FR2963957A1 - Joints d'etancheite pour moteur a turbine - Google Patents

Abstract

Joint (400) servant à empêcher des fuites axiales par un jeu radial entre une structure fixe (402) et une structure rotative (404). Le jeu radial est défini par une surface intérieure radiale (405) en regard d'une surface extérieure radiale (403) de l'autre côté du jeu radial. Le joint comprend au moins une portée (420) disposée sur l'une des surface intérieure radiale et surface extérieure radiale. Au moins une première dent (410) et au moins une deuxième dent (411) font saillie depuis l'autre des surfaces radiales. La deuxième dent (411) est plus courte que la première dent (410). Au moins une des première dent (410) et deuxième dent (411) est conçue pour s'étendre suivant une inclinaison (A) vers l'amont. Cette inclinaison (A) est définie entre une surface radiale depuis laquelle fait saillie la première ou la deuxième dent et une surface amont de la même dent. L'inclinaison est inférieure ou égale à un angle d'environ 80 degrés.

Description

B 11-2407FR 1 Joints d'étanchéité pour moteur à turbine

La présente invention porte de façon générale sur des systèmes et dispositifs pour améliorer le rendement et le fonctionnement de moteurs à turbine, lesquels, au sens de la présente description et sauf mention contraire, sont entendus comme incluant tous types de moteurs à turbine ou rotatifs, dont les moteurs à turbine à vapeur, les moteurs à turbine à combustion, les réacteurs d'avions, les moteurs générateurs d'électricité et autres.

Plus spécifiquement, mais d'une manière nullement limitative, la présente invention porte sur des systèmes et dispositifs concernant des joints d'étanchéité pour moteurs à turbine et, en particulier, servant à limiter le débit de fuite entre des pièces fixes et rotatives d'un moteur à turbine.

Dans de nombreux moteurs à turbine, on utilise souvent des joints labyrinthes comme moyen de limiter les fuites de fluide de travail entre pièces fixes et rotatives. Ces pièces fixes et rotatives ont globalement une forme radiale. D'une manière générale, ces joints comprennent, sur la pièce fixe ou la pièce rotative, de multiples dents à espacement axial qui sont soit usinées d'une seule pièce avec la surface radiale soit insérées dans la surface radiale. Ordinairement, la surface radiale opposée est usinée de manière à créer des portées annulaires saillantes, à espacement axial, qui, avec les surfaces radiales entre les portées, sont considérées comme faisant partie de l'ensemble d'étanchéité. L'intervalle entre les dents et les parties hautes et basses des portées est appelé "jeu" et il est essentiel de maintenir un jeu minimal afin de limiter le plus possible les fuites de fluide de travail, ce qui améliore le rendement du moteur.

Cependant, des régimes transitoires de fonctionnement qui, par exemple, peuvent comprendre un démarrage du moteur, un arrêt ou des oscillations de charge, ont souvent pour effet un déplacement axial et une dilatation radiale des pièces tournantes par rapport aux pièces fixes, ce qui est susceptible d'amener les dents ou d'autres structures qui définissent le joint labyrinthe sur une première surface radiale à venir toucher ou heurter les dents ou structures de la surface radiale opposée. Ordinairement, ce contact provoque l'usure des dents et des profils des surfaces radiales. Cet endommagement risque d'aboutir à un mauvais état du joint et une accentuation des fuites de fluide de travail. Dans la pratique de la conception d'une turbine à vapeur selon la technique antérieure, il faut généralement un compromis entre, d'une part l'obtention d'une étanchéité efficace et d'autre part, l'assurance d'un endommagement minime du joint. Les joints d'étanchéité existants peuvent assurer une étanchéité efficace, mais leur conception a pour conséquence un endommagement ultérieur du joint en raison du déplacement axial du rotor. Selon une autre possibilité, d'autres joints d'étanchéité selon la technique antérieure empêchent un tel endommagement mais nécessitent des jeux de grandes dimensions qui empêchent mal le passage de fluide de travail par l'espace. Un premier aspect de la présente invention propose un joint d'étanchéité pour empêcher des fuites axiales par un intervalle radial entre une structure fixe et une structure rotative. L'intervalle radial est défini par une surface radiale intérieure en regard d'une surface radiale extérieure de part et d'autre de l'intervalle radial. Le joint comprend au moins une portée disposée sur la surface radiale interne ou la surface radiale externe. Au moins une première dent et au moins une deuxième dent font saillie depuis l'autre des surfaces radiales. La deuxième dent est plus courte que la première dent. Au moins une des première dent et deuxième dent est conçue pour s'étendre avec une inclinaison vers l'amont. Cette inclinaison est définie entre une surface radiale depuis laquelle fait saillie la première ou la deuxième dent et une surface amont de la même dent. L'angle de l'inclinaison est inférieur ou égal à environ 80 degrés.

