FR3106850A1 - Dispositif d’étanchéité statique amovible entre deux compartiments d’une turbomachine et procédé de mise en étanchéité - Google Patents

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Bruno Dufosse
Tristan Tazoumbait
Michel Leromain
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Abstract

DISPOSITIF D’ÉTANCHÉITÉ STATIQUE AMOVIBLE ENTRE DEUX COMPARTIMENTS D’UNE TURBOMACHINE ET PROCÉDÉ DE MISE EN ÉTANCHÉITÉ Un dispositif d’étanchéité statique amovible (10) entre deux compartiments (A, B) d’une turbomachine comportant un rotor (104) en rotation dans un stator (101, 102, 106) selon un axe de rotation (113), qui comporte : - un moyen d’étanchéité (105) déplaçable le long du rotor, selon l’axe de rotation, qui comporte une surface de centrage (115) du rotor correspondante à une partie du rotor, - un moyen mécanique (107, 108) de déplacement du moyen d’étanchéité le long du rotor, selon l’axe de rotation, pour mettre en contact la surface de centrage avec le rotor. Dans des modes de réalisation, le dispositif comporte : - un actionneur (107, 108) qui comporte un pignon (118) et une roue dentée (119) dont l’axe de rotation est l’axe de rotation du rotor, la roue dentée comportant un taraudage (116) et - le moyen d’étanchéité (105) comporte un moyen de blocage (109) en rotation par rapport au stator (101, 102, 106) et au moins une partie filetée (116 correspondant au taraudage. Figure pour l'abrégé : figure 1

Description

DISPOSITIF D’ÉTANCHÉITÉ STATIQUE AMOVIBLE ENTRE DEUX COMPARTIMENTS D’UNE TURBOMACHINE ET PROCÉDÉ DE MISE EN ÉTANCHÉITÉ
DOMAINE TECHNIQUE DE L’INVENTION
La présente invention vise un dispositif d’étanchéité statique entre deux compartiments d’une turbomachine et procédé de mise en étanchéité. Elle s’applique, notamment, au domaine des systèmes de production d’énergie en cycle fermé, en particulier dans le domaine des machines à Cycles Organiques de Rankine (d’acronyme «ORC» pour «Organic Rankine Cycle» en anglais.).
ÉTAT DE LA TECHNIQUE
Les turbomachines sont pourvues d’une garniture d’étanchéité mécanique, c’est-à-dire une garniture placée entre le rotor et le stator et destinée à confiner le fluide de travail dans la machine lorsque celle-ci est en conditions normales de fonctionnement.
Dans le secteur des systèmes de production d'énergie à cycle fermé, en particulier dans le domaine des systèmes à Cycles Organiques de Rankine (ORC), le rôle des garnitures mécaniques est critique à la fois en termes de conception, de planification et gestion des opérations de maintenance. Les fuites provenant des garnitures mécaniques, qu’elles soient liées à de l’usure ou à des ruptures, ont un impact important sur ces types de systèmes. L’impact est principalement lié à la valeur économique élevée du fluide de travail et une toxicité possible ou à la création d'environnements explosifs en liaison avec des fuites dans des zones dans lesquelles il est difficile de limiter la présence d'opérateurs ou l'utilisation d'équipements conformes aux normes européennes d’atmosphère explosives (d’acronyme «ATEX») ou équivalentes.
Une installation de production d’énergie de type machine à ORC comprend:
- une pompe permettant la circulation d’un fluide de travail sous pression,
- un évaporateur utilisant un fluide chaud pour évaporer le fluide de travail,
- une turbomachine réalisant une détente du fluide de travail gazeux entraînant une génératrice électrique accouplée à la turbomachine et
- un condenseur utilisant un fluide froid pour condenser et refroidir le fluide de travail avant son admission dans la pompe.
Ces composants et les éléments de tuyauterie qui les relient forment le circuit principal. Un circuit secondaire de circulation d’une huile de lubrification complète l’installation.
La turbomachine est supportée par des paliers, ou roulements, lubrifiés par ladite huile de lubrification, et des garnitures mécaniques situées entre le carter, ou stator, de la turbomachine et les paliers assurent une étanchéité dynamique entre le circuit principal et le circuit de lubrification. Elles permettent de créer une étanchéité dynamique entre l’arbre, ou rotor, et le carter de la turbine en injectant un fluide de barrage en surpression par rapport à la pression du circuit principal. Cette surpression permet l’infiltration de lubrifiant entre les faces de friction de la garniture et ainsi la création d’un film de lubrifiant entre les faces de friction de la garniture permettant leur lubrification lorsque l’arbre est en rotation. Les garnitures ont une durée de vie finie qui dépend principalement du nombre d’arrêts/démarrages de l’installation.
La défaillance d’une garniture entraîne ainsi une perte d’étanchéité de la turbomachine menant à une perte de fluide de travail ou à une entrée d’air dans le carter, selon la nature du fluide et la température de la turbomachine au moment de la défaillance. Classiquement, le remplacement d’une garniture nécessite de vidanger le circuit principal. Une fois le remplacement effectué, il faut faire le vide dans le circuit principal et y réinjecter du fluide de travail.
