Brevet FR2275642A1 — publié le 19760116

La présente invention concerne un procédé pour réaliser l'étanchéité autour d'un arbre tournant d'une machine traversée par du soufre gazeux ou liquide, notamment autour de l'arbre d'un rotor de turbine ou de pompe. Il peut s'agir en particulier d'une turbomachine pour une installation thermodynamique génératrice d'électricité, dans laquelle on met en oeuvre un cycle binaire vapeur de soufre - vapeur d'eau, avec comme combustible un combustible nucléaire ou un combustible fossile. Les rotors de turbine ou de pompe peuvent tourner à des vitesses très importantes - de l'ordre de 3.000 t/mn - et peuvent etre de grandes dimensions. Par ailleurs, les turbines ou pompes peuvent véhiculer du soufre gazeux ou liquide dont la température peut atteindre 700"C et la pression 25 à 30 bars. Le but de la présente invention est de résoudre le problème de l'étanchement autour des arbres des rotors de telles machines, dans des conditions spécifiques particulièrement difficiles, étant donné, notamment, qu'aux températures et pressions précitées, le soufre a une grande affinité pour I'oxygène de l'air. Pour ce faire, un procédé conforme à l'invention est caractérisé en ce que l'on élabore entre l'arbre et un manchon qui l'entoure un joint de soufre fondu que l'on maintient à une température comprise entre environ 1700C et 200"C, pour laquelle le soufre est dans un état visqueux. On met ainsi à profit la nature visqueuse du soufre dans la plage des températures comprises entre environ 1700C et 200"C, ce qui permet d'obtenir autour de l'arbre un joint assurant une excellente étanchéité. On élimine, en outre, tout risque de réaction entre le joint tournant et le soufre gazeux ou liquide qui traverse la machine. Bien entendu, on confère audit joint de soufre visqueux une longueur plus ou moins grande autour de l'arbre, selon la pression plus ou moins grande du soufre dans la machine. Le soufre restant liquide par suite de son frottement au contact de l'arbre, ce qui donne naissance à une très faible fuite, on prévoit, conformément à un mode de mise en oeuvre du procédé ci-dessus défini, d'aiimenter ledit joint par du soufre liquide dont la température est sensiblement supérieure à celle pour laquelle il est dans un état visqueux, et de refroidir ledit joint jusqu'à une température comprise entre environ 170 et 200 C. On met ainsi à profit une propriété du soufre, qui est liquide lorsque sa température dépasse environ 200"C, pour compenser ladite faible fuite. De préférence, on refroidit ledit joint par une circulation de fluide réfrigérant établie dans le manchon qui entoure l'arbre. En choisissant judicieusement la longueur du manchon et la température du fluide réfrigérant, on peut alors conférer la longueur voulue au joint tournant de soufre visqueux. Ledit fluide réfrigérant peut bien entendu être de l'eau, dont la température est maintenue par exemple à environ 1800C. Un procédé conforme à l'invention peut encore être caractérisé en ce que l'on isole ledit joint de soufre visqueux de l'atmosphère extérieure à ladite machine par une contrepression de vapeur d'eau. On évite ainsi toute réaction entre le soufre et l'oxygène de l'air, en mettant à profit l'inertie de la vapeur d'eau vis-àvis du soufre. Cette disposition est surtout utile en cas de défaut de formation du joint de soufre visqueux, bien que le soufre ne s'enflamme pas au contact de l'air pour les températures considérées, en fonctionnement normal. Du côté de ladite contrepression de vapeur d'eau, le soufre provenant de la fuite est maintenu par la vapeur d'eau à une température d'environ 120 à 1300C, pour laquelle il est à nouveau liquide. Il peut alors être recueilli et pompé pour être envoyé dans un condenseur à vapeur de soufre. Le procédé peut encore être caractérisé en ce que l'on isole ledit joint de soufre visqueux de l'atmosphère intérieure à ladite machine par une boite étanche communiquant avec le joint et reliée à un condenseur à soufre. L'excédent de soufre dans le joint de soufre visqueux peut ainsi être évacué dans ladite boite étanche, par l'intermédiaire d'un labyrinthe classique. La boîte étanche constitue alors un barrage vis-à-vis du soufre gazeux ou liquide présent dans la machine et qui peut être à une pression considérablement différente. La présente invention concerne encore un dispositif d'étanchement pour la mise en oeuvre du procédé ci-dessus défini, et qui se caractérise essentiellement en ce qu'il comporte entre ledit arbre et un manchon qui l'entoure une chambre, des moyens d'amenée de soufre liquide dans la chambre et des moyens pour y maintenir le soufre dans un domaine de températures où il est dans un état visqueux. De préférence, dans le manchon entourant l'arbre est ménagé un circuit relié à une source de fluide réfrigérant, par exemple de l'eau. Le dispositif peut encore être caractérisé en ce que, du côté opposé à ladite machine, il comporte une boîte étanche communiquant avec ledit joint et reliée à une source de vapeur d'eau sous pression et en ce que, du côté de ladite machine, il comporte une boite étanche communiquant avec ledit joint et reliée à un condenseur de soufre. Un mode d'exécution d'un dispositif d'étanchement conforme à l'invention est décrit ci-dessous à titre d'exemple nullement limitatif, en référence à la figure