Machine hydraulique La présente invention a pour objet une machine hydraulique qui peut être une pompe, une turbine ou une turbopompe réversible.
La machine hydraulique faisant l'objet de l'invention comprend une roue et un stator séparés par un espace annulaire dans lequel un gaz est envoyé sous pression, un dispositif d'étanchéité disposé à l'extrémité de l'espace éloigné du côté haute pression de la roue et comprenant des parties coopérantes sur la roue et sur le stator, et des moyens pour amener un liquide à ces parties coopé rantes sous une pression supérieure à la pression du gaz dans l'espace annulaire, de manière à empêcher la fuite du gaz à partir de cet espace entre les parties coopé rantes.
Elle est caractérisée par un collecteur annulaire disposé à l'extrémité haute pression de l'espace annulaire et à partir duquel le liquide amené aux parties coopé rantes est prélevé directement sans augmentation de pression, ce liquide provenant principalement d'une fuite entre la roue et le stator à l'extrémité haute pression de l'espace annulaire, l'arrangement étant tel que la majeure partie de ce liquide de fuite passe dans le collecteur et de ce dernier directement dans le dispositif d'étanchéité formé par les parties coopérantes, sans passer à travers l'espace annulaire.
Le dessin annexé représente, à titre d'exemple, des formes d'exécution de l'objet de l'invention et une variante.
La fig. 1 est une coupe d'une première forme d'exécution.
Les fig. 2 et 3 montrent des détails de cette forme d'exécution à plus grande échelle.
La fig. 4 est une coupe d'une seconde forme d'exécution.
La fig. 5 est une coupe d'une troisième forme d'exécution.
La fig. 6 est une coupe partielle d'une variante à plus grande échelle. Les fig. 7 à 12 sont des coupes d'autres formes d'exécution.
En référence maintenant à la fig. 1, on a représenté un aménagement d'une pompe, d'une turbine ou d'une turbopompe réversible qui comprend une roue 11 et un bâti de stator 12. Le bâti de stator 12 délimite un pas sage 14 du côté à haute pression de la roue, c'est-à- dire, du côté d'entrée dans le cas d'un fonctionnement en turbine et du côté de sortie dans le cas d'un fonc tionnement en pompe, dans lequel le courant de fluide est à peu près perpendiculaire à l'axe de rotation 13 de la roue, et en outre le bâti de stator détermine un pas sage 15 du côté à basse pression de la roue, c'est-à-dire,
du côté de sortie dans un fonctionnement en turbine et du côté d'entrée dans un fonctionnement en pompe, dans lequel le courant de fluide est à peu près parallèle à l'axe de rotation de la roue. La roue 11 comprend deux manchons, qui sont respectivement la couronne 16 et la. jupe 17, reliés par des aubes 18 (dont une seule est représentée), la couronne et la jupe délimitant entre eux le passage de fluide moteur de la roue.
Un joint 19 est prévu entre la couronne 16 et le bâti de stator 12 voisin, le joint déterminant la limite radiale interne d'un espace annulaire 20 entre la couronne 16 et le bâti de stator voisin. Le joint 19 est du type à laby rinthe (voir aussi la fig. 3) et il est alimenté en eau sous pression par un conduit 21 aboutissant à une rainure annulaire 22. La partie principale 19a du joint se trouve radialement à l'intérieur de la rainure annulaire 22, et une partie étroite 19b du joint se trouve radialement en dehors de la rainure annulaire 22. Un tuyau de purge est prévu dans le bâti de stator, à l'intérieur du joint 19.
L'eau tend à s'écouler entre le bord 23 de la cou ronne 16 de la roue et le bâti de stator voisin 12 et ce bâti est muni d'un collecteur annulaire 24 (voir aussi la fig. 2). Le collecteur 24 est relié au conduit 21. Une conduite 25 relie une source d'air sous pression (non représentée) à l'espace 20 par un étranglement 26. La pression de la source d'air est inférieure à la hauteur de chute d'eau dans le passage 14 du côté à haute pres sion de la machine.
On a aussi prévu une chambre annulaire 27 commu niquant avec l'espace 20 juste à l'intérieur du bord 23 de la couronne de la machine, et reliée à un réservoir par un tuyau de décharge 28. L'ouverture de la chambre annulaire 27 dans l'espace 20 est disposée afin. de déter miner la hauteur d'eau dans le collecteur annulaire 24.
La jupe 17 est munie sur son diamètre intérieur d'un joint labyrinthe 29, correspondant au joint 19 de la couronne, entre l'extrémité inférieure de la jupe 17 et le bâti de stator 12 voisin. La jupe 17 détermine, avec le bâti de stator 12 voisin, un espace 30, et le joint 29 se trouve à l'extrémité radialement intérieure et inférieure de l'espace 30 et isole l'espace du passage 15 du côté à basse pression de la roue.
Le joint 29 est alimenté en eau entre ses diamètres interne et externe par une source d'eau sous pression par l'intermédiaire d'un conduit 31 relié à une rainure annu- laire 32. La partie principale 29a du joint se trouve radialement à l'intérieur de l'espace 32 et la nervure extérieure 29b se trouve radialement alignée avec l'es pace 32.
Au voisinage du bord 33 de la jupe 17, le bâti de stator 12 est muni d'un épaulement constituant un collecteur annulaire 34 qui est relié au conduit 31.
Une source d'air sous pression est reliée à l'espace 30 par la conduite d'air 35 possédant un étranglement 36. La pression de l'air est moins grande que celle de la hauteur de chute d'eau dans le passage 15 à l'extrémité à haute pression de la machine. On a aussi prévu une chambre annulaire 37 qui communique avec l'espace 30 juste à l'intérieur du bord 33 de la jupe et qui est reliée à un réservoir par un tuyau de décharge 38.