Lorsque la garniture mécanique est défaillante ou lors de son remplacement, elle perd sa capacité à confiner le fluide de travail. Par conséquent, l'environnement intérieur de la machine est mis en communication avec l'environnement extérieur si aucune précaution particulière n'est prise.
Certaines solutions connues permettent de résoudre en partie, les problèmes de fuite ou de contamination du fluide de travail lorsque la turbomachine est arrêtée. Cependant, ces solutions présentent des inconvénients majeurs.
Par exemple, un dispositif d’étanchéité actionnable lorsque la turbomachine est arrêtée est décrit dans le document WO 2019/145 809. Ce document propose d’utiliser un élément annulaire de type piston à soufflet dans lequel un fluide est mis en circulation pour refroidir l’élément annulaire.
L’élément annulaire est mobile entre deux positions extrêmes:
- une position rétractée, lorsque la turbomachine est en fonctionnement, et
- une position étendue, actionnable quand le rotor de la turbomachine est arrêté.
La position étendue permet d’isoler une zone fluidique du carter de la turbomachine comprenant le fluide de travail, d’une seconde zone de la turbomachine comprenant les paliers supportant l’arbre et le guidant en rotation et la garniture.
L’élément annulaire est actionné par augmentation de la pression du fluide en son sein. Le fluide est de l’air comprimé ou de l’huile, par exemple. L’élément annulaire est muni en son extrémité d’une surface d’étanchéité. La surface d’étanchéité est destinée à venir en butée contre une surface du rotor. La surface du rotor peut être plane ou de forme correspondante à la forme de la surface d’étanchéité.
Ce dispositif présente de nombreux inconvénients. Tout d’abord, il nécessite un fluide pour l’actionnement et le refroidissement de l’élément annulaire d’étanchéité ce qui génère un surcoût important dû au circuit fluidique associé. Typiquement, un tel circuit fluidique comporte au moins une vanne, un réservoir d’accumulation et un échangeur thermique.
De plus, la fiabilité de l’installation est diminuée par la présence du circuit fluidique. En particulier, la défaillance du système de pressurisation du circuit fluidique en cours de maintenance peut entraîner une fuite importante de fluide de travail. Une telle fuite vers les opérateurs de maintenance peut être dangereuse, notamment, si le fluide est toxique par exemple le hexamethyldisiloxane (d’acronyme «MM») ou le octamethyltrisiloxane (d’acronyme «MDM») ou inflammable comme le cyclopentane.
Aussi, le refroidissement nécessaire de l’élément annulaire augmente les pertes thermiques de la turbomachine.
Par ailleurs, le dispositif divulgué requiert des modifications coûteuses sur le rotor de la turbomachine pour le munir d’une forme complémentaire à la surface d’étanchéité de l’élément annulaire.
Enfin, le dispositif divulgué ne permet pas de bloquer le rotor en rotation durant l’opération de maintenance.
On connait également un dispositif divulgué dans la demande de brevet européen EP 2591211. Ce dispositif comporte un loquet par vis prévu pour bloquer le rotor en rotation et assurer un centrage. Une fois l’étanchéité établie, la chemise supportant les paliers peut être translatée permettant un accès au dispositif d’étanchéité pour sa maintenance ou son remplacement.
Le dispositif décrit dans ce document n’offre pas un maintien et centrage idéal du rotor. En effet, le dispositif à vis proposé demande une opération supplémentaire de la part de l’opérateur de maintenance qui, si elle est oubliée, peut provoquer un lourd endommagement de la turbomachine. De plus, le dispositif à vis demande une modification du carter et un alignement très précis entre le(s) trou(s) réalisé(s) sur le rotor et le(s) vis de blocage.
La présente invention vise à remédier à tout ou partie de ces inconvénients.
À cet effet, selon un premier aspect, la présente invention vise un dispositif d’étanchéité statique amovible entre deux compartiments d’une turbomachine comportant un rotor en rotation dans un stator selon un axe de rotation, qui comporte:
- un moyen d’étanchéité déplaçable le long du rotor, selon l’axe de rotation, qui comporte une surface de centrage du rotor correspondante à une partie du rotor et
- un moyen mécanique de déplacement du moyen d’étanchéité le long du rotor, selon l’axe de rotation, pour mettre en contact la surface de centrage avec le rotor.
Grâce à ces dispositions, la position du rotor est maintenue lors du placement du moyen d’étanchéité contre le rotor et simultanément, une étanchéité est créée entre un compartiment présentant des garnitures à remplacer et un compartiment présentant le fluide de travail. De plus, le moyen de déplacement mécanique permet de s’affranchir d’un système hydraulique onéreux et diminuant la fiabilité du système.
Le dispositif objet de l’invention permet lors d’une opération de maintenance ou de remplacement d’une garniture mécanique ou d’un palier d’une turbomachine, d’établir une étanchéité entre l’intérieur de la turbomachine et la zone comprenant la garniture mécanique et le palier, de sorte que le fluide de travail ne puisse pas fuir vers l’environnement extérieur. Seul le fluide de travail contenu dans le faible volume entre le dispositif mobile et la garniture mécanique est éventuellement perdu.
