Brevet FR2013151A1 — publié le 19700327

La présente invention concerne un appareil à fluide et plus particulièrement un éjecteur à pompe pour empêcher l'entrée du fluide de fuite provenant d'un joint d'une chambre relativement haute pression dans un joint d'une chambre basse pression espacée. 5 Dans les appareils à fluides, tels que les moteurs à turbines à gaz ou à vapeur, il est souvent nécessaire ou désirable de prévoir des chambres étroitement espacées devant être maintenues à des pressions et des températures substantiellement différentes. Par exemple, dans les moteurs à turbine à gaz, les paliers des arbres sont habituellement logés dans une 10 chambre ou un carter dans lequel circule un lubrifiant. Pour protéger le lubrifiant contre le milieu environnant à haute température, un fluide basse pression relativement froid circule dans une chambre entourant ou enfermant le carter à lubrifiant. En même temps, il peut être nécessaire de former une autre chambre étroitement espacée pour fournir .un fluide rela-15 tivement haute pression et haute température d'un compresseur à la section turbine du moteur en vue d'un refroidissement. Quand ces chambres haute pression et basse pression étroitement espacées sont formées en partie par des joints sujets à des fuites partielles de fluide, la fuite de fluide à partir du joint de la chambre haute pres-20 sion, haute température peut établir une pression et fuir à travers le joint basse pression. Une telle fuite est bien entendu indésirable d'une façon générale, et en particulier quand, comme l'exemple ci-dessus, la chambre basse pression est destinée à isoler le carter d'uii4>alier contre une température élevée, parce qu'une température trop élevée dans le carter à lubri-25 fiant peut se traduire par une consommation excessive de lubrifiant, la carbonisation du lubrifiant et même sa combustion. La présente invention a pour but d'empêcher ou au moins de réduire substantiellement ces fuites entre des chambres haute et basse pressions étroitement espacées d'une façon extrêmement efficace et économique. La pré-30 sente invention concerne en particulier un dispositif éjecteur utilisant la fuite à travers un joint haute pression pour empêcher un autre écoulement de fuite indésirable. L'invention a, par suite, pour objet un dispositif efficace et économique pour réduire substantiellement la quantité de fluide fuyant à travers un joint d'une chambre à une pression relativement élevée 35 vers le joint d'une chambre basse pression espacée. L'invention a de même pour objet un éjecteur utilisant les fuites d'un joint de chambre haute pression pour réduire la pression sur le côté du joint basse pression voisin de la chambre haute pression. 69 2443C 2 2013151 D'une façon générafe l'invention concerne un dispositif éjecteur dans un espace situé entre des chambres haute et basse pressions pour utiliser les fuites de fluide à partir du joint de la chambre haute pression, afin de réduire ou supprimer le passage par fuite du fluide haute pression vers la 5 chambre basse pression. Suivant un mode de réalisation préféré, une cloison est utilisé pour former un col mélangeur, une tuyère primaire et une tuyère secondaire. La tuyère primaire fait passer le fluide de fuite du joint haute pression dans le col mélangeur et la tuyère secondaire permet le passage du fluide de fuite du joint basse pression dans le col mélangeur afin que la 10 pression à côté du joint basse pression soit réduite par l'action de 1'éjecteur. La cloison peut être formée de différentes façons d'après les configurations particulières des parois des chambres haute et basse pressions et les relations spatiales des joints haute et basse pressions. Suivant un mode de réalisation, la cloison comprend un premier élément de cloison formant le 15 col mélangeur conjointement avec l'une des parois des chambres et un second élément de cloison formant la tuyère primaire et la tuyère secondaire conjointement avec une paroi d'une chambre et le premier élément de cloison. Quand les chambres sont