Lors du fonctionnement de la pompe, de la turbine, ou de la turbopompe réversible, les collecteurs annulai res 24, 34 s'emplissent d'eau provenant d'une fuite entre la roue 11 et le bâti de stator 12 et aussi d'eau entrant dans les espaces 20, 30 et que la force centrifuge oblige à s'écouler au-dehors.
L'eau des collecteurs 24, 34 est envoyée aux joints respectifs 19, 29 par des conduits 21, 31, l'eau obturant les interstices entre la roue et le bâti de stator et empêchant ainsi l'entrée de l'air des espaces 20, 30. Les espaces 20, 30 sont remplis d'air sous pres sion de la source d'air sous pression par les conduites d'air respectives 25, 35 en refoulant toute l'eau vers l'extérieur dans les collecteurs 24, 34.
La limite entre l'air dans les espaces 20, 30 et l'eau dans les collec teurs 24, 34 est fixée par les ouvertures des chambres annulaires 27, 37 qui permettent à l'air et à toute l'eau en excès de passer dans le réservoir d'évacuation par les tuyaux de décharge 28, 38. Si la pression de l'air dans les espaces 20, 30 augmente, la limite est repoussée (vers la. gauche au dessin) et il s'échappe plus d'air par les tuyaux de décharge 28, 38.
Si la pression de l'air décroît, la limite se déplace vers la droite, et une cer taine quantité d'eau s'échappe par les tuyaux de décharge 28, 38. En volume, l'air s'échappe par un orifice à peu près 30 fois plus vite que l'eau, de sorte que le trop-plein d'eau passant par un orifice conçu pour une petite quan tité d'air est négligeable.
La seconde forme d'exécution représentée à la fig. 4 convient particulièrement à une turbine quoiqu'elle puisse être aussi utilisée, si on le désire, à la façon d'une pompe ou d'une turbopompe réversible. Dans cet amé- nagement les deux chambres annulaires 24, 27 qui coo pèrent avec la couronne, et les chambres 34, 37, qui coopèrent avec la. jupe, sont remplacées par une cham bre annulaire unique 47, 57 qui coopère avec la cou ronne et la jupe respectivement la chambre annulaire unique est reliée à un conduit respectif 21, 31.
Dans ce cas, le niveau de l'eau à la périphérie de la couronne et de la jupe est déterminé par le point auquel la chambre annulaire 47, 57 s'ouvre dans l'espace respec tif 20, 30 et l'eau et l'air passeront ensemble dans la chambre annulaire 47, 57 à partir de laquelle ils seront envoyés au joint respectif 19, 29 par les conduits 21, 31.
On remarquera que quand on utilise la machine en turbine, le dosage de l'air dans l'eau, qui alimente le joint 29 et qui s'écoulera dans le passage 15 du côté à basse pression de la roue, ne peut pas affecter défavo rablement le fonctionnement de la roue, mais quand on utilise la machine en pompe on peut trouver indésirable d'avoir une petite fuite d'air dans le passage 15 voisin de l'entrée de la roue.
La troisième forme d'exécution de la fi-. 5 convient particulièrement à l'utilisation en pompe mais peut être, si on le désire, utilisé en turbine ou en turbopompe réversible. Dans ce cas les chambres annulaires 24, 27 qui coopèrent avec la couronne 16 et les chambres 34. 3-7, sont remplacées respectivement par un collecteur annulaire unique 44, 54 coopérant respectivement avec la couronne et la jupe.
Le niveau d'eau dans les collec teurs annulaires 44, 54 est ici encore déterminé par l'épaulement du bâti de stator, l'eau passant dans les collecteurs 44, 54 à la fois du canal de fluide moteur, et de l'espace respectif 20, 30 sous l'effet de la force cen trifuge. Dans ce cas, toutefois, l'air alimentant les espa ces 20, 30 par les conduites d'air 25, 35 s'écoule dans le passage de fluide moteur 14 du côté à haute pression de la machine plutôt que dans les conduits 21, 31.
Si la pression de l'air dans les espaces 20, 30 augmente, la limite l'air et l'eau se déplacera vers la gauche, vers l'épaulement du bâti de stator, et si la pression décroît la limite se déplacera vers la droite vers le bord 23, 33 de la couronne ou la jupe.
Ainsi quand on utilise la machine en pompe, la fuite d'air dans le passage de fluide moteur sera en aval de la roue et ne gênera pas son fonctionnement, tandis que si on utilisait la machine en turbine la fuite d'air par les interstices entre le bord 23, 33 de la roue et le bâti de stator circulerait par le passage de fluide moteur de la roue. Dans cette réalisa tion, l'eau envoyée des collecteurs 44, 54 aux joints d'étanchéité par les conduits 21, 31 n'est pas mélangée à de l'air.
La fig. 6 montre une autre forme d'exécution. Dans celle-ci, au lieu d'un joint 29, on a prévu un joint 49 sur le diamètre radialement intérieur de la jupe 17. Le joint 49 comprend un labyrinthe 49a entre la base de la jupe 17 et le bâti de stator 12 voisin, et un épaulement 49b du bâti de stator 12 qui s'avance radialement vers l'intérieur pour recouvrir à peu près ou presque un épau lement 49e de la jupe 17 qui s'étend vers l'extérieur.
Le conduit 31 d'alimentation en eau est relié au joint entre la partie de joint en labyrinthe 49a et l'épaulement 49b en tendant ainsi à inonder cet espace et à empêcher ainsi l'écoulement de l'air de l'espace 30 dans le passage de fluide moteur 15 à l'extrémité à basse pression de la roue. La rotation de la jupe 17 donne une composante centrifuge à l'eau envoyée au joint et l'eau en surplus s'écoule au-delà de l'épaulement 49b dans l'espace 30 et elle est obligée par la force centrifuge à circuler vers l'extrémité extérieure de l'espace.
La machine représentée à la fig. 7 est une turbine, une pompe ou une turbopompe réversible d'un type à vitesse spécifique moyenne, dans laquelle l'extrémité à haute pression de la roue n'est pas d'un diamètre sensi blement plus grand que l'extrémité à basse pression. Cette machine comprend une roue 61 qui tourne dans un bâti de stator 62 autour d'un axe central 63.