De plus, contrairement à l’état de la technique rappelé en préambule, le dispositif objet de la présente invention permet de supporter et centrer l’arbre ainsi que de bloquer la rotation de la turbomachine durant toute l’opération de maintenance, en une opération et sans éléments supplémentaires.
Dans des modes de réalisation, le moyen mécanique de déplacement comporte un actionneur mis en rotation selon un axe dit «axe d’actionnement» entraînant le déplacement en translation du moyen d’étanchéité selon l’axe de rotation du rotor.
Ces modes de réalisation permettent à un utilisateur d’avoir un accès plus aisé au moyen d’actionnement pour déplacer le moyen d’étanchéité.
Dans des modes de réalisation :
- l’actionneur comporte un engrenage comportant un pignon en rotation selon l’axe d’actionnement, et une roue dentée dont l’axe de rotation est l’axe de rotation du rotor, la roue dentée comportant un taraudage autour de l’axe de rotation du rotor et
- le moyen d’étanchéité comporte un moyen de blocage en rotation par rapport au stator et au moins une partie filetée autour de l’axe de rotation du rotor correspondante au taraudage de la roue dentée.
L’avantage de ces modes de réalisation est d’assurer que le moyen d’étanchéité, une fois mis en contact avec le rotor, est bloqué contre le rotor et ne risque pas de s’éloigner ce qui romprait l’étanchéité. De plus, la pression de contact entre le moyen d’étanchéité et le rotor est appliquée de manière uniforme et empêche ainsi tout blocage par coincement.
Dans des modes de réalisation, le rapport de réduction entre le pignon et la roue dentée est strictement inférieur à un.
Ces modes de réalisation permettent à l’opérateur de positionner précisément le moyen d’étanchéité.
Dans des modes de réalisation, le moyen d’étanchéité comporte au moins un joint torique entre le moyen d’étanchéité et le stator, et entre le moyen d’étanchéité et le rotor lorsque la surface de centrage est en contact avec le rotor.
Grâce à ces dispositions, l’étanchéité entre les compartiments est renforcée.
Dans des modes de réalisation, la surface de centrage est un tronc de cône.
L’avantage de ces modes de réalisation est d’adapter le dispositif à la géométrie de plusieurs rotors. Une surface de centrage en tronc de cône est avantageuse pour les raisons suivantes:
- la surface de contact est augmentée pour une longueur axiale donnée par rapport à un centrage par épaulement de type centrage court,
- un centrage par cône est moins sensible aux désalignements entre le moyen d’étanchéité et l’arbre du rotor et aux différences de dilatation thermiques qu’une liaison de type appui plan centrage court.
Dans des modes de réalisation, la surface de centrage est en matériau élastomère.
Ces modes de réalisation permettent d’améliorer l’étanchéité du moyen d’étanchéité.
Dans des modes de réalisation, le dispositif objet de la présente invention comporte, de plus, un joint déformable positionné entre le rotor et le stator et un moyen de déformation du joint pour que le joint soit simultanément en contact avec le rotor et le stator après déformation.
Grâce à ces dispositions, si le moyen d’étanchéité est défaillant, le joint déformé assure la sécurité de l’opérateur.
Selon un deuxième aspect, la présente invention vise un procédé de mise en étanchéité statique entre deux compartiments d’une turbomachine comportant un rotor en rotation dans un stator selon un axe rotation, qui comporte une étape de mise en étanchéité par déplacement d’un moyen d’étanchéité le long du rotor, selon l’axe de rotation, pour mettre en contact une surface de centrage avec le rotor.
Dans des modes de réalisation, l’étape de mise en étanchéité comporte:
- une étape de mise en rotation d’un pignon, selon un axe d’actionnement,
- une étape d’engrenage du pignon avec une roue dentée dont l’axe de rotation est l’axe de rotation du rotor et
- une étape de translation selon l’axe de rotation du rotor.
Les buts, avantages et caractéristiques particulières du procédé objet de la présente invention étant similaires à ceux du dispositif objet de la présente invention, ils ne sont pas rappelés ici.
BRÈVE DESCRIPTION DES FIGURES
D’autres avantages, buts et caractéristiques particulières de l’invention ressortiront de la description non limitative qui suit d’au moins un mode de réalisation particulier du dispositif et du procédé objets de la présente invention, en regard des dessins annexés, dans lesquels :
représente, schématiquement, un premier mode de réalisation particulier du dispositif objet de la présente invention dans une première position,
représente, schématiquement, un premier mode de réalisation particulier du dispositif objet de la présente invention dans une deuxième position,
représente, schématiquement, un deuxième mode de réalisation particulier du dispositif objet de la présente invention dans une première position,
représente, schématiquement, un deuxième mode de réalisation particulier du dispositif objet de la présente invention dans une deuxième position,
représente, schématiquement et sous forme d’un logigramme, une succession d’étapes particulière du procédé objet de la présente invention et
représente, schématiquement et en vue de côté, une turbomachine incorporant un mode de réalisation du dispositif objet de l’invention.