L'invention sera mieux comprise à l'étude de la description détaillée d'un mode de réalisation pris à titre d'exemple non limitatif et illustré par les dessins annexés sur lesquels : - la figure 1 est une illustration schématique d'un exemple de turbine à vapeur haute pression (HP)/moyenne pression (IP) à flux opposés ; - la figure 2 est une illustration schématique agrandie d'un diaphragme de distributeur de turbine et d'une boîte à garniture ou d'une boîte d'étanchéité utilisable avec la turbine à vapeur représentée sur la figure 1 ; - la figure 3 est un exemple de forme de réalisation d'un ensemble de joint labyrinthe utilisable avec la turbine à vapeur représentée sur la figure 1 ; - la figure 4 représente une vue partielle en coupe d'un joint labyrinthe utilisable avec la turbine à vapeur représentée sur la figure 1, selon un aspect de la présente invention ; - la figure 5 est une courbe du pourcentage de réduction de débit par rapport à la distance de jeu en mils entre un joint semblable à celui représenté sur la figure 3 et le joint représenté sur la figure 4 ; - la figure 6 représente une vue partielle en coupe d'un joint labyrinthe utilisable avec la turbine à vapeur représentée sur la figure 1, selon un aspect de la présente invention ; - la figure 7 représente une vue partielle en coupe d'un joint labyrinthe utilisable avec la turbine à vapeur représentée sur la figure 1, selon un aspect de la présente invention ; et - la figure 8 représente une vue partielle en coupe d'un joint labyrinthe utilisable avec la turbine à vapeur représentée sur la figure 1, selon un aspect de la présente invention.

Au moins un aspect de la présente invention est décrit ci-après en référence à son application dans le cadre d'une turbine à vapeur et du fonctionnement de cette dernière. Cependant, il doit être clair, pour les spécialistes de la technique, aidés par les principes présentés ici, que la présente invention est tout aussi applicable à n'importe quel moteur, turbine à gaz, turbine à vapeur, turbine ou moteur à turbine approprié. De plus, on peut utiliser ici plusieurs termes descriptifs. La signification de ces termes sera couverte par les définitions ci- après. Au sens de la présente description, "aval" et "amont" sont des termes qui indiquent une direction relative à l'écoulement du fluide de travail dans la turbine. De la sorte, le terme "aval" désigne le sens de l'écoulement et le sens "amont" désigne un sens opposé de l'écoulement dans la turbine. En rapport avec ces termes, les termes "arrière" et/ou "bord de fuite" se rapportent à la direction aval, l'extrémité aval et/ou la direction de l'extrémité aval de la pièce décrite. Les termes "avant" ou "bord d'attaque" se rapportent quant à eux à la direction amont, l'extrémité amont et/ou la direction de l'extrémité amont de la pièce décrite. Le terme "radial" se rapporte à un déplacement ou une position perpendiculairement à un axe. I1 est souvent nécessaire de décrire des pièces qui se trouvent dans différentes positions radiales par rapport à un axe. Dans ce cas, si une première pièce se trouve plus proche de l'axe qu'une deuxième pièce, on peut dire ici que la première pièce est "vers l'intérieur" ou "radialement vers l'intérieur" de la deuxième pièce. Si, en revanche, la première pièce se trouve plus loin de l'axe que la deuxième pièce, on peut dire ici que la première pièce est "vers l'extérieur" ou "radialement vers l'extérieur" de la deuxième pièce. Le terme "axial" se rapporte à un déplacement ou une position parallèlement à un axe. Le terme "circonférentiel" se rapporte à un déplacement ou une position autour d'un axe. Dans une turbine à vapeur, on désigne par "distributeur" la même structure que le "stator" d'une turbine à gaz et d'un turboréacteur. La figure 1 est une illustration schématique d'un exemple de turbine 10 à vapeur à flux opposés comprenant une section haute pression (HP) 12 et une section moyenne pression (IP) 14. Une enveloppe ou un carter extérieur 16 est divisé axialement en moitiés supérieure et inférieure, respectivement 13 et 15, et englobe à la fois la section HP 12 et la section IP 14. Une section centrale 18 de l'enveloppe 16 comprend une entrée 20 de vapeur à haute pression et une entrée 22 de vapeur à moyenne pression. A l'intérieur du carter 16, la section HP 12 et la section IP 14 sont disposées sur une seule longueur d'appui, supportées par des paliers lisses 26 et 28.

