en deux parties, 46a ~ituée ~ l~am~nt du ~oint 4S et 46b situé à llaval du Joint 45 et à l~am~nt du ~oint 33.
Une conduite 47 permet de ~oindre les deu~ psrties 46a et 46b de la cha~bre 460 Une vanne 48 est disposée sur la c~nalisaLion 47 pour i~oler ou mettre en c icstion les deux parties de la cha~re 46~
Un clapet 49 est place en derivatlon par rapport à la ~ ne 48.
}~n se reportant à la figure 3, on re~crouve les m~as éléments ~ue ceux représentés sur la figure 2 et a~ec les m~nes repères, la p~lape primai-re é~ant du meme type que la pc~pe représerltée sur la figure lo Sur la figure 3~ le circuit 36 n'a cepe~dant pas éte représ~nte pour évlter de co~pliquer la représ~ntation.
Le 30int au~illaire 45 est cons~it~é d~une partie fixe S0 s~lidai-re du.boitier 9l et dlu~e partie mobile 51 solidaire de l~arbre 27, dont les surfaces disposées en ~is a ~is son~ ~n con~act frottan~. .
Le ~oint hydrcs~atique 33 conslste en tme gar~iture f lottante et ~e garni~ure t~urnante séparées par u~ fllm d~eau à fuite coTltrôlée.

L'épaisseur du film d'eau (eau filtrée et in~ectée en amont du Joint 33 dsns la cha~ibre 46b par :Le circuit 36~ e~t reE~ulee par le prof il ~3~o~e-trique des par~ies actives en fonction de la presslon dans 1~ ch~bxe 46b.
La fuite d~eau de ce ~oint 33 e~c evacu~e e~ par~ie à tra~ers le ~oint 34 et le x~s~e vers le circuit 36 pa~ la conduite ~1 (figure 2).
On ~ra mairlt~ant d~crir0, en se référant aux figures 2 et 37 le fonctior~ement du di~positif dtétanc}iei~é ~uiY~n~ in~rention.
Pendanoc 1~ onctlQnni~ t IlonDal de la poD~pe, le réacteur nucle-aixe étant e~ service, celle-ei provoque la circulation de l l eau du circuit primaire qui e~t à 3~e pre~sion de l~ordre te 15t) bars et à une ten~pérat~r~
supérieure a 30ûC. La vanne 48 disposée ~ur la coslduite 47 mettant en com~
munication les deux pa~ties de la ~hambre 46 est ou~eree. De l~eau froide est an~née par le ciFcuie 36 dans la partie 46b de la chambre, à une pres-sion un peu ~uperieu~e à la pr~ssio~ du cirruit prl~air~, La mise ~n commu-nication d~s deux parties 46a et 46b de la chambre 46 par la ron~u~te 47 produit un équilibrage de pre~slon en~re ces deux p~rties de la cha~bre, si bien que 18 diF érence de pressiDn à tr~vers le joint auxilia1re 45 es~ ~é-gligeableO On peut d~c prévoir un contac~ frot~ant entre les sur~aces en regard du ~oi~t 457 avec u~e pression d'applicatlon faible ~i bien que 1'u-sure de ce ~oint est très li~itée. D`au~re part, le ~oint 45 ~t refroid1 par l'eau du clr~ui~ 36 et travaille à tempéra~ure derée.
Le dispositi~ d'étanchéité fonc~ionne alors comme les diepositifs de l~art antérleur7 13 d1férence de pression à t~avers le ~oint hydzostati-que 33 étsnt pratiquement éga~ ~ la surpression du c~rcuit primaire.
Lors d~un arrêt du réacteurl la pression du clrcuit primaire peut s~a~aisser ~usqula une valeur faible, par exem~le inférieure a 26 bars. Pour maintenir la pompe en état de mar~he, 11 su~flg alors de ~ermRr la ~anne 48 et de rgler le débit et la pression de 1~eau froide in~ectée par le circuit 36, en agissant sur la ~anne 38 et la pompe ~0, de fa~on à maintenir une pression suffisante dans la cha~ibre 46b délimitée par le ~oint hydr~statiqlle 33 et pax le joint auxil~aire 45. De préférence, on choisira cet~e pression égale a 26 bars de fa~on à ~tre ,~US'C8 au-dessus du seuil min~mal du.~ p permettant le fonctionnement du ~oint 33~
Dans ees eondi.~ions9 la diff~ence de pression cntre la chambre 46b soumise à une pression voisine de 26 ba~s et la cha~bre 46a soumise à
u~e pression ~ToiSine de celle du circ~it primaire est au plus ég~le à 26 bars, si bien que la chute de pression de part et diautre du joint 45 ~st au plus égale a eette valeurO