Le bâti de stator détermine un passage 64 à l'extrémité à haute pression de la machine, c'est-à-dire l'entrée dans le cas d'un fonctionnement en turbine et la sortie dans le cas d'un fonctionnement en pompe, et le bâti de stator déter mine aussi un passage 65 du côté à basse pression de la machine, c'est-à-dire à l'extrémité de sortie en fonctionne ment en turbine et à l'extrémité d'entrée en fonctionne ment en pompe. La roue 61 possède une jupe 67 reliée par des aubes 68 à une couronne (non représentée).
Un joint 69 est disposé entre la partie la plus basse de la jupe 67 et le bâti de stator voisin 62, le joint étant alimenté en eau sous pression en un point entre ses extrémités. La jupe 67 et le bâti de stator voisin déter minent entre eux un espace 70, et le joint 69 empêche la fuite d'air de cet espace 70 dans le passage 65 à l'extré mité à basse pression de la machine. L'eau sous pression est envoyée au joint 69 par un conduit 71 dans une rai nure annulaire 72 placée entre les extrémités du joint 69.
L'eau de l'extrémité à haute pression de la machine s'écoule entre le bord 73 de la jupe et le bâti de stator voisin dans un collecteur annulaire 74 qui comporte un épaulement 74a pour guider l'eau de fuite dans le collec teur 74 et pour réaliser un joint d'étanchéité rudimentaire entre le bâti de stator et la partie 73a voisine de la jupe. On a représenté en 73b une bague d'étanchéité périphé rique habituelle. Le conduit 71 est relié au collecteur annulaire 74 de sorte que l'eau -du collecteur annulaire est envoyée au joint 69 par le conduit 71.
De l'air est acheminé d'une source d'alimentation en air sous pression dans l'espace 70 par une conduite d'air 75 possédant un étranglement 76. Au voisinage du joint 69, le bâti de stator 62 est profilé de façon à réa liser une chambre de décharge 77 annulaire à laquelle est relié un tuyau de décharge 78 possédant un étrangle ment 79. La chambre 77 communique librement avec l'espace 70 par une série de trous 77a pratiqués à la base de l'espace 70 et sur le côté radialement extérieur de celui-ci. La chambre 77 annulaire de décharge est aussi munie d'une série d'orifices de décharge 80 qui communiquent avec le passage 65 d'eau motrice à l'extrémité à basse pression de la machine.
Le joint 69 possède une partie inférieure 69a et une partie supérieure 69b moins étendue que la partie inférieure.
En cours de fonctionnement, la plus grande partie de l'eau à haute pression qui s'échappe passe dans le collec teur annulaire 74 par l'interstice existant entre le bord 73 et le bâti de stator 62. De ce point, l'eau est achemi née au joint 69 par le conduit 71, en isolant efficace ment l'interstice entre la jupe 67 et le bâti de stator pour empêcher la fuite d'air de l'espace 70 dans le pas sage 65. Un trajet secondaire pour l'eau qui s'échappe permet à celle-ci de passer entre l'épaulement 74a du collecteur annulaire 74 et la partie voisine 73a de la jupe 67, dans l'espace 70, et ensuite sous l'influence de la gravité et de la force centrifuge dans la chambre annu laire de décharge 77 par les trous 77a.
L'eau de la rai nure 72 passant par la partie supérieure 69b du joint 69 passe aussi dans 1a chambre de décharge annulaire 77 par les trous 77a.
L'envoi de l'air à l'espace 70 par la conduite d'air 75 entraîne l'eau hors de cet espace et dans la chambre annulaire de décharge 77, dans laquelle le niveau de l'eau est déterminé par le tuyau de décharge 78. L'étran glement 79 du tuyau de décharge 78 est d'une section plus large que l'étranglement 76 de la conduite d'air 75 ce qui donne l'assurance que l'eau ne peut pas descen dre sous le niveau du tuyau de décharge 78 à cause d'une pression d'air excessive.
L'eau de la chambre annulaire 77 s'échappe par les orifices de décharge 80, qui sont calibrés de sorte que l'eau qui fuit s'écoulant dans l'espace 70 entre l'épaulement 74a du collecteur annulaire 74 et la partie 73a de la jupe et par la partie supérieure 69b du joint 69 est égale à l'eau qui fuit par les orifices de décharge 80.
Initialement, si l'espace 70 et la chambre annulaire 77 sont remplis d'eau, l'air envoyé par la conduite d'air 75 s'accumulera dans l'espace 70 à une pression croissante, en le vidant graduellement de l'eau jusqu'à ce que le tuyau 78 soit découvert.
La machine représentée à la fig. 8 est une pompe, une turbine ou une turbopompe réversible d'un type à vitesse spécifique plus basse que celui qui est représenté à la fig. 1 ; dans ce type, le diamètre de la périphérie de la roue du côté à haute pression est plus grand que le diamètre du côté à basse pression. Une roue 81 tourne dans un bâti de stator 82 autour d'un axe central 83. Le bâti de stator détermine un passage 84 du côté à haute pression de la machine et un passage 85 du côté à basse pression, et la roue possède une jupe 87 reliée par des aubes 88 à la couronne (non représentée). La par tie inférieure 89a du joint principal 89 est la bague d'étanchéité périphérique habituelle de la roue.
Le joint 89 empêche la fuite de l'air de l'espace 90 disposé entre la jupe 87 et le bâti de stator 82. L'eau est envoyée au joint 89 par un conduit 91 qui conduit à une rainure annulaire 92 entre les parties supérieure et inférieure 89b, 89a du joint. Il n'y a pas de joint mécanique entre le bord 93 de la jupe 87 et le bâti de stator 82 voisin, et la fuite d'eau passant par l'interstice circule dans le col lecteur annulaire 94 d'où elle passe dans le joint 89 par le conduit 91. L'air est envoyé à l'espace 90 par une conduite d'air 95 possédant un étranglement 96, et la partie du bâti de stator voisine du joint 89 a la forme d'une chambre annulaire 97 de décharge qui communi que avec l'espace 90 par une série d'orifices 97a.