Un dispositif d'étanchéité à la vapeur 30 et 32 est situé vers l'intérieur de chaque palier lisse, respectivement 26 et 28. Un diviseur annulaire 42 de sections s'étend radialement vers l'intérieur depuis la section centrale 18 vers un arbre 60 de rotor qui s'étend entre la section HP 12 et la section IP 14. Plus particulièrement, le diviseur 42 s'étend sur le pourtour d'une partie de l'arbre 60 de rotor entre un premier distributeur 46 de section HP et un premier distributeur 48 de section IP. Le diviseur 42 est logé dans une rainure 50 ménagée dans la boîte 52 à garniture. Plus particulièrement, la rainure 50 peut être une rainure en C qui s'étend radialement jusque dans une boîte 52 à garniture et sur un pourtour extérieur de la boîte 52 à garniture, de façon qu'une ouverture centrale de la rainure centrale 50 soit orientée radialement vers l'extérieur. En fonctionnement, l'entrée 20 de vapeur à haute pression reçoit de la vapeur à haute pression/haute température provenant d'une source de vapeur, par exemple une chaudière électrique (non représentée). La vapeur est amenée à cheminer dans la section HP 12 dans laquelle un travail est extrait de la vapeur pour faire tourner l'arbre 60 de rotor. La vapeur sort de la section HP 12 et est renvoyée dans la chaudière pour y être réchauffée. La vapeur réchauffée est ensuite acheminée jusqu'à l'entrée 22 de vapeur à moyenne pression et est renvoyée dans la section IP 14 à une pression inférieure à celle de la vapeur entrant dans la section HP 12, mais à une température approximativement égale à la température entrant dans la section HP 12. De la sorte, une pression de fonctionnement dans la section HP 12 est supérieure à une pression de fonctionnement dans la section IP 14, si bien que la vapeur dans la section HP 12 a tendance à s'écouler vers la section IP 14 en suivant des trajets de fuite qui sont susceptibles d'apparaître entre la section HP 12 et la section IP 14. Un tel trajet de fuite peut s'étendre à travers la boîte 52 à garniture à l'intérieur de l'arbre 60 de rotor. La figure 2 est une illustration schématique agrandie d'un exemple de diaphragme 70 de distributeur de turbine et d'une boîte à garniture ou boîte d'étanchéité 72 utilisables avec la turbine 10. Dans l'exemple de forme de réalisation, le diaphragme 70 de distributeur est un diaphragme de premier étage utilisé avec la turbine haute pression 12. De plus, dans l'exemple de forme de réalisation, la boîte 72 à garniture comprend une pluralité d'ensembles de joints labyrinthes 100 qui contribuent à réduire les fuites de la section HP 12 vers la section IP 14 le long de l'arbre 60 de rotor. Les ensembles de joints labyrinthes 100 comprennent des rangées, espacées longitudinalement les unes des autres, de dents fixées à une bague d'étanchéité 102 qui contribuent à l'étanchéité pour parer à des différences de pressions de fonctionnement susceptibles d'être présentes dans une turbine à vapeur telle que la turbine 10. Dans une autre forme de réalisation possible, la boîte 52 à garniture comprend des joints brosses qui peuvent également servir à contribuer à limiter fortement les fuites dans un intervalle défini entre deux pièces, notamment des fuites depuis une zone à une pression supérieure vers une zone à une pression inférieure. En fonctionnement, de la vapeur à une pression supérieure dans la section HP 12 a tendance à fuir en empruntant un trajet de fuite défini entre le diaphragme 70 de distributeur de premier étage et la boîte 72 à garniture, jusqu'à la section IP 14, une zone à pression de fonctionnement inférieure. Par exemple, dans une forme de réalisation, de la vapeur à haute pression est admise dans la section HP 12 à environ 12,4 MPa (1800 psia) et de la vapeur de réchauffage est admise dans la section IP 14 à environ 2,07-2,75 MPa (300-400 psia). De la sorte, une chute de pression relativement forte dans la boîte 72 à garniture peut amener de la vapeur à fuir autour de la boîte 72 à garniture le long de l'arbre 60 de rotor, ce qui provoque une baisse du rendement de la turbine à vapeur.

La figure 3 est un exemple de forme de réalisation d'un ensemble de joint labyrinthe 100 utilisable avec la turbine 10. Sur la figure 3, seules une partie de l'arbre 60 de rotor et une partie de la boîte 72 sont représentées. En outre, bien que ne soit représentée qu'une seule bague d'étanchéité 102, plusieurs bagues similaires pourraient être disposées en série, comme représenté sur la figure 2. Dans d'autres formes de réalisation possibles, les ensembles de joints labyrinthes 100 servent à contribuer à l'étanchéité dans d'autres zones de la turbine 10.

