EP0620359B1 - Dispositif d'étanchéité des fuites à l'atmosphère d'une turbine à vapeur - Google Patents

Dispositif d'étanchéité des fuites à l'atmosphère d'une turbine à vapeur Download PDF

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EP0620359B1
EP0620359B1 EP19940400794 EP94400794A EP0620359B1 EP 0620359 B1 EP0620359 B1 EP 0620359B1 EP 19940400794 EP19940400794 EP 19940400794 EP 94400794 A EP94400794 A EP 94400794A EP 0620359 B1 EP0620359 B1 EP 0620359B1
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rotor
grooves
turbine
chamber
bearing
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Martial Naudin
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Areva NP SAS
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Framatome SA
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01D—NON-POSITIVE DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, e.g. STEAM TURBINES
    • F01D11/00—Preventing or minimising internal leakage of working-fluid, e.g. between stages
    • F01D11/02—Preventing or minimising internal leakage of working-fluid, e.g. between stages by non-contact sealings, e.g. of labyrinth type
    • F01D11/04—Preventing or minimising internal leakage of working-fluid, e.g. between stages by non-contact sealings, e.g. of labyrinth type using sealing fluid, e.g. steam

Definitions

  • the present invention relates to a device sealing leaks to the atmosphere of a turbine steam.
  • Steam turbines have a rotor arranged in a vapor chamber, sealing means for steam at each rotor outlet of said enclosure and means for supporting the rotor at each of its ends.
  • These means for supporting the rotor at each of its ends are usually formed by oil bearings comprising a cover and sealing means at the level of the passage of the rotor in each of these bearings.
  • Static type sealing devices are, for the bearings, formed by labyrinths which have to prevent oil leakage by recovering "the boundary layers "of oil on the rotor, not yet centrifuged inside the bearing housing. But, the efficiency of these labyrinths is limited.
  • labyrinths can also be used to seal the vapor. But, these do not completely prevent leaks and allow only to reduce them.
  • the vapor leak is vaporized in the labyrinth to be sent to an enclosure under slight vacuum.
  • the vapor leak is therefore neutralized and it produces a suction of the fluid from the external environment and, therefore, suction of any oil leaks in the vacuum chamber.
  • This device requires installing means to create the axial flow which lengthen the rotor and which are disadvantageous in terms of the critical speed of the rotor and the number of aerodynamic stages it is possible to install on the turbine.
  • the invention is not intended to replace the techniques commonly used for sealing steam turbines or bearing bodies but to offer a complementary leak sealing device steam and / or oil, particularly easy to apply even on turbines already installed.
  • FIG 1 there is shown schematically a steam turbine which conventionally comprises an enclosure 1 in which a rotor 2 rotates.
  • This turbine also comprises, on the one hand, means 3 for sealing the vapor at each output of the rotor 2 of the enclosure 1, constituted for example by static seals held facing the rotor 2 and, on the other hand, means 4 for supporting the rotor 2 to each of its ends.
  • These means 4 for supporting the rotor are formed by oil bearings each comprising a cover 5 and sealing means 6 at the level of the passage of the rotor 2 in each of said bearings, constituted for example by static seals held facing the rotor 2.
  • the rotor 2 is provided, between the enclosure 1 and the cover 5 of each bearing 4, deflectors formed by example by a flange 7 disposed on said rotor.
  • the sealing device leaks to the atmosphere comprises means 10 for boosting each delimited area, at the level of the passage of the rotor 2, through the enclosure 1 of the turbine and by the cover 5 of the adjacent bearing 4 of to seal off steam and / or oil leaks at the atmosphere during the operation of said turbine.
  • the means 10 for boosting pressure are formed by a ring 11 reported by conventional means such as for example screws, on the external face of the cover 5 of said bearing opposite enclosure 1.
  • the means 10 for overpressure are also formed by a ring 11 attached by conventional means such as screws, on the outside of the enclosure 1 arranged opposite the adjacent bearing 4.
  • the ring 11 has on its face opposite steam leaks or of oil, stator grooves 12 arranged in a plane perpendicular to the axis of the rotor 2.
  • the grooves 12 are distributed cyclically the relative to each other.
  • the grooves 12 can be distributed so asymmetrical with each other.