Un tuyau de décharge 98 possédant un étranglement 99 sort de la chambre 97 à un niveau supérieur à celui des trous de décharge 100 qui font communiquer la chambre de décharge 97 et le passage 85 de fluide moteur sur le côté à basse pression de la machine. A part des diffé rences notées, le fonctionnement de la machine de la fig. 2 est le même que celui de la machine de la fig. 7.
La machine représentée à la fig. 9 est une turbine qui est conçue pour une vitesse spécifique plus élevée que celle qui est représentée aux figures précédentes. Dans cette construction, une roue<B>101</B> tourne dans un bâti de stator 102 autour d'un axe central 103, et le bâti de stator délimite un passage 104 du côté à haute pression de la machine et un autre passage 105 du côté à basse pression. La jupe 107 de la roue est reliée par des aubes 108 à la couronne (non représentée) et elle est d'une forme à peu près conique, son diamètre à l'extrémité inférieure à basse pression étant plus grand que celui de l'extrémité supérieure à haute pression.
Cela permet la formation d'un joint 109 entre l'extrémité infé rieure de la jupe 107 et le bâti de stator voisin, le joint étant alimenté par l'eau s'écoulant par l'interstice entre le bâti de stator 102 et le bord 113 de la partie supérieure de la jupe 107 et ensuite par l'intervalle existant entre l'épaulement 114a et la partie 113a de la jupe 107. Sous l'effet de la force centrifuge et de la gravité, l'eau d'un mélange d'air et d'eau contenu dans l'espace 110 est isolée vers le bas et vers l'extérieur et l'air se déplace vers le haut et vers l'intérieur, l'eau créant ainsi un joint efficace 109.
De cette façon le joint 109 est alimenté en eau dont la pression est plus élevée que la pression dans l'espace 110, même si l'eau n'est pas introduite de l'exté rieur de l'espace. Une arrivée d'air sous pression dans l'espace 110 est prévue par le conduit 115 possédant un étranglement 116, et l'air en excès est refoulé vers un réservoir par un tuyau de décharge 118 qui a un étran glement 119, dont la section est plus grande que celle de l'étranglement 116. La hauteur de l'entrée du tuyau 118 dans l'espace 110 est choisie pour être sûr qu'il y ait une profondeur convenable d'eau pour réaliser le joint 109.
La fuite principale passant par l'interstice entre le bord 113 à l'extrémité supérieure de la jupe 107 et le bâti de stator 102 circule dans le collecteur annulaire 114, qui est muni à son point le plus bas d'orifices étran glés 121 par lesquels l'eau passe dans le passage 122 et ensuite dans le passage 105 à l'extrémité à basse pres sion de la machine.
La machine représentée à la fig. 10 comprend une roue 131 tournant dans un bâti de stator 132 autour d'un axe central 133. Le bâti de stator détermine un passage 134 à l'extrémité à haute pression de la machine et un autre passage 135 à l'extrémité à basse pression de la. machine. La roue possède une couronne 136 et une jupe 137 reliée à la couronne par des aubes 138.
Un joint 139 est disposé dans ce cas entre la cou ronne 136 et le bâti de stator 132 et il est logé à l'extré mité radialement intérieure d'un espace 140. Le joint 139 est un joint à labyrinthe simple et il est alimenté en eau à son extrémité intérieure par un conduit 141,
l'effet de la force centrifuge rendant l'étanchéité effective. Le bâti de stator coopérant avec le bord 143 de la cou ronne 136 possède un collecteur annulaire 144 qui est en communication avec le passage 134 et se remplit donc d'eau de l'extrémité à haute pression de la machine. L'eau du collecteur annulaire 144 est envoyée au joint 139 par le conduit 141.
L'air passe d'une source d'air sous pression dans l'espace 140 par une conduite d'air 145 comprenant un étranglement 146.A l'extrémité radialement extérieure de l'espace 140, le bâti de stator 132 possède une chambre annulaire 147 dans laquelle la force centrifuge oblige de l'eau passant par le joint 139 à circuler, cette chambre recevant aussi de l'eau passant par-delà un épaulement 144a du bâti de stator voisin du collecteur annulaire 144. Un tuyau 148 d'évacuation de l'air en excès part de la chambre annulaire 147 et possède un étranglement 149. Une conduite de décharge 150 part aussi de la chambre annulaire 147 pour l'évacuation de l'eau, par exemple celle qui circule au-delà de l'épaule ment 144a du collecteur annulaire 144.
Des trous 150a sont aussi prévus dans la couronne 136 pour permettre l'évacuation du surplus d'eau d'étanchéité.
La machine représentée à la fig. 11 est une pompe, une turbine ou une turbopompe réversible conçue pour une vitesse spécifique moyenne et elle diffère des formes d'exécution déjà décrites par un arbre horizontal. Une roue 151 tourne dans un bâti de stator 152 autour d'un axe central 153, et le bâti de stator détermine un pas sage 154 à l'extrémité à haute pression de la machine à un autre passage 155 à l'extrémité à basse pression. La jupe 157 de la roue est reliée par des aubes 158 à la cou ronne (non représentée).
Un joint 159, dans cet agence ment, est disposé entre la jupe 157 à l'extrémité à basse pression de la roue et le bâti de stator voisin. Le joint empêche la fuite de l'air d'un espace 160, à l'extrémité droite de l'espace comme représenté au dessin, entre la jupe 157 de la machine et le bâti de stator 152, au moyen de l'eau envoyée au joint 159 par le conduit 161 qui fait passer l'eau dans un espace annulaire 162 entre les deux extrémités du joint.