La présente description est donnée à titre non limitatif, chaque caractéristique d’un mode de réalisation pouvant être combinée à toute autre caractéristique de tout autre mode de réalisation de manière avantageuse.
On note dès à présent que les figures ne sont pas à l’échelle.
On observe, sur la figure 1, qui n’est pas à l’échelle, une vue schématique d’un mode de réalisation du dispositif objet de la présente invention.
Les figures 1 et 2, représentent, au moins partiellement une turbomachine comportant deux compartiments, le compartiment A et le compartiment B. Le compartiment B est le compartiment dans lequel circule un fluide de travail qui peut être explosif ou toxique.
Sur la figure 1, on observe, en partie, un rotor 104 et un stator, 101, 102 et 106, d’une turbomachine. On observe également un ensemble comportant des paliers et une garniture 103. C’est dans l’ensemble que la garniture 103 peut s’user et doit être remplacée sans engendrer de fuites du fluide de travail du compartiment B (à droite) vers le compartiment A (à gauche). Le compartiment A est, par exemple, l’air ambiant. Le rotor 104 est configuré pour être accouplé à une génératrice électrique (non représentée) et supporté par un palier à chaque extrémité. Dans des modes de réalisation, la turbomachine est agencée en porte-à-faux de manière connue de l’homme du métier.
Le stator comporte un carter 102, un support de mécanisme d’entraînement 106 et un logement de garniture 101. Préférentiellement, le carter 102, le support de mécanisme d’entraînement 106 et le logement de garniture 101 présentent des alésages alignés, de dimensions correspondantes aux dimensions du rotor 104. Le rotor 104 est inséré dans ces alésages qui créent une liaison pivot entre le rotor et le stator selon l’axe 113. Plus particulièrement, les paliers du logement de garniture 101 forment cette liaison pivot d’axe 113.
La garniture 103 permet l’étanchéité dynamique entre le compartiment A et le compartiment B. C’est-à-dire que l’étanchéité entre les compartiments A et B, lorsque le rotor est en rotation dans le stator, est assurée par cette garniture 103.
On observe donc, de gauche à droite, le long de l’axe 113 et autour d’une partie du rotor 104, agencé horizontalement sur les figures 1 et 2 :
- le compartiment A,
- le logement de garniture 101 dans lequel est insérée l’ensemble de la garniture 103 et des paliers qui entourent le rotor 104,
- un moyen d’étanchéité 105,
- le support de mécanisme d’entraînement 106,
- le carter 102 et
- le compartiment B.
Le rotor 104 est un arbre d’axe 113. L’arbre peut comporter deux parties, 120 et 121, de diamètre différent, séparées par un épaulement. L’épaulement peut être au moins partiellement chanfreiné. Sur la figure 1, le rotor 104 présente une première partie 120 insérée dans le logement de garniture 101 et le support de mécanisme d’entraînement 106 présentant un diamètre plus faible que le diamètre d’une deuxième partie 121 insérée dans le carter 102. L’épaulement comporte un chanfrein 114.
On note qu’un jeu est présent entre le rotor 104 et le carter 102, le support de mécanisme d’entraînement 106 et le logement de garniture 101, afin de faciliter la rotation du rotor 104.
Le dispositif 10 d’étanchéité statique entre les deux compartiments A et B comporte:
- le moyen d’étanchéité 105 déplaçable le long du rotor 104, selon l’axe de rotation 113, qui comporte une surface de centrage 115 du rotor 104 correspondante à une partie du rotor 114,
- un moyen mécanique, 107 et 116, de déplacement du moyen d’étanchéité 105 le long du rotor 104, selon l’axe de rotation 113, pour mettre en contact la surface de centrage 115 avec le rotor 104.
Le moyen d’étanchéité 105 est préférentiellement un solide de révolution à base circulaire munie d’un alésage de diamètre supérieur au diamètre de la première partie 120 du rotor 104 et inférieur au diamètre de la deuxième partie 121 du rotor 104. Lorsque le moyen d’étanchéité est monté, l’axe du moyen d’étanchéité 105 correspond à l’axe 113.
Sur le mode de réalisation représenté en figure 1 et 2, le moyen d’étanchéité 105 comporte une portée de guidage 122 correspondant à une portée de guidage sur le logement de garniture 101. Dans le mode de réalisation représenté, la portée de guidage correspondante sur le logement de garniture 101 est convexe tandis que la portée de guidage 122 est concave. Autrement dit, la portée de guidage 122 est une ouverture dans laquelle est insérée la portée de guidage correspondante sur le logement de garniture 101. En d’autres termes, la portée de guidage 122 est un alésage comportant un épaulement servant de butée, et la portée de guidage correspondante sur le logement de garniture 101 est un arbre de dimensions correspondante à l’alésage et inséré jusqu’à l’épaulement servant de butée.
Dans d’autres modes réalisation, la portée de guidage correspondante sur le logement de garniture 101 est concave tandis que la portée de guidage 122 est convexe.