  • Each groove 12 has a head end 12c leading to an outer circumference and a end of foot 12d opening onto a circumference interior, said circumferences being concentric.
  • the grooves 12 are inclined at the same angle by with respect to a radius passing through the axis of rotor 2 and one ends 12c or 12d of said grooves 12.
  • the straight AB joining the head end 12c and the end of foot 12d on one of the sides for example the side 12a of each groove 12 forms with the axis CO passing through the axis of rotor 2 and through said head end 12a, an angle ⁇ .
  • the grooves 12 can be inclined at an angle different from each other.
  • the sides 12a and 12b of each groove are parallel to each other.
  • each groove 12 may be divergent from the axis of the rotor 2.
  • each groove 12 can be straight or curved.
  • the grooves 12 may have a flat bottom.
  • this ring is formed in two parts 11a and 11b.
  • a ring 11 can be mounted on the external face enclosure 1 at each outlet of rotor 2 and on the external face of each bearing 4 opposite enclosure 1 so as to prevent, on the one hand, any leakage of steam outside the enclosure 1 and, on the other hand, any oil leaks outside each bearing 4.
  • the grooves 12 can be arranged directly on the external face of the enclosure 1 at each rotor outlet 2, or on the outer face of the cover 5 of each bearing 4 or on the two at a time.
  • the grooves 12 are oriented in the direction of rotor rotation 2.
  • the grooves 12 are formed on an integral ring in rotation with rotor 2 and are inclined in the direction of rotation of said rotor 2.
  • the grooves 12 are formed on the two lateral faces parallels of the collar 7 secured to the rotor 2 and disposed between the enclosure 1 of the turbine and the cover 5 of the adjacent level 4.
  • the grooves 12 are oriented in a direction opposite to the direction of rotation of the rotor 2.
  • stator grooves 12 associated with the rotation of rotor 2 have an inclination such that prevent natural air centrifugation, and bring this air, by centripetal effect towards the circumference interior by creating a local overpressure preventing leakage of steam and / or oil to the atmosphere during the operation of the turbine.

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Description

La présente invention a pour objet un dispositif d'étanchéité des fuites à l'atmosphère d'une turbine à vapeur.
Les turbines à vapeur comportent un rotor disposé dans une enceinte sous vapeur, des moyens d'étanchéité de la vapeur au niveau de chaque sortie du rotor de ladite enceinte et des moyens de support du rotor à chacune de ses extrémités.
Ces moyens de support du rotor à chacune de ses extrémités sont généralement formés par des paliers huile comportant un couvercle et des moyens d'étanchéité au niveau du passage du rotor dans chacun de ces paliers.
Ces moyens d'étanchéité de la vapeur et de l'huile sont le plus souvent constitués par des garnitures statiques.
Mais, c'est à ces niveaux que les risques de fuites de vapeur et/ou d'huile sont fréquemment constatés lors de la rotation du rotor ce qui est néfaste pour le fonctionnement de la turbine.
En effet, la vapeur s'échappant au niveau des sorties du rotor de l'enceinte de la turbine a tendance à pénétrer dans les paliers. Par conséquent, l'huile dans les paliers se charge d'eau diminuant ainsi les propriétés de lubrification de cette huile.
Il en est de même pour l'huile s'échappant des paliers qui a tendance à pénétrer dans l'enceinte de la turbine et ainsi à polluer la vapeur ce qui peut nuire au fonctionnement de la turbine. De plus, il existe des risques d'incendie par inflammation des fuites d'huile.
Les dispositifs d'étanchéité du type statique sont, pour les paliers, formés par des labyrinthes qui ont pour but d'empêcher les fuites d'huile en récupérant "les couches limites" d'huile sur le rotor, non encore centrifugées à l'intérieur du corps de palier. Mais, l'efficacité de ces labyrinthes est limitée.
Pour augmenter l'efficacité de ces labyrinthes, il est connu de leur adjoindre un dispositif de légère mise sous vide des corps de palier qui permet de résoudre le problème des fuites d'huile, mais accentue l'aspiration de vapeur au niveau de la sortie du rotor du palier.
Ces labyrinthes peuvent également être utilisés pour assurer l'étanchéité de la vapeur. Mais, ceux-ci n'empêchent pas totalement les fuites et permettent seulement de les réduire.