La partie principale 159a du joint, sur laquelle se produit la majeure partie de la diffé rence de pression, se trouve à droite sur le dessin et l'autre partie 159b du joint à gauche et subit une plus fai ble différence de pression.
Entre le bord 163 de la jupe et le bâti de stator voi sin est prévu le joint mécanique principal 163b de la machine. L'écoulement par ce joint 163b est dévié par un déflecteur 164a dans un collecteur annulaire 164, et le déflecteur 164a constitue un joint d'étanchéité rudi mentaire avec la partie 163a de la jupe. L'eau circulant sous pression dans le collecteur annulaire 164 est con duite au joint 159 par le conduit 161.
L'air sous pression pénètre dans l'espace 160 par une conduite d'air 165 possédant un étranglement 166. A la place de la chambre de décharge annulaire uti lisée dans les machines à axe de rotation vertical, on prévoit dans le cas présent une chambre de décharge 167 voisine du point le plus bas de l'espace 160 et cette chambre est reliée au point le plus bas de l'espace 160 par des tuyaux de purge 167a. Le niveau d'eau dans la chambre de décharge 167 est commandé par le tuyau de sortie d'air 168, qui possède un étranglement 169.
La dimension de l'étranglement 169 est choisie de sorte que la pression dans la chambre de décharge 167 soit suffisamment grande pour chasser l'eau dans le passage 155 par les tuyaux 170 du côté à basse pression de la machine.
La machine représentée à la fig. 12 est semblable à celle de la fig. 5, sauf qu'au lieu que le conduit 181 (correspondant au conduit 21) soit relié directement au joint 179 (correspondant au joint 19), il est relié à une chambre 187 de capacité adéquate, disposée au-dessus du joint 179. Ainsi la chambre 187 forme un réservoir d'eau qui s'écoule dans le joint 179 par gravité et sous l'influence de la pression de la chambre 187, par le con duit 181a.
Une conduite d'air 185 relie une source d'air sous pression à la chambre 187 par un étranglement 186, et une autre conduite 185a relie la chambre 187 à l'espace 180 entre la couronne 176 et le bâti de stator 172, la conduite 185a étant placée au-dessus du niveau de l'eau dans la chambre 187. Le niveau d'eau est déter miné par un tuyau de décharge 188 possédant un étran glement 189 par lequel sont évacués l'air en excès, et l'eau dépassant le niveau déterminé.
Dans les formes de réalisation décrites les étrangle ments 26, 36, 76, 96, 116, 146, 166, 186, 79, 99, 119, 149, 169 et 189 peuvent être réglables, et un étrangle ment réglable peut être prévu dans les tuyaux 21, 31, 71, 91, 141, 161 et 181. En outre, ces tuyaux peuvent être alimentés par toute source d'eau autre que celle qui est représentée. On comprendra qu'en maintenant l'espace 20, 30, 70, 90,<B>110,</B> 140, l60, à peu près rempli d'air et vide d'eau, les pertes dues à la rotation de la roue sont rédui tes et le rendement de la machine amélioré.
Dans les formes d'exécution des fig. 7, 9 et 11, le diamètre de la périphérie de la roue n'est pas sensible ment supérieur au diamètre du dispositif d'étanchéité (contrairement à la forme d'exécution de la fig. 8). Dans la forme d'exécution de la fig. 8, il est possible d'utiliser la force centrifuge pour maintenir l'espace entre la roue et le stator exempt d'eau.
Hydraulic machine The present invention relates to a hydraulic machine which can be a pump, a turbine or a reversible turbopump.
The hydraulic machine forming the subject of the invention comprises a wheel and a stator separated by an annular space in which a gas is sent under pressure, a sealing device arranged at the end of the space remote from the high pressure side of the impeller and comprising cooperating parts on the impeller and on the stator, and means for supplying a liquid to these cooperating parts under a pressure greater than the pressure of the gas in the annular space, so as to prevent the leakage of the gas. gas from this space between the cooperating parts.
It is characterized by an annular manifold arranged at the high pressure end of the annular space and from which the liquid supplied to the cooperating parts is taken directly without increasing pressure, this liquid mainly coming from a leak between the impeller and the stator at the high pressure end of the annular space, the arrangement being such that the major part of this leakage liquid passes into the manifold and from the latter directly into the sealing device formed by the cooperating parts, without pass through the annulus.
The appended drawing represents, by way of example, embodiments of the object of the invention and a variant.
Fig. 1 is a section of a first embodiment.
Figs. 2 and 3 show details of this embodiment on a larger scale.
Fig. 4 is a section of a second embodiment.
Fig. 5 is a section of a third embodiment.
Fig. 6 is a partial section of a variant on a larger scale. Figs. 7 to 12 are sections of other embodiments.
Referring now to FIG. 1, there is shown an arrangement of a pump, a turbine or a reversible turbopump which comprises an impeller 11 and a stator frame 12. The stator frame 12 defines a step 14 on the high pressure side of the impeller, that is to say, on the inlet side in the case of turbine operation and on the outlet side in the case of pump operation, in which the flow of fluid is little near perpendicular to the axis of rotation 13 of the impeller, and furthermore the stator frame determines a wise pitch 15 on the low pressure side of the impeller, i.e.,
on the outlet side in turbine operation and on the inlet side in pump operation, in which the fluid stream is approximately parallel to the axis of rotation of the impeller. The wheel 11 comprises two sleeves, which are respectively the crown 16 and the. skirt 17, connected by vanes 18 (only one of which is shown), the ring gear and the skirt delimiting between them the passage for the driving fluid of the wheel.
A seal 19 is provided between the crown 16 and the neighboring stator frame 12, the seal determining the internal radial limit of an annular space 20 between the ring 16 and the neighboring stator frame. The seal 19 is of the labyrinth type (see also Fig. 3) and it is supplied with pressurized water through a conduit 21 terminating in an annular groove 22. The main part 19a of the seal is located radially inside the seal. the annular groove 22, and a narrow part 19b of the seal lies radially outside the annular groove 22. A purge pipe is provided in the stator frame, inside the seal 19.