Préférentiellement, la portée de guidage 122 est munie d’un joint d’étanchéité statique 124, par exemple un joint torique ou un joint à lèvres. Ce joint 124 permet au système d’être étanche en position ouverte, c’est-à-dire en position inactive. Dans des modes de réalisations alternatifs, pour réaliser l’étanchéité du système en position ouverte, on prévoit un joint entre l’arbre supportant le pignon 107 et le stator, notamment le logement de garniture 101.
Autour de la portée de guidage 122, le moyen d’étanchéité 105 présente un filetage 116. Ainsi, la portée de guidage 122 forme une cavité, préférentiellement de section circulaire, dans la pièce de révolution, mais autour de cette cavité, la pièce de révolution peut être assimilée à un arbre fileté 116.
Le moyen d’étanchéité 105 comporte également la surface de centrage 115. La surface de centrage 115 est préférentiellement oblique par rapport à l’axe 113. Par exemple, la surface de centrage 115 présente, par rapport à l’axe 113, un angle sensiblement égal à l’angle du chanfrein 114 du rotor 104, typiquement, de 30°, 45°, ou 60° par rapport à l’axe 113. En d’autres termes, la surface de centrage 115 est un tronc de cône concave à base circulaire d’axe 113 dont le sommet est sur l’axe 113.
Le contact entre la surface de centrage 115 et le chanfrein du rotor 114 est une liaison conique permettant, à la fois, le centrage et le support du rotor 104 lorsque le moyen d’étanchéité 105 est en contact avec le rotor 104.
Préférentiellement, la liaison conique est également étanche aux fluides dans la turbomachine. L’étanchéité est réalisée, par exemple, en spécifiant un état de surface de faible rugosité sur les deux surfaces coniques, ou encore en réalisant l’une des deux surfaces coniques, de préférence celle du moyen d’étanchéité 105, dans un matériau de type élastomère. L’étanchéité peut être réalisée de toute manière connue de l’homme du métier.
Plus généralement, dans le mode de réalisation représenté, la surface de centrage 115 est liée à un épaulement dont la géométrie correspond à celle d’un épaulement du rotor 114 entre la première 120 et la deuxième 121 partie.
La surface de centrage 115 et/ou l’épaulement peut être muni d’au moins un joint d’étanchéité statique, 111 et/ou 112, par exemple de type joint torique ou joint à lèvres.
Le moyen d’étanchéité 105 présente également une surface en contact avec un alésage du support de mécanisme d’entraînement 106. Cette surface est préférentiellement munie d’un joint d’étanchéité statique 125, par exemple un joint torique ou un joint à lèvres. Cette surface permet le centrage du moyen d’étanchéité 105 lors de son installation.
Une portée de guidage existe ensuite entre la partie en arbre fileté 116 du moyen d’étanchéité 105 et la surface en contact avec un alésage du support de mécanisme d’entraînement 106.
Dans des modes de réalisation (non représentés), le moyen d’étanchéité 105 est composé de deux pièces accouplées. Une première pièce comprend la surface de centrage 115, réalisée dans un matériau, ou présentant un traitement de surface, limitant le risque d’usure adhésive avec le matériau de l’arbre et/ou étant compatible aux normes ATEX. La seconde pièce porte le filetage 116, et peut être réalisée dans un matériau présentant:
- une faible conductivité thermique, par exemple inférieure à 20 W/(m.K),
- une dureté plus élevée, par exemple supérieure à 150 HB, et/ou
- une bonne résistance mécanique, par exemple dont la limite à la rupture est supérieure à 500 MPa.
On note ici que les dimensions du moyen d’étanchéité 105 sont telles qu’un jeu existe entre le logement de garniture 101, le moyen d’étanchéité 105 et l’épaulement du rotor 104 entre la première 120 et la deuxième 121 partie. En d’autres termes, le moyen d’étanchéité peut se déplacer en translation le long du rotor 104, selon l’axe 113.
Le moyen mécanique, 107 et 116, agit sur une surface du moyen d’étanchéité pour le déplacer selon l’axe 113. En d’autres termes, un actionnement du moyen mécanique permet le déplacement du moyen d’étanchéité selon l’axe 113 pour mettre la surface de centrage 110 en contact avec le rotor 104.
Préférentiellement, le moyen mécanique, 107 et 116, de déplacement comporte un actionneur 107 mis en rotation selon un axe 117 dit «axe d’actionnement» parallèle à l’axe de rotation 113 du rotor 104 entraînant le déplacement en translation du moyen d’étanchéité 105 selon l’axe de rotation 113 du rotor 104.
Dans des modes de réalisation (non représentés), le moyen mécanique est poussé pour déplacer le moyen d’étanchéité parallèlement à l’axe 113.
Dans des modes de réalisation (non représentés), l’actionneur comporte un taraudage correspondant au filetage 116, l’actionneur étant alors mis en rotation par rapport à l’axe 113.