La bague d'étanchéité 102 comporte une pluralité de dents 104 disposées en regard d'une pluralité de saillies ou portées circonférentielles 105 d'arbre de rotor s'étendant vers l'extérieur de l'arbre 60 de rotor. Dans l'exemple de forme de réalisation, chaque saillie ou portée circonférentielle 105 comporte des surfaces radialement extérieures 107 de rotor placées entre une pluralité de surfaces radialement intérieures 109 de rotor. Dans l'hypothèse d'une circulation de fluide de gauche à droite, chaque portée 105 comporte également une surface axiale amont 106 et une surface axiale aval 108. Les dents 104, ainsi que les surfaces axiales 106, 108 des portées, sont alignées dans la direction radiale. Dans certains joints labyrinthes selon la technique antérieure, la hauteur de la portée (c'est-à-dire la hauteur des surfaces axiales 106, 108) est égale à deux cinquièmes de la hauteur du joint (c'est-à-dire la distance entre la surface radiale 116 et la surface radialement intérieure 109 du rotor). Comme expliqué plus haut, une force positive peut amener un fluide à s'écouler entre les multiples resserrements formés par une zone de jeu 110 définie entre les dents 104 et l'arbre 60 de rotor. On peut également définir la zone de jeu comme la distance entre l'extrémité (ou le bas) des dents 104 et le haut des portées 105. Plus spécifiquement, la combinaison de la zone de jeu 110, du nombre et de la forme relative de la pointe des dents 104, du nombre de portées 105 de rotor et des conditions de fonctionnement, dont la pression et la densité constitue des facteurs qui déterminent l'ampleur du débit de fuite. Cette conception du joint doit préserver une petite distance de jeu (par exemple, 40 mils, sachant que 1 mil = 0,0254 mm) afin d'obtenir les caractéristiques de performances voulues et, comme évoqué plus haut, est susceptible de créer des problèmes pendant des démarrages ou des arrêts. Chaque bague d'étanchéité 102 est retenue dans une rainure 112 de boîte créée dans la boîte 72. Dans une forme de réalisation, chaque bague d'étanchéité 102 comporte une pluralité de segments (non représentés sur la figure 3) de bague d'étanchéité qui peuvent être placés dans la rainure 112 de la boîte pour faciliter le montage ou le démontage de la boîte 72. Dans les autres formes de réalisation, un système de ressorts (non représentés sur la figure 3) induit une force qui tend à agrandir un diamètre de la bague d'étanchéité 102 et un second système de ressorts (non représentés sur la figure 3) peut servir à s'opposer à la force induite par le poids de la bague d'étanchéité 102. Chaque bague d'étanchéité 102 comprend une partie intérieure 114 de bague ayant des dents 104 qui s'étendent depuis une surface radialement intérieure 116, et une surface radialement extérieure 130 qui contribue à déterminer la zone de jeu 110 en touchant une surface radiale 118 de la boîte 72. Chaque bague d'étanchéité 102 comporte également une partie extérieure 120 de bague placée dans la rainure 112 de boîte. La partie extérieure 120 de bague comporte une surface périphérique intérieure 122 et une surface radialement extérieure opposée 131. La surface périphérique intérieure 122 touche une surface extérieure 126 d'un épaulement 124 de rainure de boîte de façon à limiter le mouvement radial de la bague d'étanchéité 102 vers l'intérieur. La bague d'étanchéité 102 comporte également une partie formant rétrécissement 128 s'étendant entre la partie intérieure 114 de la bague d'étanchéité et la partie extérieure 120 de la bague d'étanchéité. L'épaulement 124 de rainure de boîte coopère avec le resserrement 128 de bague d'étanchéité pour assurer une mise en place axiale de chaque bague d'étanchéité 102. Le resserrement 128 de la bague d'étanchéité comporte une surface d'appui par contact 132 qui touche l'épaulement 124 de rainure de boîte. Un premier trajet d'écoulement de vapeur dans l'ensemble de joint labyrinthe 100 est défini depuis la région à haute pression 106 jusqu'à la région à basse pression 108 via la zone de jeu 110 et entre les dents 104 et les surfaces 107 et 109 de l'arbre de rotor. Le débit de la vapeur est modulé en