formées en partie par un arbre central tournant, le second élément de cloison s'étend à peu de distance de celui-ci pour diviser l'es-20 pace intermédiaire en une première partie faisant communiquer le joint haute pression avec la tuyère primaire et une seconde partie faisant communiquer le joint basse pression avec la tuyère secondaire. Un éjecteur selon la présente invention pour une machine à fluide comprenant une première chambre contenant un premier fluide sous pression, 25 une seconde chambre contenant un second fluide sous une pression plus, basse que celle du premier fluide, une troisième chambre entre la première et la seconde chambres, un premier joint entre la première et la troisième chambres et un second joint entre la seconde et la troisième chambres est caractérisé par le fait que 1'éjecteur utilise le courant de fuite à travers le premier 30 joint pour réduire la pression dans la troisième chambre à côté du second joint afin d'éliminer sensiblement les fuites à travers le second joint de la troisième chambre vers la seconde chambre. Les caractéristiques de l'invention ressortiront plus particulièrement de la description suivante, donnée à titre d'exemple et faite en se 35 référant aux dessins annexés, sur lesquels : - la figure 1 est une coupe schématique d'une partie d'un moteur à turbine à gaz avec une pompe à éjecteur selon un mode de mise en oeuvre de 1'invention ; 69 24430 3 2013151 - la figure 2 est une coupe schématique d'une pompé à éjecteur suivant un autre mode de mise en oeuvre de l'invention ; et - la figure 3 est une coupe schématique d'une pompe à éjecteur suivant un autre mode de mise en oeuvre de l'invention. 5 La figure 1 représente une partie d'un moteur à turbine à gaz 10 qui comporte une première chambre annulaire 12 et une seconde chambre annulaire 14 séparée de la première par une chambre annulaire intermédiaire 16. Les chambres 12, 14 et 16 sont en partie formées par des parois 18 et 20, un arbre central tournant 22 et des joints 24 et 26 d'un type permettant une 10 certaine fuite. L'arbre 22 tourne dans des paliers tels que les paliers 28 supportés par une structure 30. Suivant le mode de réalisation de la figure 1, la chambre 12 a une section en V et s'étend autour d'une chambre ou carter intérieur 32 dans laquelle sont montés les paliers et qui contient un lubrifiant pour ceux-ci. 15 La première chambre 12 ou chambre haute pression communique avec l'extrémité de refoulement d'un compresseur 36 par un passage angulaire 38 et elle est destinée à fournir le fluide d'échappement du compresseur à une turbo-machine non représentée pour un refroidissement. Pour isoler le carter 32 du milieu environnant à haute température 20 afin de réduire la consommation de lubrifiant et dbipêcher sa carbonisation, sa combustion et d'autres effets indésirables, de l'air basse pression relativement froid est envoyé dans la chambre 14 à travers un passage 34 de l'arbre de la façon indiquée par les flèches sur la figure 1. Il est connu qu'il est très difficile, si ce n'est impossible d'em- 25 pêcher les fuites à travers le joint 24. De plus, comme la pression et la température du fluide provenant du compresseur peuvent atteindre respective-2 ment 21 kg/cm et 535°C dans 1^ .inambre 12, une telle fuite échappe du joint ; i 24 sous la forme d'un J^t à grande vitesse et haute température. L'expérience montre que ce jet de fuite à grande vitesse et haute température a tendance 30 à augmenter la pression sur le joint 26 du côté de la chambre 16, ce qui se traduit par le passage du fluide de fuite à une température relèvement élevée à travers le joint 26 vers la chambre 14. Ce courant de fuite empêche à son tour l'action isolante de la chambre 14 et il peut en résulter une consommation excessive de lubrifiant 35 et sa carbonisation ou sa combustion ainsi que d'autres effets nuisibles. Pour éviter ce passage par fuite conformément à l'invention, un dispositif éjecteur 40 est formé dans la chambre intermédiaire 16 pour utiliser le courant de fuite du joint haute pression 