Préférentiellement, dans le mode de réalisation représenté en figures 1 et 2:
- l’actionneur 107 comporte un engrenage comportant un pignon 118 en rotation selon l’axe d’actionnement 117, et une roue dentée 119 dont l’axe est l’axe de rotation 113 du rotor, la roue dentée 119 comportant un taraudage correspondant au filetage 116 autour de l’axe de rotation 113 du rotor 104 et
- le moyen d’étanchéité 105 comporte un moyen de blocage 109 en rotation par rapport au stator, 101, 102 et 106, et au moins une partie filetée 116 autour de l’axe de rotation 113 du rotor correspondant au taraudage de la roue dentée.
Le moyen de blocage 109 est, par exemple, une clavette positionnée dans une rainure de clavette sur le logement de garniture 101 (figure 1) et/ou sur le support de mécanisme d’entraînement 106 (cas non représenté). Dans le mode de réalisation représenté en figures 1 et 2, la clavette 109 est positionnée sur la portée de guidage du logement de garniture 101, le moyen d’étanchéité 105 présentant une rainure de clavette correspondante se translatant le long de la clavette 109.
Dans des modes de réalisation (non représentés), la portée de guidage du logement de garniture 101 comporte un méplat et la portée de guidage 122 correspondant du moyen d’étanchéité comporte un méplat correspondant formant le moyen de blocage.
Plus généralement, le moyen de blocage est tout moyen de blocage d’un arbre par rapport à un alésage connu de l’homme du métier.
L’actionneur, 107 présente un arbre d’axe 117, traversant le logement de garniture 101, dans un alésage de diamètre correspondant, depuis le compartiment A jusqu’au support de mécanisme d’entraînement 106. L’arbre présente donc une extrémité coincée entre le logement de garniture 101 et le support de mécanisme d’entraînement 106. Cette extrémité présente un pignon 118 libre en rotation par rapport au stator.
L’actionneur 107 est préférentiellement actionné au moyen d’une clé, outil connu de l’homme du métier, et présente une forme correspondante.
Une pièce intermédiaire 108 présente une roue dentée 119 s’engrenant avec le pignon 118. La pièce intermédiaire 108 est un solide de révolution à base circulaire. La pièce intermédiaire 108 comporte une surface de centrage 110, en contact avec une surface du support de mécanisme d’entraînement 106. Préférentiellement, la surface de centrage 110 est en contact avec la même surface du support de mécanisme d’entraînement 106 que le moyen d’étanchéité 105. En d’autres termes, ces surfaces de révolution présentent le même diamètre.
La surface de centrage 110 crée un appui sur la partie dentée de la pièce intermédiaire 108. Préférentiellement, les dimensions selon l’axe 113 du pignon 118 et de la roue dentée 119 sont égales.
La pièce intermédiaire 108 présente un alésage taraudé correspondant à la partie filetée du moyen d’étanchéité 105, c’est-à-dire de même diamètre nominal et de même pas.
Dans des modes de réalisation préférentiels, le rapport de transmission entre le pignon et la roue dentée est strictement inférieur à un. Ces modes de réalisation permettent de limiter les dimensions du pignon. Plus le pignon est petit, plus c’est avantageux en termes d’encombrement. La limite inférieure étant liée à la résistance de l’axe du pignon car plus le pignon est petit, plus le couple à exercer sur l’axe du pignon doit être important pour soulever le rotor pour une géométrie de roue dentée donnée. De plus, plus le pignon est petit, plus l’opérateur devra effectuer de rotations complètes du pignon pour actionner le dispositif 10 objet de la présente invention.
Préférentiellement, les dentures du pignon 118 et de la roue dentée 119 sont droites. Préférentiellement, l’engrenage entre le pignon 118 et la roue dentée 119 est un engrenage à denture droite intérieure.
Dans des modes de réalisation (non représenté), l’axe de l’actionneur 107 est tel que l’engrenage est un engrenage concourant. Par exemple, le pignon 118 et la roue dentée 119 forment un engrenage conique.
Dans des modes de réalisation, le dispositif 10 comporte un joint déformable 123 positionné entre le rotor 104 et le stator, 101, 102 et 106, et un moyen de déformation du joint 123 pour que le joint soit simultanément en contact avec le rotor 104 et le stator, 101, 102 et 106, après déformation.
Préférentiellement, le joint déformable 123 est positionné entre le logement de garniture 101 et l’ensemble comportant la garniture 103 et les paliers arrangé autour du rotor 104. En cas de déplacement du moyen d’étanchéité 105, rompant l’étanchéité, entre le moyen d’étanchéité 105 et le rotor 104, l’étanchéité est maintenue par le joint déformable 123.
Le joint 123 est par exemple un joint annulaire mobile. Le joint 123 étant déformable, il n’est pas en contact avec le rotor 104 de la turbomachine quand celui-ci est en rotation. Le joint 123 est réalisé dans un matériau souple et peut être gonflé ou déformé grâce à un fluide, de manière à entrer en contact avec le rotor 104 lorsque la turbomachine est à l’arrêt, afin de réaliser un second niveau d’étanchéité.