fonction de la disposition radiale de la bague d'étanchéité 102. A mesure que la bague d'étanchéité 102 se déplace radialement vers l'extérieur, les dimensions générales de la zone de jeu 110 augmentent et le débit de la vapeur dans la zone de jeu 110 augmente. Inversement, à mesure que la bague 102 se déplace radialement vers l'intérieur, la zone de jeu 110 devient plus petite et le débit de la vapeur dans la zone de jeu 110 diminue. Un deuxième trajet d'écoulement de vapeur est défini depuis l'espace annulaire de haute pression 134 jusqu'à l'espace annulaire de basse pression 136 via la rainure 112 de boîte. De la vapeur à une pression plus forte peut s'écouler depuis l'espace annulaire 134 via une ouverture annulaire 140 ménagée entre l'épaulement 124 de rainure de boîte et le resserrement 128 de bague d'étanchéité. La vapeur est amenée à passer par l'ouverture 140 jusqu'à une région à haute pression 142 définie entre la surface extérieure 126 de l'épaulement de rainure de boîte et la surface périphérique de la partie extérieure de bague d'étanchéité avant d'entrer dans une partie à haute pression 144 de rainure de boîte définie par la boîte 72 et la partie extérieure 120 de bague d'étanchéité. La vapeur sort de la partie à haute pression 144 de rainure de boîte et entre dans une partie radialement extérieure 148 de rainure de boîte définie entre une surface radialement extérieure 146 de rainure de boîte et la surface radialement extérieure 131 de la partie extérieure de bague d'étanchéité. La vapeur peut ensuite s'écouler jusqu'à une partie à basse pression 150 définie par la boîte 72 et la partie extérieure 120 de bague d'étanchéité et jusqu'à une région formant épaulement du côté basse pression 152, définie entre la surface extérieure 126 de l'épaulement de rainure de boîte et la surface périphérique intérieure 122 de la partie extérieure de bague d'étanchéité. La vapeur sort de la région formant épaulement 152 côté basse pression par une ouverture annulaire 154 définie entre l'épaulement 124 de rainure de boîte et le resserrement 128 de bague d'étanchéité, la vapeur étant refoulée dans l'espace annulaire 136. Le déplacement de la bague d'étanchéité 102 radialement vers l'extérieur est limité lorsque la surface extérieure 130 de la bague d'étanchéité, ou une partie quelconque de celle-ci, touche la surface radiale 118 de la boîte. Cette position est appelée position entièrement rentrée. Le déplacement de la bague d'étanchéité 102 radialement vers l'intérieur est limité lorsque la surface 122 de la bague d'étanchéité touche la surface 126 de l'épaulement de rainure de boîte. Cette position est appelée position entièrement insérée, comme illustré sur la figure 3. I1 est prévu un espace suffisant pour absorber les défauts transitoires d'alignement attendus de l'arbre 60 de rotor et de la boîte 72, sans que les dents 104 ne subissent de dommages. Dans des régimes bas ou sans charge, le poids de la bague d'étanchéité 102, les délimitations de la boîte 72, les forces de frottement et les forces d'une pluralité de systèmes éventuels de ressorts de sollicitation (non représentés sur la figure 3) agissent sur la bague d'étanchéité 102. Cela a pour effet global que la bague d'étanchéité 102 tend à prendre un diamètre limité par la limite du déplacement de la bague d'étanchéité 102 radialement vers l'extérieur. Les pressions internes dans toute la turbine 10 sont sensiblement proportionnelles à la charge. Comme la charge et le débit massique de la vapeur augmentent l'un et l'autre, les pressions locales augmentent d'une façon sensiblement linéaire. Cette relation peut servir pour déterminer des positions voulues de la bague d'étanchéité 102 à des régimes prédéterminés de fonctionnement de la turbine. Par exemple, lorsque le débit de la vapeur circulant vers la turbine 110 est accru, la pression de la vapeur dans l'espace annulaire 134 et dans la rainure 112 de boîte augmente de la même manière. La pression de vapeur accrue exerce une force radialement vers l'intérieur sur la bague d'étanchéité 102 qui est sensiblement portée par les surfaces extérieures 130 et 131 de bague d'étanchéité.