The water tends to flow between the edge 23 of the crown 16 of the wheel and the neighboring stator frame 12 and this frame is provided with an annular collector 24 (see also FIG. 2). The manifold 24 is connected to the duct 21. A duct 25 connects a source of pressurized air (not shown) to the space 20 by a constriction 26. The pressure of the air source is less than the drop height d. water in passage 14 on the high pressure side of the machine.
There is also provided an annular chamber 27 communicating with the space 20 just inside the edge 23 of the crown of the machine, and connected to a reservoir by a discharge pipe 28. The opening of the annular chamber 27 in space 20 is arranged so. to determine the height of water in the annular collector 24.
The skirt 17 is provided on its inside diameter with a labyrinth seal 29, corresponding to the seal 19 of the crown, between the lower end of the skirt 17 and the neighboring stator frame 12. The skirt 17 determines, with the neighboring stator frame 12, a space 30, and the seal 29 is at the radially inner and lower end of the space 30 and isolates the space from the passage 15 on the low pressure side of wheel.
The seal 29 is supplied with water between its inner and outer diameters by a source of pressurized water through a conduit 31 connected to an annular groove 32. The main part 29a of the seal is located radially at the bottom. 'inside the space 32 and the outer rib 29b is radially aligned with the space 32.
In the vicinity of the edge 33 of the skirt 17, the stator frame 12 is provided with a shoulder constituting an annular collector 34 which is connected to the duct 31.
A source of pressurized air is connected to the space 30 by the air line 35 having a constriction 36. The air pressure is less than that of the height of the waterfall in the passage 15 to. the high pressure end of the machine. An annular chamber 37 is also provided which communicates with the space 30 just inside the edge 33 of the skirt and which is connected to a reservoir by a discharge pipe 38.
During the operation of the pump, the turbine, or the reversible turbopump, the annular collectors 24, 34 fill with water coming from a leak between the impeller 11 and the stator frame 12 and also water. entering spaces 20, 30 and which the centrifugal force forces to flow out.
The water from the collectors 24, 34 is sent to the respective joints 19, 29 through conduits 21, 31, the water sealing the interstices between the impeller and the stator frame and thus preventing the entry of air from the spaces 20 , 30. The spaces 20, 30 are filled with pressurized air from the pressurized air source through the respective air conduits 25, 35 by discharging all the water outwards into the manifolds 24, 34 .
The boundary between the air in the spaces 20, 30 and the water in the manifolds 24, 34 is set by the openings of the annular chambers 27, 37 which allow air and any excess water to pass through. into the discharge tank through the discharge pipes 28, 38. If the air pressure in the spaces 20, 30 increases, the limit is pushed back (to the left in the drawing) and more air escapes. air through the discharge pipes 28, 38.
If the air pressure decreases, the limit shifts to the right, and some water escapes through the discharge pipes 28, 38. In volume, the air escapes through an orifice. about 30 times faster than water, so that the overflow of water through an orifice designed for a small amount of air is negligible.
The second embodiment shown in FIG. 4 is particularly suitable for a turbine although it can also be used, if desired, as a pump or a reversible turbopump. In this arrangement, the two annular chambers 24, 27 which cooperate with the crown, and the chambers 34, 37, which cooperate with the. skirt, are replaced by a single annular chamber 47, 57 which cooperates with the crown and the skirt respectively the single annular chamber is connected to a respective duct 21, 31.
In this case, the water level at the periphery of the crown and the skirt is determined by the point at which the annular chamber 47, 57 opens into the respective space 20, 30 and the water and the 'air will pass together in the annular chamber 47, 57 from which they will be sent to the respective seal 19, 29 through the conduits 21, 31.
It will be noted that when the machine is used as a turbine, the dosage of the air in the water, which supplies the seal 29 and which will flow into the passage 15 on the low pressure side of the impeller, cannot adversely affect impeller operation, but when using the machine as a pump it may be found undesirable to have a small air leak in the passage adjacent to the impeller inlet.
The third embodiment of the fi-. 5 is particularly suitable for use as a pump but can be, if desired, used as a turbine or a reversible turbopump. In this case, the annular chambers 24, 27 which cooperate with the crown 16 and the chambers 34. 3-7, are replaced respectively by a single annular collector 44, 54 cooperating respectively with the crown and the skirt.
The water level in the annular manifolds 44, 54 is here again determined by the shoulder of the stator frame, the water passing through the manifolds 44, 54 both of the working fluid channel, and of the space. respective 20, 30 under the effect of the cen trifuge force. In this case, however, the air supplied to spaces 20, 30 through air conduits 25, 35 flows into working fluid passage 14 on the high pressure side of the machine rather than through conduits 21, 31.
If the air pressure in spaces 20, 30 increases, the air and water limit will move to the left, towards the shoulder of the stator frame, and if the pressure decreases the limit will move to the left. straight to the edge 23, 33 of the crown or the skirt.
Thus when the machine is used as a pump, the air leak in the motor fluid passage will be downstream of the impeller and will not interfere with its operation, while if the machine is used as a turbine the air leakage through the interstices between the edge 23, 33 of the wheel and the stator frame would flow through the passage of the driving fluid of the wheel. In this embodiment, the water sent from the collectors 44, 54 to the seals through the conduits 21, 31 is not mixed with air.
Fig. 6 shows another embodiment. In the latter, instead of a seal 29, a seal 49 is provided on the radially inner diameter of the skirt 17. The seal 49 comprises a labyrinth 49a between the base of the skirt 17 and the neighboring stator frame 12. , and a shoulder 49b of the stator frame 12 which projects radially inward to cover roughly or almost a shoulder 49e of the skirt 17 which extends outwardly.