Dans certains cas, la fuite de vapeur est vaporisée dans le labyrinthe pour être envoyée dans une enceinte sous léger vide.
La fuite de vapeur est donc neutralisée et il se produit une aspiration du fluide du milieu extérieur et, de ce fait, une aspiration des fuites d'huile éventuelles dans l'enceinte sous vide. L'eau se condense et les fuites de vapeur se mélangent aux fuites d'huile ce qui provoque une pollution de l'eau condensée.
Il est également connu d'utiliser des garnitures sèches d'étanchéité sur les turbines de vapeur ou sur les compresseurs centrifuges dans les industries du gaz et du pétrole.
Ces garnitures sèches permettent d'absorber une forte différence de pression et de réduire les fuites, mais sans les supprimer si bien que le problème de pollution de l'huile par l'eau subsiste.
On connaít des dispositifs d'étanchéité du type dynamique utilisés dans les paliers à huile.
Ainsi, on connaít dans le brevet CH-A-334 775 un système d'étanchéité qui agit par effet centrifuge en créant une surpression locale entre le milieu extérieur et l'huile dans les paliers. Ce système permet d'éviter les fuites d'huile. Mais, il contribue à aspirer l'humidité au niveau de la traversée du rotor dans le palier et à polluer l'huile contenue dans ce palier.
On connaít également dans le brevet JP-A-58-067910, un dispositif d'étanchéité dynamique qui consiste à réaliser une double barrière en aspirant de l'air dans une zone non humide et à diviser ce flux d'air axialement le long du rotor vers l'intérieur du palier et vers le milieu extérieur.
Ce dispositif nécessite d'installer des moyens pour créer l'écoulement axial qui allongent le rotor et qui sont pénalisants sur le plan de la vitesse critique du rotor et du nombre d'étages aérodynamiques qu'il est possible d'installer sur la turbine.
L'invention n'a pas pour but de se substituer aux techniques couramment utilisées pour l'étanchéité des turbines à vapeur ou des corps de paliers, mais de proposer un dispositif d'étanchéité complémentaire des fuites de vapeur et/ou d'huile, particulièrement simple à mettre en oeuvre, même sur des turbines déjà installées.
L'invention a donc pour objet un dispositif d'étanchéité des fuites de vapeur et/ou d'huile à l'atmosphère d'une turbine à vapeur, du type comportant :
  • un rotor disposé dans une enceinte,
  • des moyens d'étanchéité de la vapeur au niveau de chaque sortie du rotor de ladite enceinte,
  • des moyens de support du rotor à chacune de ses extrémités, formés par des paliers huile comprenant un couvercle et des moyens d'étanchéité au niveau du passage du rotor dans chacun desdits paliers,
caractérisé en ce que les moyens de mise en surpression sont formés par des rainures fonctionnant par effet centripète disposées dans un plan perpendiculaire à l'axe du rotor et en vis-à-vis de l'enceinte de la turbine et/ou du couvercle du palier adjacent et comportant chacune une extrémité de tête débouchant sur une circonférence extérieure et une extrémité de pied débouchant sur une circonférence intérieure, lesdites circonférences étant concentriques, selon d'autres caractéristiques de l'invention :
  • les rainures sont réparties cycliquement les unes par rapport aux autres,
  • les rainures sont inclinées les unes par rapport aux autres,
  • les rainures sont inclinées d'un même angle par rapport à un rayon passant par l'axe de rotor et par l'une des deux extrémités desdites rainures,
  • les rainures sont inclinées d'un angle différent les unes par rapport aux autres,
  • les côtés de chaque rainure sont parallèles entre eux,
  • les côtés de chaque rainure sont divergents par rapport à l'axe du rotor,
  • les côtés de chaque rainure sont rectilignes ou courbes, - les rainures possèdent un fond plat,
  • les rainures sont ménagées dans un anneau,
  • l'anneau est en deux parties,
  • l'anneau est solidaire en rotation du rotor,
  • l'anneau est monté sur la face externe de l'enceinte de la turbine en sortie du rotor,
  • l'anneau est monté sur la face externe du couvercle de chaque palier,
  • un anneau est monté sur la face externe du couvercle de chaque palier et sur la face externe de l'enceinte en sortie du rotor,
  • les rainures sont ménagées sur la face externe de l'enceinte en sortie du rotor,
  • les rainures sont ménagées sur la face externe du couvercle de chaque palier,
  • les rainures sont ménagées sur la face externe du couvercle de chaque palier et sur la face externe de l'enceinte de la turbine en sortie du rotor,
  • les rainures sont orientées dans le sens de rotation du rotor,
  • les rainures sont ménagées sur les deux faces latérales parallèles d'une collerette solidaire du rotor et disposée entre l'enceinte de la turbine et le couvercle du palier adjacent,
  • les rainures sont orientées dans une direction opposée au sens de rotation du rotor.