La pression de vapeur accrue dans la région à haute pression 106 induit une augmentation du débit de vapeur via la rainure 112 de boîte, en passant par l'espace annulaire 134, l'ouverture annulaire 140, la région formant épaulement 142, la partie à haute pression 144 de la rainure de boîte, la partie radialement extérieure 148 de la rainure de boîte, la partie à basse pression 150 de la rainure de boîte, la région formant épaulement 152 et l'ouverture annulaire 154, pour aboutir à la région annulaire 136. La pression accrue de la vapeur dans la région à haute pression 106 induit également des pressions accrues sur le trajet défini depuis l'espace annulaire 134 jusqu'à l'espace annulaire 136 via la rainure 112 de boîte, comme décrit plus haut. Les pressions dans chaque zone suivante du trajet sont inférieures à celles des régions qui les précédent. Par exemple, la pression de la vapeur dans la partie à basse pression 150 de la rainure de boîte est inférieure à la pression de la vapeur dans la partie à haute pression 144 de la rainure de boîte. Cette différence de pression induit une augmentation de la force agissant vers la droite sur la partie intérieure 114 de la bague d'étanchéité, la partie formant resserrement 128 de bague d'étanchéité et la partie extérieure 120 de la bague d'étanchéité. Les forces accrues exercées sur ces surfaces amènent la bague d'étanchéité 102 à se déplacer axialement vers la zone à basse pression 108 jusqu'à ce que la surface d'appui 132 contre le resserrement de la bague d'étanchéité touche l'épaulement 124 de la rainure de boîte. Lorsqu'une insertion complète est réalisée, la circulation de vapeur depuis l'espace annulaire à haute pression 134 vers l'espace annulaire à basse pression 136 via la rainure 112 de boîte est sensiblement empêchée par la bague d'étanchéité 102. Les conditions illustrées ci-dessus amènent la pression de la vapeur à induire une force accrue, radialement vers l'intérieur, s'exerçant sur les surfaces 130 et 131, comme décrit plus haut. La pression accrue de la vapeur induit également une plus grande force s'exerçant radialement vers l'intérieur sur la bague d'étanchéité 102 afin de surpasser les forces de frottement évoquées précédemment et les forces d'une pluralité de sous-systèmes éventuels de ressorts de sollicitation (non représentés). Les dimensions de la bague d'étanchéité 102 et de la rainure 112 de boîte sont choisies pour contribuer à obtenir le meilleur jeu possible 110 entre les dents 104 et la surface de l'arbre 60 de rotor pour un fonctionnement en charge, en régime stable. La figure 4 représente une vue partielle en coupe d'un joint labyrinthe 400 selon un aspect de la présente invention. Le joint d'étanchéité 400 comprend une dent 410 de stator chanfreinée ou inclinée et des portées 420 ayant une hauteur accrue en comparaison d'autres joints selon la technique antérieure. La hauteur H du joint se définit comme la distance entre la surface intérieure radiale 403 du stator 402 et la surface intérieure radiale 405 du rotor 404. La distance D de jeu se définit comme la distance entre le bas des longues dents 410 du stator et la surface intérieure radiale 405, ou comme la distance entre le bas des dents les plus courtes 411 du stator et le haut des portées 420. Dans certaines applications, ces deux distances de jeux peuvent être identiques ou différentes. La distance de jeu D peut être comprise entre environ 0,5 mm et environ 2 mm (20 mils et 80 mils), ou entre environ 0,5 et environ 5 mm (20 et 200 mils), ou peut avoir n'importe quelle distance adéquate voulue dans l'étage ou l'application spécifique. Le stator 402 est une structure fixe qui peut également comprendre un support intérieur de stator et un anneau de garniture. Le rotor 404 est une structure rotative qui peut également comprendre un arbre, un disque ou un tambour associé au rotor 404. Le flux dans le joint 400 circule globalement de gauche à droite, comme indiqué par la flèche 407. Chaque portée 420 comporte une surface radialement extérieure 422, une surface axiale amont 424 et une surface axiale aval 426. La hauteur HL de chaque portée 420 se définit comme la distance entre la surface radialement extérieure 422 et la surface intérieure radiale 405. De préférence, la hauteur HL pour chaque portée est environ égale aux trois cinquièmes de la hauteur H du joint (c'est-à-dire que HL = environ 3/5 * H). La longueur des dents courtes peut être d'environ un cinquième de la hauteur du joint et la longueur des dents longues peut être d'environ quatre cinquièmes de la hauteur du joint. Cependant, d'autres hauteurs de portées et d'autres longueurs de dents peuvent être utilisées si elles sont souhaitables dans l'application spécifique. Les longues dents 410 de stator sont également chanfreinées ou conçues de façon à être inclinées axialement vers l'amont sur leur longueur. Par exemple, l'extrémité inférieure 412 (ou le bas) de la dent 410 de stator se trouve axialement plus en amont que la partie supérieure 413. Les dents chanfreinées 410 du stator sont inclinées ou "penchées" du côté du flux et créent plus de perturbations (accroissent les turbulences) du flux que des dents rectilignes (comme sur la figure 3). I1 doit être entendu que les dents pourraient se trouver soit sur les pièces rotatives soit sur les pièces fixes et que les portées pourraient également se trouver sur les pièces rotatives ou les pièces fixes. La figure 5 est une courbe du pourcentage de réduction de débit par rapport à la distance de jeu en millimètres entre un joint semblable à celui représenté sur la figure 3 et le joint labyrinthe 400 de la figure 4. Des régimes transitoires de fonctionnement, qui peuvent comprendre le démarrage de la turbine/du moteur, l'arrêt, ou des oscillations de charge, ont souvent pour effet un déplacement axial des pièces rotatives par rapport aux pièces fixes, ce qui risque d'amener les dents ou autres structures (par exemple, des portées, etc.) qui définissent le joint labyrinthe sur une surface à toucher, frotter contre ou heurter les dents ou structures présentes sur la surface opposée. Par conséquent, il serait avantageux d'accroître la distance de jeu D tout en améliorant la limitation du débit dans le joint.