Un opérateur mettant l’arbre de l’actionneur 107 en rotation, autour de l’axe 117, entraîne la rotation du pignon 118 qui s’engraine avec la roue dentée 119. La pièce intermédiaire 109 étant mise en rotation et le moyen d’étanchéité étant bloqué en rotation, le mouvement du taraudage par rapport au filetage 116 entraîne la translation du moyen d’étanchéité 105 selon l’axe 113.
En fonction du sens de rotation dans lequel est actionné l’actionneur 107, le moyen d’étanchéité 105 est rétracté jusqu’à être en butée dans le logement de garniture 101, comme représenté en figure 1, ou déplacé le long de l’axe 113 jusqu’à être en butée avec le rotor 104, comme représenté en figure 2. Le contact cône sur cône permet, simultanément, de bloquer la rotation du rotor 104, de maintenir le centrage du rotor 104, et de créer une étanchéité statique, éventuellement complétée par un ou plusieurs joints toriques ou à lèvre portés par le moyen d’étanchéité 105.
Les moyens 104, 105, 107, 108 et 110 à 125 des figures 1 et 2 correspondent respectivement aux moyens 304, 305, 307, 308 et 310 à 325 des figures 3 et 4. Les principales différentes entre les figures 1 et 2, d’une part, et 3 et 4, d’autre part, résident dans la représentation de la turbomachine, c’est-à-dire du rotor et du stator.
Sur les figures 3 et 4, on observe, un rotor 304, un stator, 301, 302 et 306, un dispositif d’étanchéité statique amovible 30 et un ensemble comportant des paliers et une garniture 303. C’est dans l’ensemble que la garniture 303 peut s’user et doit être remplacée sans engendrer de fuites du fluide de travail du compartiment D (à droite) vers le compartiment C (à gauche). Le compartiment C est, par exemple, l’air ambiant. Le rotor 304 est configuré pour être accouplé à une génératrice électrique (non représentée) ou pour être supporté par un palier. Dans des modes de réalisation, la turbomachine est agencée en porte-à-faux de manière connue de l’homme du métier.
Le stator comporte un carter en deux parties 301 et 302 et un support de mécanisme d’entraînement 306. Préférentiellement, le carter 302, et le support de mécanisme d’entraînement 306 présentent des alésages alignés de dimensions correspondantes aux dimensions du rotor 304. Le rotor 304 est inséré dans ces alésages qui créent une liaison pivot entre le rotor et le stator selon l’axe 313 au moyen des paliers. Plus particulièrement, la garniture 303 et les paliers sont placés entre le carter 302 et le rotor 304 pour assurer l’étanchéité entre le compartiment C d’une première partie du carter 301 et le compartiment D d’une deuxième partie du carter 302.
Le support de mécanisme d’entraînement 306 est inséré à l’intérieur du carter 302 contre une paroi du carter 302. Et le moyen d’étanchéité 305 présente une portée de guidage 322 correspondant à une portée de guidage correspondante sur la deuxième partie du carter 302.
La garniture 303 permet l’étanchéité dynamique entre le compartiment C et le compartiment D. C’est-à-dire que l’étanchéité entre les compartiments C et D, lorsque le rotor est en rotation dans le stator, est assurée par cette garniture 303.
On observe donc, de gauche à droite, le long de l’axe 313 et autour d’une partie du rotor 304, agencé horizontalement sur les figures 3 et 4:
- le compartiment C entouré de la première partie du carter 301,
- la garniture 303 et les paliers qui sont placés entre le rotor et la deuxième partie du carter 302,
- un moyen d’étanchéité 305 entouré du support de mécanisme d’entraînement 306 et du carter 302 et
- le compartiment D délimité par la deuxième partie du carter 302.
Le moyen de blocage 309 est une clavette positionnée dans une rainure de clavette sur la deuxième partie du carter 302. Dans le mode de réalisation représenté en figures 3 et 4, la clavette 309 est positionnée sur la portée de guidage du carter 302, le moyen d’étanchéité 305 présentant une rainure de clavette correspondante se translatant le long de la clavette 309.
On observe, en figure 6, une implantation d’un mode de réalisation particulier du dispositif objet de l’invention dans une turbomachine. La turbomachine montrée en exemple comporte un palier 601, un palier-butée 602, un carter haute pression 603, un carter basse pression 604, un bout d’arbre 605 accouplé à la génératrice, un support 606 de carter haute pression et un support 607 de carter basse pression. Chaque zone d’implantation du dispositif objet de l’invention dans la turbomachine est représentée entourée de traits discontinus.
On observe, sur la figure 5, un procédé 50 de mise en étanchéité statique de deux compartiments, A ou C, d’un côté et B ou D, de l’autre côté d’une turbomachine comportant un rotor, 104 ou 304, en rotation dans un stator, 101, 102 et 106 ou 301, 302 et 306, autour d’un axe de rotation, 113 ou 313. Le procédé 50 comporte une étape 501 de mise en étanchéité par déplacement d’un moyen d’étanchéité le long du rotor, selon l’axe de rotation, pour mettre en contact une surface de centrage avec le rotor.