L'invention sera mieux comprise à l'aide de la description qui va suivre, donnée uniquement à titre d'exemple et faite en se référant aux dessins annexés, sur lesquels :
  • la figure 1 est une vue schématique partiellement en coupe d'une turbine à vapeur munie du dispositif selon l'invention,
  • la figure 2 est une vue schématique en coupe d'une sortie du rotor de l'enceinte de la turbine, selon un premier mode de réalisation de l'invention,
  • la figure 3 est une vue schématique en coupe d'une sortie du rotor de l'enceinte de la turbine, selon un second mode de réalisation de l'invention,
  • la figure 4 est une vue en plan du dispositif selon l'invention.
Sur la figure 1, on a représenté schématiquement une turbine à vapeur qui comprend, de manière classique, une enceinte 1 dans laquelle tourne un rotor 2.
Cette turbine comporte également, d'une part, des moyens 3 d'étanchéité de la vapeur au niveau de chaque sortie du rotor 2 de l'enceinte 1, constitués par exemple par des garnitures statiques maintenues face au rotor 2 et, d'autre part, des moyens 4 de support du rotor 2 à chacune de ses extrémités.
Ces moyens 4 de support du rotor sont formés par des paliers huile comprenant chacun un couvercle 5 et des moyens 6 d'étanchéité au niveau du passage du rotor 2 dans chacun desdits paliers, constitués par exemple par des garnitures statiques maintenues face au rotor 2.
Dans chaque zone délimitée, au niveau du passage du rotor 2, par l'enceinte 1 de la turbine et par le couvercle 5 du palier 4 adjacent, la vapeur sortant de l'enceinte 1 a tendance à pénétrer dans chaque palier 4 et/ou l'huile sortant du palier a tendance à pénétrer dans l'enceinte 1.
Pour limiter les fuites de vapeur et/ou les fuites d'huile, le rotor 2 est pourvu, entre l'enceinte 1 et le couvercle 5 de chaque palier 4, de déflecteurs formés par exemple par une collerette 7 disposée sur ledit rotor.
Mais, ces déflecteurs ne s'avèrent pas suffisants car ils ont pour conséquence de créer un effet centrifuge, donc d'aspiration de la vapeur et/ou de l'huile en direction de l'extérieur.
L'huile a donc toujours tendance à fuir même à vitesse lente du rotor 2.
Comme représenté sur les figures 2 et 3, pour éviter ces inconvénients, le dispositif d'étanchéité des fuites à l'atmosphère selon l'invention comprend des moyens 10 de mise en surpression de chaque zone délimitée, au niveau du passage du rotor 2, par l'enceinte 1 de la turbine et par le couvercle 5 du palier 4 adjacent de façon à étancher des fuites de vapeur et/ou d'huile à l'atmosphère pendant le fonctionnement de ladite turbine.
Selon un premier mode de réalisation représenté à la figure 2, pour empêcher l'huile de fuir de chaque palier 4, les moyens 10 de mise en surpression sont formés par un anneau 11 rapporté par des moyens classiques comme par exemple des vis, sur la face externe du couvercle 5 dudit palier en vis à vis de l'enceinte 1.
Selon un second mode de réalisation représenté à la figure 3, pour empêcher la vapeur de fuir de l'enceinte 1, les moyens 10 de mise en surpression sont également formés par un anneau 11 rapporté par des moyens classiques comme par exemple des vis, sur la face externe de l'enceinte 1 disposée en vis-à-vis du palier 4 adjacent.