unique du dessin annexé. Dans la figure, on areprésenté schématiquement en demicoupe axiale un dispositif d'étanchement pour l'arbre 1 d'un rotor 2 de turbine à vapeur de soufre pouvant être utilisée dans une installation thermodynamique de production d'électricité à cycle binaire vapeur de soufre - vapeur d'eau. On a référencé en 3 une pièce fixée à une partie 4 du stator et élaborée sous la forme d'un manchon dans lequel est ménagé un circuit 5 relié à une source d'eau de refroidissement (non représentée), dont la température est d'environ 1800C. La chambre ménagée entre le manchon 3 et l'arbre 1 du rotor communique en 6 avec un caisson relié à une source d'alimentation en soufre liquide ayant une température d'environ 250"C, sous une pression de 1,05 bar. Le soufre liquide est refroidi par l'eau circulant dans le manchon, de sorte que sa température s'abaisse jusqu'à environ 1800C, ce qui fait BpparaTtre dans ladite chambre un joint 8 de soufre à 1' état visqueux. L'excès de soufre liquide est vaporisé dans une première boite étanche 9, d'où il s'échappe en 10 vers le condenseur de soufre de l'installation (également non reFésenté). Autour de l'arbre 1, l'étanchéité entre l'intérieur de la turbine et la boite étanche 9 est assurée par un dispositif d'étanchéité à labyrinthe classique, référencé en 11. Le dispositif comporte enfin une seconde boite étanche 12 isolée d'une troisième boite étanche 13 par un autre dispositif à labyrinthe 14. Un troisième dispositif d'étanchéité à labyrinthe 15 isale la boite étanche 13 de l'atmosphère extérieure. La boite étanche s2 est alimentée en vapeur d'eau sous une pression de 1,05 bar par une conduite 16. La vapeur s'échappe de la boîte étanche 13 par une conduite 17, sous une pression de 1,02 bar. Avantageusement, la vapeur d'eau sous pression peut être prélevée dans les boites étanches de la turbine à vapeur d'eau. Le principe du dispositif qui vient d'être décrit peut aussi être mis en oeuvre pour assurer l'étanchement autour de l'arbre du rotor de la pompe de recirculation de soufre liquide de l'installation. Il est alors nécessaire de prévoir une décharge par labyrinthes à liquide de soufre, vers le condenseur, pour diminuer la pression différentielle s'exerçant sur le j o i n t de soufre visqueux. Il est à noter que l'arrêt de l'arbre entraine automatiquement le figeage du joint à soufre visqueux, ce qui assure alors une étanchéité presque totale. On peut prévoir alors un vireur pour éviter un arrachement trop brutal du joint, lors de la remise en marche. Comme il va de soi, et comme il résulte d'ailleurs déjà de ce qui précède, l'invention ne se limite nullement à ceux de ses modes d'application et de réalisation qui ont été plus spécialement envisagés ; elle en embrasse, au contraire, toutes les variantes. REVENDICATIONS 1. Procédé pour réaliser l'étanchéité autour d'un arbre tournant d'une machine traversée par du soufre gazeux ou liquide, notamment autour de l'arbre d'un rotor de turbine ou de pompe, caractérisé en ce que l'on élabore autour de l'arbre un joint de soufre fondu que l'on maintient à une température comprise entre environ 1700 et 200 C, pour laquelle le soufre est dans un état visqueux. 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'on alimente ledit joint par du soufre liquide dont la température est sensiblement supérieure à celle pour laquelle il est dans un état visqueux, et en ce que l'on refroidit ledit joint jusqu'à une température comprise entre environ 1700 et 2000C. 3. Procédé selon la revendication 2, caractérisé en ce que l'on refroidit ledit joint par une circulation de fluide réfrigérant établie dans un manchon entourant l'arbre. 4. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que l'on isole ledit joint de soufre visqueux de l'atmosphère extérieure à ladite machine par une contrepression de vapeur d'eau. 5. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que l'on isole ledit joint de soufre visqueux de l'atmosphère intérieure à ladite machine par une boite étanche communiquant avec le joint et reliée à un condenseur à soufre. 6. Dispositif d'étanchement autour d'un arbre tournant d'une machine contenant du soufre liquide ou gazeux, notamment autour de l'arbre d'un rotor de turbine ou de pompe, caractérisé en ce qu'il comporte entre ledit arbre et un manchon qui l'en- toure une chambre, des moyens d'amenée de soufre liquide dans la chambre et des moyens pour y maintenir le soufre dans un domaine de températures où il est danien état visqueux. 7. Dispositif selon la revendication 6, caractérisé en ce qu'un circuit relié à une source de fluide réfrigérant est ménagé dans ledit manchon. 8. Dispositif selon la revendication 6 ou 7, caractérisé en ce que, du côté opposé à ladite machine, il comporte une boite étanche communiquant avec ladite chambre et reliée à une source de vapeur d'eau sous pression. 9. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 6 à 8, caractérisé en ce que, du côté de ladite machine, il com porte une boite étanche communiquant avec ladite chambre et reliée à un condenseur à soufre. 10. Machine, caractérisée en ce qu'elle comporte au moins un dispositif d'étanchement conforme à l'une quelconque des revendications 6 à 9. 11. Machine selon la revendication 10, caractérisée en ce qu'elle est munie d'un dispositif de virage à vitesse lente.