Brevet FR2320458A1 — publié le 19770304

La présente invention concerne un dispositif de refroidissement d'un joint assurant l'étanchéité d'une enceinte. Dans les techinques connues jusqu'à présent en matière d'étanchéité le long d'un arbre, on utilise divers types de presse-étoupe et d'agencements genre chambre de détente avec récupération des fuites, barrages par "léchettes" avec segments. Tous ces dispositifs sont tributaires de la bonne tenue des matériaux à la température d'emploi1 cette température étant elle-meme fonction de celle du fluide véhicule, La présente invention a pour but, en refroidissant les joints d'étan chéité d'un dispositif d'étanchéité situé dans un milieu a haute température, supérieure å celle pour laquelle les joints se détériorent, de permettre ainsi l'utilisation de tels joints. La présente invention a pour objet un dispositif de refroidissement d'un joint assurant l'étanchéité d'une enceinte contenant un fluide à haute température, à la traversée d'une paroi de cette enceinte par un arbre mobile en rotation caractérisé en ce qu'il comporte des moyens pour établir une circulation d'un fluide de refroidissement autour dudit arbre au niveau de sa traversée de la paroi. Selon une réalisation particulière de la présente invention, lesdits moyens corportent : une première chemise et une deuxième chemise montées sur l'arbre et solidaires 'de l'arbre, cor ortant chacune une extrémité interne et une extrémité externe et réalisant un premier espace annulaire entre l'arbre et la première chemise, espace fermé du côté de l'extrémité externe des chemises et débouchant du côté de l'extrémité interne des chemises dans un deuxième espace annulaire situé entre la première chemise et la deuxième chemise, deuxième esnace également fermé du côté de l'extrémité externe des chemises, l'extrémité interne de la deuxième chemise étant fixée l'arbre de manière a interdir toute fuite de ladite enceinte vers lesdits espaces annulaires ; des pièces de calage et de positionnement du joint autour de la deuxième chemise ; et des moyens d'entrée et de sortie dudit fluide de refroidissement dans lesdits espaces annulaires. Avantageusement, les moyens d'entrée et de sortie du fluide de refroidissement comportent un premier perçage dans ladite paroi, aboutissant dans le premier espace annulaire et un deuxième perçage dans la paroi aboutissant dans le deuxième espace annulaire. Suivant une autre caractéristique de l'invention, Ie dispositif comporte en outre un circuit de refroidissement comportant une cavité annulaire ménagée entre ladite paroi et un manchon situé autour du joint, une galerie percée dans ledit manchon et aboutissant d'une part dans ladite cavité et d'autre partdans ledit deuxième perçage, un troisième perçage dans la paroi aboutissant dans ladite cavité, ledit fluide de refroidissement pénétrant nar ledit deuxième perçage et ressortant par les deux autres agrès avoir circulé dans le premier espace annulaire, le deuxième espace annulaire et ladite cavité annulaire. Dans une réalisation particulièrement avantageuse de l'invention, lesdits perçages aboutissent en outre, au niveau d'une part de la surface de frottement du joint contre la deuxième chemise et d'autre part, de la surface de séparation dudit manchon avec une desdites pièces de calage, et de positionnement du joint, dans des chambres annulaires de récupération de fuites. Selon une autre réalisation avantageuse de l'invention, lesdits moyens d'entrée et de sortie du fluide de refroidissement comportent : une ouverture pratiquée dans la première chemise à partir de son extrémité externe parallelement à l'axe jusqu'au débouché dans ledit premier espace, et un canal percé dans la paroi et aboutissant dans ledit deuxième espace. Selon cette dernière réalisation, le fluide de refroidissement est avantageusement l'air ambiant. Selon cette même réalisation, le disnositif comporte en outre : un circuit de refroidissement comportant une cavité annulaire ménagée entre ladite paroi et un manchon si tué autour du joint, cavité communiquant par un faible orifice dans ladite enceinte, un Duits percé dans ladite paroi et aboutissant dans ladite cavité, et un second fluide de refroidissement injecté dans ledit puits. La présente invention a également pour objet un dispositif de refroidissement d'un joint assurant l'étanchéité d'une enceinte contenant un fluide a haute température, a la traversée d'une paroi de cette enceinte par un arbre mobile en rotation caractérisé en ce qu'il comporte des moyens pour établir une circulation d'un fluide de refroidissement dudit arbre au niveau de sa traversée de la paroi eut un circuit de refroidissement de la paroi par un fluide circulant autour de la portion de paroi située au niveau de sa traversée