~3 Cecl est compa~ible avec un fonctionnemen~ du join~ 45 dans de bonnes conditions.
Dans tous les cas, les joints à surfaces frottantes du dispositif d'étanchéité représen~é a~Y figures 2 et 3 fonctionnent dans d~ bonnes conditions car les chu~es de pression de part e~ d?autre de ces joints sont faibles et la circulation de l~eau venant en contact avec ces Joints perme~
la lubrifica~ion des surfaces frottantes~ Le joint 45 est refroldi et lu~
brifié par l'eau injecte par le circ~it 36 alors ql~e les ~oints 34 e~ 35 sont refroidis et lubrifiés par une partie de l'eau traversant le joint 33.
Cette eau permettan~ le refroidissement e~ la lubrification est finalemen~
recyclee par les conduites 419 42 e~ 43~
Le clapet 49 placé en dérivation par rapport à la va~ne 4S est conçu pour rester ferme tant que ia pression dans 1~ chanbre ~6a est iné-rieure à la pression dans la chambre 46b. Ce clape~ ne s'ouvre que dans le cas dtune surpression dans la chambre 46a par rapport à la chambre 46b~ Pen-dant le fonctionnement normal du réacteur, ce clapet rest2 donc ferme puis-que le circuit 36 introduit de l'eau en légere supression par rapport à
l?eau du circui~ primaire.
Lors d'un 2rr~t du réacteur, la pression étant amenée à une ~aleur faible dans le circuit primaire e~ la vanne 48 étant fermee, s~il se pro-duit une avarie sur le ci~cuit d~aliment.~ion 36, la pression dans la cham-bre 46a devlent supérieure à la pression dans la cha~bre 46b qui n'est plus alimentée et le clapet 4~ s70uvre9 si bien que lteau du circuit primaire refxoidie par la barrière ther~ique 28 peut pénétr~r dans la chambre 46b et assurer la fonction de refroidissement et de lubrifica~io~ des joints à
surfaces frottantes en remplacement de l'eau froide injectée par le circuit 36~ -On voit donc qu'un a~antage du dispositif sui~ant 11 invention estde permettre le fonctionne~ent des pompes primaires d'un réacteur nucléaire à basse pression~ Pendant les phases d'arret du réacteur i.l devient possi-ble de continuer à faire circuler l~eau du cireui~ primaire sans recourir ~ à des m~yens auxiliaires pour maintenir sa pression audessus de 26 bars~D'autre p~rt le circuit de refroidissement du réac~eur qui per-me~ d'abaisser la température et la pression du circuit primaire au cours des phases de rnise en arrê~ a iroid du réacteur peut atre utilisé a des pressions inférieures à 26 bars ce qui n'e~ait pas possible antérieurem~nt puisqu'une circula~ion de l'eau primaire doit ~tre maintenue pendant les phases de mise a l'arrê~.