Dans des modes de réalisation, l’étape de mise en étanchéité 501 comporte:
- une étape 502 de mise en rotation d’un pignon, 118 ou 318, selon un axe d’actionnement, 117 ou 317,
- une étape 503 d’engrenage du pignon, 118 ou 318, avec une roue dentée, 119 ou 319, dont l’axe de rotation est l’axe de rotation 113 ou 313 du rotor104 ou 304 et
- une étape 504 de déplacement, le long de l’axe de rotation, 113 ou 313, de moyens d’étanchéité jusqu’à les mettre en appui sur un épaulement du rotor 104 ou 304.
Les moyens du dispositif 10 ou 30 sont configurés pour mettre en œuvre les étapes du procédé 50 et leurs modes de réalisation tels qu’exposés ci-dessus et le procédé 50 ainsi que ses différents modes de réalisation présentent des étapes correspondantes aux moyens du dispositif 10 ou 30.

Claims (10)

  1. Dispositif d’étanchéité statique amovible (10, 30) entre deux compartiments (A, B, C, D) d’une turbomachine comportant un rotor (104, 304) en rotation dans un stator (101, 102, 106, 301, 302, 306) selon un axe de rotation (113, 313) , caractérisé en ce qu’il comporte:
    - un moyen d’étanchéité (105, 305) déplaçable le long du rotor, selon l’axe de rotation, qui comporte une surface de centrage (115, 315) du rotor correspondante à une partie du rotor,
    - un moyen mécanique (107, 108, 307, 308) de déplacement du moyen d’étanchéité le long du rotor, selon l’axe de rotation, pour mettre en contact la surface de centrage avec le rotor.
  2. Dispositif (10, 30) selon la revendication 1, dans lequel le moyen mécanique (107, 108, 307, 308) de déplacement comporte un actionneur (107, 307) mis en rotation selon un axe dit «axe d’actionnement» (117, 317) entraînant le déplacement en translation du moyen d’étanchéité (105, 305) selon l’axe de rotation (113, 313) du rotor (104, 304).
  3. Dispositif (10, 30) selon la revendication 2, dans lequel:
    - l’actionneur (107, 307, 108, 308) comporte un engrenage comportant un pignon (118, 318) en rotation selon l’axe d’actionnement (117, 317), et une roue dentée (119, 319) dont l’axe de rotation est l’axe de rotation (113, 313) du rotor (104, 304), la roue dentée comportant un taraudage (116, 316) autour de l’axe de rotation du rotor et
    - le moyen d’étanchéité (105, 305) comporte un moyen de blocage (109, 309) en rotation par rapport au stator (101, 102, 106, 301, 302, 306) et au moins une partie filetée (116, 316) autour de l’axe de rotation du rotor correspondante au taraudage de la roue dentée.
  4. Dispositif (10, 30) selon la revendication 3, dans lequel le rapport de réduction entre le pignon (118, 318) et la roue dentée (119, 319) est strictement inférieur à un.
  5. Dispositif (10, 30) selon l’une des revendications 1 à 4, dans lequel le moyen d’étanchéité (105, 305) comporte au moins un joint torique (111, 112, 122, 311, 312, 322) entre le moyen d’étanchéité et le stator (101, 102, 106, 301, 302, 306), et entre le moyen d’étanchéité et le rotor (104, 304) lorsque la surface de centrage est en contact avec le rotor.
  6. Dispositif (10, 30) selon l’une des revendications 1 à 5, dans lequel la surface de centrage (115, 315) est un tronc de cône.
  7. Dispositif (10, 30) selon l’une des revendications 1 à 6, dans lequel la surface de centrage (115, 315) est en matériau élastomère.
  8. Dispositif (10, 30) selon l’une des revendications 1 à 7, qui comporte, de plus, un joint déformable (123, 323) positionné entre le rotor (104, 304) et le stator (101, 102, 106, 301, 302, 306) et un moyen de déformation du joint pour que le joint soit simultanément en contact avec le rotor et le stator après déformation.
  9. Procédé (50) de mise en étanchéité statique entre deux compartiments (A, B, C, D) d’une turbomachine comportant un rotor en rotation dans un stator selon un axe rotation, caractérisé en ce qu’il comporte une étape (501) de mise en étanchéité par déplacement d’un moyen d’étanchéité le long du rotor, selon l’axe de rotation, pour mettre en contact une surface de centrage avec le rotor.
  10. Procédé (50) selon la revendication 9, dans lequel l’étape de mise en étanchéité comporte:
    - une étape (502) de mise en rotation d’un pignon, selon un axe d’actionnement,
    - une étape (503) d’engrenage du pignon avec une roue dentée dont l’axe est l’axe de rotation du rotor et
    - une étape (504) de translation selon l’axe de rotation du rotor.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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EP2591211A1 (fr) 2010-07-08 2013-05-15 Turbodem S.r.l. Dispositif d'étanchéité de fluide pour machines tournantes
WO2015049607A1 (fr) * 2013-10-03 2015-04-09 Exergy S.P.A. Turbine de détente
WO2019145809A1 (fr) 2018-01-26 2019-08-01 Turboden S.p.A. Turbomachine équipée d'un dispositif d'étanchéité aux fluides

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