24 afin de réduire la J. V ' vî 69 24430 « 2013151 pression dans la chambre intermédiaire 16 à côté du joint basse pression 26. Quand la chute de pression apparente à travers le joint 26 de la chambre 16 vers la chambre 14 est réduite, le courant de fuite est réduit et quand la pression sur le joint 26 du côté de la chambre 16 est suffisamment réduite 5 pour établir une différence dé pression positive dans la direction de la . chambre 14 vers la chambre 16 tout passage de fluide par courant de fuite est supprimé. Le dispositif éjecteur 40 de la figure 1 comprend une tuyère primaire annulaire 42, une tuyère annulaire secondaire 44 et un col mélangeur 10 annulaire 46 recevant les fluides des tuyères 42 et 44. Ainsi qu'il apparaît sur les figures 1, 2 et 3, sur lesquelles les parties équivalentes sont désignées par les mêmes références numériques suivies de la lettre "a" pour la figure 2 et de la lettre "b" pour la figure 3, ces lettres n'étant cependant pas utilisées dans la description 15 quand cela n'est pas nécessaire, le col mélangeur 46 est formé par un premier élément de paroi annulaire 48 et la paroi de chambre 18. La tuyère primaire 42 et la tuyère secondaire 44 sont formées par un second élément de paroi annulaire 50 et par le premier élément de paroi 48, l'extrémité de décharge de chaque tuyère étant définie par le bord périphérique extérieur 20 52 d'un élément de cloison annulaire 50. Le bord périphérique 52 peut dépasser dans le col 46 de la façon représentée sur la figure 1 ou peut se terminer avant le col. Pour diriger les fluides de fuite du joint 24 et du joint 26 vers la tuyère 42 et la tuyère 44, l'élément de cloison 50 comporte un bord inté-25 rieur 54 situé au voisinage immédiat de l'arbre 22. Par suite, la chambre 16 est, en fait, divisée en deux compartiments, le compartiment 47 qui fait communiquer le joint 24 avec la tuyère primaire 42 et le compartiment 49 fait communiquer le joint 26 avec la tuyère secondaire 44, Les éléments de parois 48 et 50 sont de préférence en tôle mince 30 et peuvent être fixés aux parois 18 et -20 des chambres de n'importe quelle façon convenable, par exemple par des boulons 56,des entretoises 58, des rebords perforés 60 ou d'une façon équivalente. Comme il apparaît sur les figures 1, 2 et 3, les éléments de cloisons 48 et 50 peuvent avoir différentes formes d'après la configuration des 35 parois 18 et 20 et la relation spatiale entre les joints 24 et 26. De même, la longueur X et la section de passage du col mélangeur 18, la section de passage de la tuyère primaire 14 et la section de passage de la tuyère secondaire 44 peuvent être variées pour un débit massique donné de fluide de 69 24430 5 2013151 fuite haute pression afin d'obtenir différents degrés de réduction de la pression dans le compartiment 49 par l'action d'aspiration de 1'éjecteur. Pendant le fonctionnement, le fluide de fuite haute pression provenant du joint 24 s'écoule dans le compartiment 47 de la chambre 16 5 et il est dirigé par l'élément de cloison 50 vers la tuyère primaire 42 dans laquelle a lieu la détente et il est dirigé vers le col mélangeur 46 sous la forme d'un courant de grande énergie. De façon similaire, le fluide de fuite du joint 26 est dirigé par l'élément de cloison 50 vers la tuyère secondaire 44 et passe ensuite dans le col mélangeur sous la forme d'un 10 courant de faible énergie. Un échange des énergieg cinétiques a lieu dans le col mélangeur 46 entre le courant de grande énergie et le courant de faible énergie provenant de la tuyère secondaire 44. Un plan de cisaillement est établi entre le courant de faible énergie et le courant de grande énergie et du fait du cisaillement visqueux et de la diffusion des fluides, l'éner-15 gie cinétique du courant à grande vitesse est partiellement transférée au courant de faible énergie provenant de la tuyère secondaire 44. Du fait de ce mélange, un courant unique de fluide d'énergie plus uniforme avec une distribution plus uniforme des vitesses est établi et une pression réduite est établie dans le