The water supply conduit 31 is connected to the seal between the labyrinth seal portion 49a and the shoulder 49b thereby tending to flood this space and thereby prevent the flow of air from the space 30 into the. working fluid passage 15 at the low pressure end of the impeller. The rotation of the skirt 17 gives a centrifugal component to the water sent to the seal and the excess water flows past the shoulder 49b into the space 30 and is forced by the centrifugal force to flow towards it. the outer end of the space.
The machine shown in fig. 7 is a reversible turbine, pump or turbopump of a medium specific speed type, in which the high pressure end of the impeller is not of a substantially larger diameter than the low pressure end . This machine comprises a wheel 61 which rotates in a stator frame 62 about a central axis 63.
The stator frame determines a passage 64 at the high pressure end of the machine, i.e. the inlet in the case of turbine operation and the outlet in the case of pump operation , and the stator frame also determines a passage 65 on the low pressure side of the machine, i.e. at the outlet end in turbine operation and at the inlet end in turbine operation. in pump. The wheel 61 has a skirt 67 connected by vanes 68 to a crown (not shown).
A seal 69 is disposed between the lowest part of the skirt 67 and the neighboring stator frame 62, the seal being supplied with pressurized water at a point between its ends. The skirt 67 and the adjoining stator frame determine a space 70 between them, and the seal 69 prevents air leakage from this space 70 into the passage 65 at the low pressure end of the machine. The pressurized water is sent to the seal 69 through a conduit 71 in an annular groove 72 placed between the ends of the seal 69.
Water from the high pressure end of the machine flows between the edge 73 of the skirt and the adjacent stator frame into an annular manifold 74 which has a shoulder 74a to guide the leakage water into the manifold. 74 and to produce a rudimentary seal between the stator frame and the neighboring part 73a of the skirt. There is shown at 73b a usual peripheral sealing ring. The conduit 71 is connected to the annular collector 74 so that the water from the annular collector is sent to the seal 69 through the conduit 71.
Air is supplied from a source of pressurized air supply to the space 70 through an air line 75 having a throttle 76. In the vicinity of the seal 69, the stator frame 62 is contoured so as to provide an annular discharge chamber 77 to which is connected a discharge pipe 78 having a throttle 79. The chamber 77 communicates freely with the space 70 through a series of holes 77a made at the base of the space 70 and on the radially outer side thereof. The annular discharge chamber 77 is also provided with a series of discharge ports 80 which communicate with the motive water passage 65 at the low pressure end of the machine.
The seal 69 has a lower part 69a and an upper part 69b which is less extended than the lower part.
During operation, most of the high pressure water which escapes passes into the annular manifold 74 through the gap between the edge 73 and the stator frame 62. From this point, the water is routed to seal 69 through duct 71, effectively isolating the gap between skirt 67 and stator frame to prevent air leakage from space 70 into pitch 65. A secondary path for the gasket. The escaping water allows it to pass between the shoulder 74a of the annular collector 74 and the neighboring part 73a of the skirt 67, in the space 70, and then under the influence of gravity and centrifugal force in the annular discharge chamber 77 through the holes 77a.
Water from the groove 72 passing through the top 69b of the seal 69 also passes into the annular discharge chamber 77 through the holes 77a.
Sending air to the space 70 through the air line 75 drives the water out of this space and into the annular discharge chamber 77, in which the water level is determined by the discharge pipe. discharge 78. The throttle 79 of the discharge pipe 78 is of a larger cross section than the constriction 76 of the air line 75 which assures that water cannot fall below the level. of the discharge pipe 78 due to excessive air pressure.
Water from annular chamber 77 escapes through discharge ports 80, which are calibrated so that leaking water flows into space 70 between shoulder 74a of annular manifold 74 and portion 73a of the skirt and through the upper part 69b of the seal 69 is equal to the water leaking from the discharge ports 80.
Initially, if the space 70 and the annular chamber 77 are filled with water, the air sent from the air line 75 will accumulate in the space 70 at increasing pressure, gradually emptying it of water. until pipe 78 is uncovered.
The machine shown in fig. 8 is a reversible pump, turbine or turbopump of a lower specific speed type than that shown in FIG. 1; in this type, the diameter of the wheel periphery on the high pressure side is larger than the diameter on the low pressure side. An impeller 81 rotates in a stator frame 82 about a central axis 83. The stator frame determines a passage 84 on the high pressure side of the machine and a passage 85 on the low pressure side, and the impeller has a skirt. 87 connected by vanes 88 to the crown (not shown). The lower part 89a of the main seal 89 is the usual peripheral sealing ring of the impeller.
Seal 89 prevents leakage of air from the space 90 disposed between skirt 87 and stator frame 82. Water is sent to seal 89 through conduit 91 which leads to an annular groove 92 between the upper parts. and lower 89b, 89a of the seal. There is no mechanical seal between the edge 93 of the skirt 87 and the adjacent stator frame 82, and the water leak passing through the gap circulates in the annular drive neck 94 from where it passes into the seal 89 through duct 91. Air is sent to space 90 through air duct 95 having a constriction 96, and the portion of the stator frame adjacent to seal 89 is in the form of an annular chamber 97 of discharge which communicates with space 90 through a series of orifices 97a.
A discharge pipe 98 having a constriction 99 exits chamber 97 at a higher level than the discharge holes 100 which communicate the discharge chamber 97 and the working fluid passage 85 on the low pressure side of the machine. Apart from the differences noted, the operation of the machine of FIG. 2 is the same as that of the machine of FIG. 7.
The machine shown in fig. 9 is a turbine which is designed for a higher specific speed than that shown in the preceding figures. In this construction, a wheel <B> 101 </B> rotates in a stator frame 102 about a central axis 103, and the stator frame defines a passage 104 on the high pressure side of the machine and another passage 105 on the low pressure side. The wheel skirt 107 is connected by vanes 108 to the crown (not shown) and is of a roughly conical shape, its diameter at the lower end at low pressure being larger than that of the end. higher than high pressure.