Le joint 400, comparé au joint de la figure 3, a une réduction de débit d'environ 3% lorsque la distance de jeu est de 0,5 mm et une réduction de débit d'environ 12% lorsque la distance de jeu est de 2 mm. En fait, à toutes les distances de jeux entre 0,5 et 2 mm, le joint 400 présente une meilleure réduction de débit que le joint de la figure 3. En comparaison de joints selon la technique antérieure, le joint 400 est moins sensible au jeu radial et au déplacement axial tout en assurant une meilleure réduction du débit. Cela permet au joint d'avoir une plus grande distance de jeu et réduit tout frottement pendant des régimes de fonctionnement transitoires. La figure 6 représente une vue partielle en coupe d'un joint labyrinthe 600 selon un aspect de la présente invention. Le stator 602 comporte des dents longues 610 et des dents plus courtes 611. Le sens de l'écoulement dans le joint 600 est illustré par la flèche 607. Les dents les plus courtes 611 sont obliques vers l'amont et les dents longues 610 peuvent être globalement rectilignes (c'est-à-dire orientées radialement vers le bas) ou peuvent être inclinées vers l'amont. Les dents courtes 611 peuvent être inclinées vers l'amont suivant des angles d'environ dix à environ quarante degrés par rapport à l'axe radial (par exemple, une verticale sur la figure 6). Selon une autre possibilité, l'angle A entre la surface intérieure radiale 603 (qui est aligné dans la direction axiale) et l'axe des dents courtes 611 peut être d'environ cinquante à environ quatre-vingts degrés. On peut utiliser d'autres angles souhaités dans l'application spécifique. Les portées 620, sur le rotor 604, comportent chacune une surface radialement extérieure (ou dessus) 622, une surface amont 624 et une surface axiale aval 626. La hauteur HL de chaque portée 620 se définit comme la distance entre la surface radialement extérieure 622 et la surface intérieure radiale 605. De préférence, la hauteur HL pour chaque portée est à peu près égale aux trois cinquièmes de la hauteur H du joint (c'est-à-dire que HL = environ 3/5 * H). Cependant, on peut utiliser d'autres hauteurs de portées souhaitables dans l'application spécifique. La surface amont 624 est inclinée vers l'amont suivant un angle d'environ dix à environ quarante degrés par rapport à l'axe radial (par exemple, une verticale sur la figure 6). Selon une autre possibilité, l'angle B entre la surface radiale 605 du rotor et la surface amont 624 peut être d'environ cinquante à environ quatre-vingts degrés. D'autres angles peuvent être utilisés s'ils sont souhaitables dans l'application spécifique. On a constaté expérimentalement et par modélisation informatique d'images d'écoulement que certaines surfaces obliques ou inclinées, certaines dimensions et certains rapports concernant les dimensions sont plus efficaces que d'autres pour l'étanchéité. Une simulation informatique de dynamique de fluides a été effectuée et a comparé le coefficient de débit entre le joint de la figure 3 et le joint 600. Le joint 600 avait un coefficient de débit amélioré d'environ 10% par rapport au joint de la figure 3. La raison de cette amélioration du coefficient de débit réside dans la manière dont le flux traverse le joint 600. Dans la zone proche de la dent 611 au-dessus de la portée 620, le flux est davantage amené à tourner et subit un meilleur étranglement, ce qui réduit à son tour les fuites. L'accroissement des virages empruntés par le flux est dû à la surface inclinée 624 de la portée 620 et à la dent inclinée 611. La figure 7 représente une vue partielle en coupe d'un joint labyrinthe 700 selon un autre aspect de la présente invention. Le joint 700 combine les dents de stator de la figure 4 avec les portées de rotor de la figure 6. La figure 8 représente une vue partielle en coupe d'un joint labyrinthe 800 selon un autre aspect de la présente invention. Le joint 800 combine les dents de stator de la figure 4 et de la figure 6 avec les portées de rotor de la figure 6. Le stator 802 comporte des dents inclinées courtes 611 et des dents inclinées longues 410. Le joint 800 peut être conçu pour avoir une dent 611 située entre les dents inclinées longues 410 (comme représenté) ou encore plusieurs dents 611 peuvent être situées entre chaque ensemble de dents inclinées longues 410.