Comme représenté à la figure 4, l'anneau 11 comporte sur sa face en regard des fuites de vapeur ou d'huile, des rainures statoriques 12 disposées dans un plan perpendiculaire à l'axe du rotor 2.
Les rainures 12 sont réparties cycliquement les unes par rapport aux autres.
Les rainures 12 peuvent être reparties de manière dissymétrique les unes par rapport aux autres.
Chaque rainure 12 comporte une extrémité de tête 12c débouchant sur une circonférence extérieure et une extrémité de pied 12d débouchant sur une circonférence intérieure, lesdites circonférences étant concentriques.
Les rainures 12 sont inclinées d'un même angle par rapport à un rayon passant par l'axe du rotor 2 et l'une des extrémités 12c ou 12d desdites rainures 12.
Par exemple et comme représenté à la figure 4, la droite AB joignant l'extrémité de tête 12c et l'extrémité de pied 12d de l'un des côtés par exemple le côté 12a de chaque rainure 12 forme avec l'axe CO passant pas l'axe de rotor 2 et par ladite extrémité de tête 12a, un angle α.
Les rainures 12 peuvent être inclinées d'un angle différent les unes par rapport aux autres.
Les côtés 12a et 12b de chaque rainure sont parallèles entre eux.
Selon une variante, les côtés 12a et 12b de chaque rainure 12 peuvent être divergents par rapport à l'axe du rotor 2.
Les côtés 12a et 12b de chaque rainure 12 peuvent être rectilignes ou courbes.
Les rainures 12 peuvent posséder un fond plat.
Pour faciliter le montage de l'anneau 11, cet anneau est formé en deux parties 11a et 11b.
Un anneau 11 peut être monté sur la face externe de l'enceinte 1 au niveau de chaque sortie du rotor 2 et sur la face externe de chaque palier 4 en regard de l'enceinte 1 de façon à empêcher, d'une part, toute fuite de vapeur à l'extérieur de l'enceinte 1 et, d'autre part, toute fuite d'huile à l'extérieur de chaque palier 4.
Selon une autre variante, les rainures 12 peuvent être ménagées directement sur la face externe de l'enceinte 1 au niveau de chaque sortie du rotor 2, ou sur la face externe du couvercle 5 de chaque palier 4 ou sur les deux à la fois.
Les rainures 12 sont orientées dans le sens de rotation du rotor 2.
Selon un troisième mode de réalisation, les rainures 12 sont ménagées sur un anneau solidaire en rotation avec le rotor 2 et sont inclinées dans le sens de rotation dudit rotor 2.
Selon un quatrième mode de réalisation, les rainures 12 sont ménagées sur les deux faces latérales parallèles de la collerette 7 solidaire du rotor 2 et disposée entre l'enceinte 1 de la turbine et la couvercle 5 du palier 4 adjacent.
Dans ce cas, les rainures 12 sont orientées dans une direction opposée au sens de rotation du rotor 2.
Les rainures statoriques 12 associées à la rotation du rotor 2 ont une inclinaison telle qu'elles empêchent la centrifugation naturelle de l'air, et qu'elles ramènent cet air, par effet centripète vers la circonférence intérieure en créant une surpression locale empêchant les fuites de vapeur et/ou d'huile à l'atmosphère pendant le fonctionnement de la turbine.
Cet effet centripète est accentué par la disposition et l'inclinaison des rainures 12.

Claims (22)

  1. Dispositif d'étanchéité des fuites de vapeur et/ou d'huile à l'atmosphère d'une turbine à vapeur, du type comportant :
    un rotor (2) disposé dans une enceinte (1),
    des moyens (3) d'étanchéité de la vapeur au niveau de chaque sortie du rotor (2) de ladite enceinte (1),
    des moyens (4) de support du rotor (2) à chacune de ses extrémités, formés par des paliers huile comprenant un couvercle (5) et des moyens (6) d'étanchéité de l'huile au niveau du passage du rotor (2) dans chacun desdits paliers (4),
    des moyens (10)de mise en surpression par aspiration d'air de façon à étancher les éventuelles fuites de vapeur et/ou d'huile pendant le fonctionnement de ladite turbine,
    caractérisé en ce que les moyens (10) de mise en surpression sont formés par des rainures (12) fonctionnant par effet centripète disposées dans un plan perpendiculaire à l'axe du rotor (2), en vis-à-vis de l'enceinte (1) de la turbine et/ou du couvercle (5) du palier (4) adjacent et comportant chacune une extrémité de tête (12c) débouchant sur une circonférence extérieure et une extrémité de pied (12d) débouchant sur une circonférence intérieure, lesdites circonférences étant concentriques.