~3~
Il en résulte que ce circuit de refroidissement pourra etre uti-lisé jusqu'aux phases ultimes de l'ar:rêt à froid du réacteur.
Mais l'invention ne se li~i~e pas au de de réalisation qui vient d'être décrit elle en ccmporte au c~ntraire ~utes les varia~tes~
C'est ainsi qu'au joint hyd:rostatique disposé en am~nt du dispo-sitif d'étanchéité peuvent etre associés des joints d'un type quelconque et que le no~bre de ces joints n~est pas limite~
On peut égale*ent i~aginer l~utilisation d~un dispositi d'étan-chei~é sui~ant l'invention dans le cas d~una pom~e pour fluide à haute pression différente d'une pompe de circulation de l'eau du circuit prim~ire dlun réacteur nucléaire à eau sous pression.

:;

Claims (4)

Les réalisations de l'invention, au sujet des-quelles un droit exclusif de propriété ou de privilège est revendiqué, sont définies comme il suit:

1. Dispositif d'étanchéité de l'arbre d'entraî-nement d'une pompe pour fluide à haute pression, cette pompe pouvant fonctionner sous deux régimes différents, à savoir un premier régime dans lequel ledit fluide est mis en circu-lation à haute pression, et un second régime dans lequel ledit fluide est mis en circulation à relativement basse pression, ledit dispositif comprenant, suivant la longueur de l'arbre, un ensemble de joints dont l'un au moins est du type hydrostatique à fuite de liquide entre deux éléments limitant cette fuite et qui sont reliés l'un à l'arbre et l'autre à un boîtier entourant l'arbre et ménageant un espace annulaire autour de celui-ci, ce joint, disposé le plus en amont, c'est-à-dire vers l'intérieur de la pompe, nécessi-tant pour son fonctionnement une pression différentielle suffisante, à savoir supérieure à celle que peut produire ladite relativement basse pression, entre la partie de l'es-pace annulaire qui se trouve en amont du joint, formant une chambre en communication avec la partie interne de la pompe, et la partie de cet espace annulaire qui se trouve à l'aval du joint, cette chambre étant alimentée par un circuit d'alimentation, en un fluide à une pression supérieure à
celle qui permet d'obtenir ladite pression différentielle nécessaire au bon fonctionnement dudit joint hydrostatique, caractérisé par le fait qu'il comprend en outre:
- un joint auxiliaire du type mécanique dont les pièces en regard sont liées l'une à l'arbre et l'autre au boîtier, disposé dans la chambre, en amont de l'arrivée de fluide sous pression, séparant cette chambre en une partie amont et une partie aval, - et une canalisation disposée entre la partie amont et la partie aval de la chambre, sur laquelle est placée une vanne permettant de mettre en communication ou d'isoler les deux parties de la chambre, respectivement quand ladite pompe fonctionne sous ledit premier régime, et sous ledit second régime.

2. Dispositif d'étanchéité suivant la revendica-tion 1, caractérisé par le fait qu'un clapet est placé en dérivation par rapport à la vanne qui permet l'isolation ou la mise en communication des deux parties de la chambre, ce clapet étant conçu pour s'ouvrir lorsque la pression dans la partie de la chambre située en amont est supérieure à la pression dans la partie de la chambre située en aval du joint auxiliaire.

3. Dispositif d'étanchéité suivant la revendica-tion 1 ou 2, dans le cas d'une pompe de circulation de l'eau primaire d'un réacteur nucléaire à eau sous pression, comprenant, depuis la pompe jusqu'au moteur d'entraînement de celle-ci, une barrière thermique, un palier, un joint hydrostatique, un premier joint mécanique à surfaces frot-tantes et un second joint mécanique à surfaces frottantes, caractérisé par le fait qu'il comprend en outre un joint mécanique à surfaces frottantes intercalé entre la barrière thermique et le palier qui constitue le joint auxiliaire.

4. Dispositif d'étanchéité suivant la revendica-tion 1, dans lequel ledit premier régime est un régime normal, ladite haute pression est de 150 bars, ladite basse pression est inférieure à 26 bars, et ladite pression diffé-rentielle est de 14 bars.