compartiment 49 de la chambre 16 du fait de l'action 20 de 1'éjecteur. Il résulte de ce qui précède qu'un dispositif selon la présente invention empêche d'une part le passage du fluide de fuite haute pression dans le joint basse pression espacé mais aussi utilise sans réduire le rendement du moteur, l'énergie de fuite du fluide qui pourrait être nuisible, 25 afin de réduire la pression dans le compartiment 49 par l'action de 1'éjecteur, et constitue, par suite, un dispositif efficace et économique pour réduire substantiellement ou empêcher les fuites à travers le joint 26, à partir de la chambre 16. Bien que le col mélangeur 48 soit décrit c.i-dessus comme un col 30 à section constante, il doit être compris que le col mélangeur peut avoir une section variable, par exemple être un col mélangeur à section constante, et peut comporter un diffuseur divergent. Il doit aussi être noté que bien que le dispositif éjecteur selon l'invention soit décrit ci-dessus en considérant son utilisation dans un mo-35 teur à turbine à gaz pour lequel elle est particulièrement utile, l'invention peut être utilisée dans de nombreux appareils à fluides dans lesquels des chambres espacées doivent être maintenues à des pressions substantiellement différentes. De plus, bien que 1'éjecteur selon l'invention soit dé 24430. 6 2013151 crit ci-dessus, en considérant des joints labyrinthe représentés sur les figur l'invention n'est pas limitée à ce type de joints et peut être utilisée pour d'autres joints dynamiques ainsi que pour des joints statiques permettant un certain taux de fuite. Bien entendu, la description qui précède n'est pas limitative et l'invention peut être mise en oeuvre suivant d'autres variantes, sans que l'on sorte de son cadre. 69 24430 7 2013151 REVENDICATIONS 1 - Dispositif éjecteur pour une machine à fluide comportant une première chambre contenant un premier fluide sous pression, une seconde chambre contenant un second fluide sous une pression plus basse que celle du premier fluide, une troisième chambre entre la première et la seconde 5 chambres, un premier joint entre la première et la troisième chambres et un second joint entre la seconde et la troisième chambres, caractérisé en ce que 1'éjecteur utilise le courant de fuite provenant du premier joint pour réduire la pression dans la troisième chambre à côté du second joint, afin de supprimer sensiblement le courant de fuite à travers le second 10 joint de la troisième chambre vers la seconde chambre. 2 - Dispositif éjecteur selon la revendication 1, caractérisé par un élément de cloison formant une tuyère primaire débouchant dans la partie de la troisème chambre située du côté du premier joint, une tuyère secondaire communiquant avec la partie de la troisième chambre située du côté 15 du second joint et un col mélangeur, la tuyère primaire et la tuyère secondaire ayant des extrémités de décharge comportant un bord commun de l'élément de paroi et ces extrémités étant disposées pour diriger les fluides dans le col mélangeur afin que la pression soit réduite dans la partie de la troisième chambre située du côté du second jointjsar l'action de l'éjecteur. 20 3 - Dispositif éjecteur selon la revendication 2,caractérisé en ce que les chambres sont annulaires et sont définies en partie par des éléments stationnaires de parois et un arbre tournant,!'élément de cloison séparant les deux tyuères comprenant un bord périphérique définissant les extrémités de décharge de la tuyère primaire et de la tuyère secondaire et un bord 25 périphérique intérieur situé au voisinage immédiat de l'arbre pour diviser la chambre intermédiaire en un premier compartiment faisant communiquer le premier joint avec le col mélangeur à travers la tuyère primaire et un second compartiment faisant communiquer le second joint avec le col mélangeur à travers la tuyère secondaire. 30 4 - Dispositif éjecteur selon la revendication 3, caractérisé en ce que le bord périphérique intérieur de l'élément de cloison séparant les deux tuyères se termine dans .le col mélangeur.