  2. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que les rainures (12) sont réparties cycliquement les unes par rapport aux autres.
  3. Dispositif selon les revendications 1 et 2, caractérisé en ce que les rainures (12) sont inclinées les unes par rapport aux autres.
  4. Dispositif selon les revendications 1 et 2, caractérisé en ce que les rainures (12) sont inclinées d'un même angle par rapport à un rayon passant par l'axe du rotor (2) et par l'une des deux extrémités (12c, 12d) desdites rainures (12).
  5. Dispositif selon les revendications 1 et 2, caractérisé en ce que les rainures (12) sont inclinées d'un angle différent les unes par rapport aux autres.
  6. Dispositif selon l'une des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que les côtés (12a, 12b) de chaque rainure (12) sont parallèles entre eux.
  7. Dispositif selon l'une des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que les côtés (12a, 12b) de chaque rainure (12) sont divergents par rapport à l'axe du rotor (2).
  8. Dispositif selon l'une des revendication 1 à 7, caractérisé en ce que les côtés (12a, 12b) de chaque rainure (12) sont rectilignes.
  9. Dispositif selon l'une des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que les côtés (12a, 12b) de chaque rainure (12) sont courbes.
  10. Dispositif selon l'une des revendications 1 à 9, caractérisé en ce que les rainures (12) possèdent un fond plat.
  11. Dispositif selon l'une des revendications 1 à 10, caractérisé en ce que les rainures (12) sont ménagées dans un anneau (11).
  12. Dispositif selon la revendication 11, caractérisé en ce que l'anneau (11) est en deux parties (11a, 11b).
  13. Dispositif selon les revendications 11 et 12, caractérisé en ce que l'anneau (11) est solidaire en rotation avec le rotor (2).
  14. Dispositif selon les revendications 11 et 12, caractérisé en ce que l'anneau (11) est monté sur la face externe de l'enceinte (1) de la turbine en sortie du rotor (2).
  15. Dispositif selon les revendications 11 et 12, caractérisé en ce que l'anneau (11) est monté sur la face externe du couvercle (5) de chaque palier (4).
  16. Dispositif selon les revendications 11 et 12, caractérisé en ce qu'un anneau (11) est monté sur la face externe du couvercle (5) de chaque palier (4) et sur la face externe de l'enceinte (1) en sortie du rotor (2).
  17. Dispositif selon l'une des revendications 1 à 10, caractérisé en ce que les rainures (12) sont ménagées sur la face externe de l'enceinte (1) en sortie du rotor (2).
  18. Dispositif selon l'une des revendications 1 à 10, caractérisé en ce que les rainures (12) sont ménagées sur la face externe du couvercle (5) de chaque palier (4).
  19. Dispositif selon l'une des revendications 1 à 10, caractérisé en ce que les rainures (12) sont ménagées sur la face externe du couvercle (5) de chaque palier (4) et sur la face externe de l'enceinte (1) de la turbine en sortie du rotor (2).
  20. Dispositif selon l'une des revendications 1 à 19, caractérisé en que les rainures (12) sont orientées dans le sens de rotation du rotor (2).
  21. Dispositif selon l'une des revendications 1 à 10, caractérisé en ce que les rainures (12) sont ménagées sur les deux faces latérales parallèles d'une collerette (7) solidaire du rotor (2) et disposée entre l'enceinte (1) de la turbine et le couvercle (5) du palier (4) adjacent.
  22. Dispositif selon la revendication 21, caractérisé en ce que les rainures (12) sont orientées dans une direction opposée au sens de la rotation du rotor (2).
EP19940400794 1993-04-13 1994-04-12 Dispositif d'étanchéité des fuites à l'atmosphère d'une turbine à vapeur Expired - Lifetime EP0620359B1 (fr)

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