This allows the formation of a seal 109 between the lower end of the skirt 107 and the neighboring stator frame, the seal being supplied with water flowing through the gap between the stator frame 102 and the edge. 113 of the upper part of the skirt 107 and then by the gap existing between the shoulder 114a and the part 113a of the skirt 107. Under the effect of centrifugal force and gravity, the water of a mixture air and water contained in space 110 is isolated downward and outward and the air moves upward and inward, the water thus creating an effective seal 109.
In this way the seal 109 is supplied with water the pressure of which is higher than the pressure in the space 110, even if the water is not introduced from outside the space. An inflow of pressurized air into the space 110 is provided through the duct 115 having a throttle 116, and the excess air is discharged to a reservoir by a discharge pipe 118 which has a restrictor 119, the cross section of which is is greater than that of the constriction 116. The height of the inlet of the pipe 118 into the space 110 is chosen to ensure that there is a suitable depth of water to make the joint 109.
The main leak passing through the gap between the edge 113 at the upper end of the skirt 107 and the stator frame 102 circulates in the annular manifold 114, which is provided at its lowest point with sealed orifices 121 by where water passes through passage 122 and then through passage 105 at the low pressure end of the machine.
The machine shown in fig. 10 includes an impeller 131 rotating in a stator frame 132 about a central axis 133. The stator frame provides a passage 134 at the high pressure end of the machine and another passage 135 at the low pressure end. of the. machine. The wheel has a crown 136 and a skirt 137 connected to the crown by vanes 138.
A seal 139 is in this case disposed between the crown 136 and the stator frame 132 and is housed at the radially inner end of a space 140. The seal 139 is a simple labyrinth seal and is supplied with gas. water at its inner end through a conduit 141,
the effect of centrifugal force making the seal effective. The stator frame cooperating with the edge 143 of the crown 136 has an annular manifold 144 which is in communication with the passage 134 and therefore fills with water from the high pressure end of the machine. The water from the annular collector 144 is sent to the seal 139 through the conduit 141.
Air passes from a source of pressurized air into space 140 through an air line 145 including a throttle 146. At the radially outer end of space 140, stator frame 132 has a chamber annular 147 in which the centrifugal force forces water passing through the seal 139 to circulate, this chamber also receiving water passing through a shoulder 144a of the stator frame adjacent to the annular manifold 144. A pipe 148 d ' discharge of the excess air leaves from the annular chamber 147 and has a constriction 149. A discharge line 150 also leaves the annular chamber 147 for the discharge of water, for example that which circulates beyond the throat. 'shoulder 144a of the annular manifold 144.
Holes 150a are also provided in the ring 136 to allow the evacuation of the excess sealing water.
The machine shown in fig. 11 is a reversible pump, turbine or turbopump designed for a specific average speed and it differs from the embodiments already described by a horizontal shaft. A wheel 151 rotates in a stator frame 152 about a central axis 153, and the stator frame sets a pitch 154 at the high pressure end of the machine to another passage 155 at the low pressure end . The skirt 157 of the wheel is connected by vanes 158 to the crown (not shown).
A seal 159, in this arrangement, is disposed between the skirt 157 at the low pressure end of the wheel and the neighboring stator frame. The gasket prevents air leakage from a space 160, at the right end of the space as shown in the drawing, between the machine skirt 157 and the stator frame 152, by means of the water sent to the seal 159 through the conduit 161 which passes the water into an annular space 162 between the two ends of the seal.
The main part 159a of the gasket, where most of the pressure difference occurs, is on the right in the drawing and the other part 159b of the gasket on the left and has a smaller pressure difference.
Between the edge 163 of the skirt and the stator frame opposite sin is provided the main mechanical seal 163b of the machine. The flow through this seal 163b is diverted by a deflector 164a in an annular manifold 164, and the deflector 164a constitutes a rudimentary seal with the part 163a of the skirt. The water circulating under pressure in the annular manifold 164 is led to the seal 159 by the conduit 161.
The pressurized air enters the space 160 through an air duct 165 having a throttle 166. Instead of the annular discharge chamber used in machines with a vertical axis of rotation, in the present case there is provided a discharge chamber 167 adjacent to the lowest point of space 160 and this chamber is connected to the lowest point of space 160 by bleed pipes 167a. The water level in the discharge chamber 167 is controlled by the air outlet pipe 168, which has a throttle 169.
The size of the constriction 169 is chosen such that the pressure in the discharge chamber 167 is large enough to force water into the passage 155 through the pipes 170 on the low pressure side of the machine.
The machine shown in fig. 12 is similar to that of FIG. 5, except that instead of the conduit 181 (corresponding to the conduit 21) is connected directly to the seal 179 (corresponding to the seal 19), it is connected to a chamber 187 of adequate capacity, disposed above the seal 179. Thus the chamber 187 forms a reservoir of water which flows into the seal 179 by gravity and under the influence of the pressure of the chamber 187, through the duct 181a.
An air line 185 connects a source of pressurized air to the chamber 187 by a constriction 186, and another line 185a connects the chamber 187 to the space 180 between the ring 176 and the stator frame 172, the line 185a being placed above the water level in chamber 187. The water level is determined by a discharge pipe 188 having a restrictor 189 through which the excess air and water are discharged. exceeding the determined level.
In the embodiments described the throttles 26, 36, 76, 96, 116, 146, 166, 186, 79, 99, 119, 149, 169 and 189 may be adjustable, and an adjustable throttle may be provided in the pipes 21, 31, 71, 91, 141, 161 and 181. In addition, these pipes can be supplied by any source of water other than that shown. It will be understood that by keeping the space 20, 30, 70, 90, <B> 110, </B> 140, l60, more or less filled with air and empty of water, the losses due to the rotation of the wheel are reduced and the efficiency of the machine improved.
In the embodiments of FIGS. 7, 9 and 11, the diameter of the periphery of the wheel is not appreciably greater than the diameter of the sealing device (unlike the embodiment of FIG. 8). In the embodiment of FIG. 8, it is possible to use centrifugal force to keep the space between the impeller and the stator free of water.