Bien que les présents exemples décrivent les dents comme étant disposées sur la surface fixe (le stator) et les portées comme se trouvant sur la surface rotative, il est possible et il peut être souhaitable dans certaines applications de faire en sorte que les dents soient disposées sur la surface rotative et les portées sur la surface fixe. De façon générale, comme on l'a déjà indiqué, la structure de joint sans contact selon la présente invention permet un libre mouvement axial du rotor tout en empêchant un endommagement du joint labyrinthe qui résulte souvent du mouvement axial des structures opposées pendant des régimes transitoires de fonctionnement. De plus, la structure du joint, selon les aspects de la présente invention, assure une étanchéité efficace puisqu'elle crée un trajet d'écoulement qui contrarie les fuites de fluide de travail, comme expliqué plus haut.

Listes des repères 10 turbine 12 section HP 13 moitié supérieure 14 section IP 15 moitié inférieure 16 enveloppe extérieure 18 section centrale 20 entrée de vapeur à haute pression 22 entrée de vapeur à moyenne pression 26 palier lisse 28 palier lisse 30 système de joint étanche à la vapeur 32 système de joint étanche à la vapeur 42 diviseur de sections annulaire 46 distributeur HP 48 distributeur IP 50 rainure 52 boîte à garniture ou d'étanchéité 60 arbre de rotor 70 diaphragme de distributeur 72 boîte à garniture ou d'étanchéité 100 ensembles de joints labyrinthes 102 bague d'étanchéité 104 dents 105 portées 106 surface axiale amont 107 surfaces radialement extérieures du rotor 108 surface axiale aval 109 surfaces radialement intérieures du rotor 110 zone de jeu 112 rainure de boîte 114 partie intérieure de bague120 partie extérieure de bague 122 surface périphérique intérieure 124 épaulement 126 surface extérieure 128 partie formant resserrement 130 surface radialement extérieure 131 surface radialement extérieure 132 surface de pression 134 espace annulaire à haute pression 136 espace annulaire à basse pression 140 ouverture annulaire 142 zone à haute pression 144 partie à haute pression 146 surface extérieure 148 partie extérieure 150 partie à basse pression 152 zone formant épaulement 154 ouverture annulaire 400 joint labyrinthe 402 stator 403 surface intérieure radiale 404 rotor 405 surface intérieure radiale 407 flèche (sens d'écoulement) 410 dent longue de stator 411 dent plus courte de stator 412 extrémité inférieure 413 partie supérieure 420 portée 422 surface radialement extérieure 424 surface axiale amont 426 surface axiale aval

Claims (10)

1. REVENDICATIONS1. Joint d'étanchéité (400) pour empêcher des fuites axiales par un jeu radial entre une structure fixe (402) et une structure rotative (404), le jeu radial étant défini par une surface intérieure radiale (405) en regard d'une surface extérieure radiale (403) de l'autre côté du jeu radial, le joint comprenant : au moins une portée (420) disposée sur une première surface intérieure radiale ou une surface extérieure radiale au moins une première dent (410) qui fait saillie depuis l'autre des surface intérieure radiale et surface extérieure radiale au moins une deuxième dent (411) qui fait saillie depuis l'autre des surface intérieure radiale et surface extérieure radiale, ladite au moins une deuxième dent étant conçue de manière à être plus courte que ladite au moins une première dent ; au moins une des première dent et deuxième dent étant conçue pour s'étendre d'une manière inclinée vers l'amont, l'angle défini entre une surface radiale depuis laquelle fait saillie la première dent ou la deuxième dent et une surface amont d'au moins une des première et deuxième dent, et l'angle étant inférieur ou égal à environ 80 degrés.
2. 2. Joint d'étanchéité selon la revendication 1, dans lequel l'inclinaison est supérieure ou égale à environ 50 degrés.
3. 3. Joint d'étanchéité selon la revendication 1, dans lequel la/les portées (420) est/sont disposées sur la structure fixe (402) et la/les premières dents (410) et la/les deuxièmes dents (411) sont disposées sur la structure rotative (404).
4. 4. Joint d'étanchéité selon la revendication 1, dans lequel la/les portées (420) sont disposées sur la structure rotative (404) et la/les premières dents et la/les deuxièmes dents sont disposées sur la structure fixe (402),
5. 5. Joint d'étanchéité selon la revendication 1, dans lequel la/les portées (420) comportent une surface amont (624) conçuepour être inclinée vers l'amont, suivant une deuxième inclinaison (B), lorsqu'elle fait saillie radialement vers l'extérieur ; la seconde inclinaison (B) étant définie entre la surface amont (624) et une surface radiale depuis laquelle fait saillie la surface amont de la/des portées, et la seconde inclinaison formant un angle inférieur ou égal à environ 80 degrés.
6. 6. Joint d'étanchéité selon la revendication 5, dans lequel la deuxième inclinaison (B) forme un angle supérieur ou égal à environ 50 degrés.
7. 7. Joint d'étanchéité selon la revendication 1, dans lequel la/les premières dents (410) sont conçues pour s'étendre de manière inclinée vers l'amont.
8. 8. Joint d'étanchéité selon la revendication 1, dans lequel la/les deuxièmes dents (611) sont conçues pour s'étendre d'une manière inclinée vers l'amont.
9. 9. Joint d'étanchéité selon la revendication 1, dans lequel la/les premières dents (410) et la/les deuxièmes dents (611) sont conçues pour s'étendre d'une manière inclinée vers l'amont.
10. 10. Joint d'étanchéité selon la revendication 1, le joint ayant une hauteur (H) de joint qui se définit par une distance entre la surface intérieure radiale (405) et la surface extérieure radiale (403) ; et dans lequel : une hauteur de la/des premières dents (410) est égale à environ quatre cinquièmes de la hauteur du joint ; une hauteur de la/des deuxièmes dents (411) est égale à environ un cinquième de la hauteur du joint ; et une hauteur (HL) de la/des portées (420) est égale à environ trois cinquièmes de la hauteur du joint.