par l'arbre. Avantageusement, ledit circuit de refroidissement comporte une cavité annulaire ménagée entre ladite paroi et un manchon situé autour du joint, un premier canal creusé dans ladite paroi conduisant dans une- galerie percée dans ledit manchon et aboutissant dans ladite chambre annulaire, un deuxième canal creusé dans ladite paroi aboutissant directement dans ladite chambre, etun fluide réfrigé- rant pénétrant dans l'un des canaux et ressortant par l'autre. En se référant aux figures schématiques ci-jointes, on va décrire deux exemples de mise en oeuvre de l'invention donnés à titre non limitatif. Ta figure I représente un disnositif suivant l'invention selon une première réalisation. La figure 2 représente un dispositif suivant l'invention, selon une deuxième réalisation. Dans ces deux réalisations voisines, l'invention est appliquée à un dispositif d'étanchéité pour un arbre oscillant d'une vanne "papillon" servant de vanne d'obturation ou de vanne de réglage dans une tuyauterie d'amenée de vapeur au corps basse pression d'une turbine a vapeur. La pression est par exemple de onze bars et la température de l'ordre de 2800C. La figure 3 est une vue générale d'une telle vanne coupée suivant un plan perpendiculaire à l'axe de la tuyauterie et le clapet de la vanne étant fermé. Bien Xviderment cette application n1 est donnée qu a titre de description pour illustrer l'invention, mais n'a aucun caractère limitatif, l'invention pouvant s'appliquer à tout système d'étanchéité comportant des joints devant être refroidis. Comme on le voit sur la figure 3, la vanne comprend un clapet 1 et une paroi 2 servant de corps de vanne. Le clapet est en position fermée, c'est-à- dire que son plan est situé dans le plan de coupe perpendiculairement à l'axe du corps de la vanne ou de la tuyauterie dans laquelle elle est placée. Le clapet comporte un arbre 3 qui repose sur des roulements 4. ta position du clapet est commandez par un système 5. Cette vanne réalise une enceinte dont le milieu intérieur 6 contient de la vapeur d'eau à haute température et sous pression, il est nécessaire que la traversée de la paroi 2 de cette enceinte, par l'arbre 3 du clapet 1 soit étanche : le dispositif d'étanchéité est placé en A et repré senté en détail sur les figures 1 et 2. La figure 1 montre une petite portion du clapet 1 et de la paroi 2 du corps de vanne. L'arbre 3 du clapet I est entouré d'une première chemise 7 qui comeorte une extrémité interne 8 du côté du milieu interieur 6 et une extrémité externe 9 du côté de l'air ambiant 10. Une seconde chemise 11 entoure la première chemise et possède également une extrémité interne 12 et une extrémité externe 13. La seconde chemise 11 est rendue solidaire de l'arbre 3 par un cordon de soudure 14. La première chemise 7 et la seconde chemise 11 sont également rendus solidaires l'une à l'autre au moyen dlun ou de plusieurs goujons 15 vissés entre cuir et chair dans la première et la deuxième chemise du côté de leur extrémité externe. Un premier espace annulaire 16 est réservé entre l'arbre 3 et la première chemise 7. Cet espace annulaire est fermé du côté de l'extrémité externe 9 de la chemise et il debouche du côté de l'extrémité interne 8 de la chemise dans un second espace annulaire 17 qui est également fermé du côté de l'extrémité externe 13 de la deuxième chemise 11. Autour de la deuxième chemise 11 sont placés deux joints d'étanchéité 18 mis en position et calés au moyen de pièces de calages 19, 20, et 21 et de cales circulaires de réglage 22 le tout fixé au moyen de-tiges filetées telles que celleneprésentée 23 et d'écrous 24 régulièrement répartis autour de la circonférence. Autour des joints et des pièces de calage est placé un manchon annulaire 25 dont l'extrémité interne 26 est coincée entre la paroi 2 du corps de vanne et la pièce de calage 19. Les cales de réglage 22 prennent appui contre l'extrémité externe 27 du manchon 25. Entre- le manchon 25 et la paroi 2 du corps de vanne est ménagée une cavité annulaire 28. Un joint dlétanchéité 29 est placédans une gorge 30 usinée dans l'extrémité interne du manchon 25. La paroi 2 du corps de vanne est percée d'un premier perçage 31 qui aboutit dans le premier expace annulaire 16 après avoir traversé le manchon 25 la pièce de calage 21 la deuxième chemise 11 et la première chemise 7. Au lieu d'un perçage 31, il peut s'agir d'une série de perçages 31 par exemple deux ou trois répartis sur la circonférence. Un second perçage 32, (ou une série de perçages 32 répartis sur la circonférence), tranversant la paroi 2 le manchon 25 et la deuxième chemise 11 aboutit dans le deuxième espace annulaire.Enfin, un troisième perçage 33 (ou série de perçage 33) traverse la paroi 2 pour aboutir a la cavité annulaire 28. Ce troisième-perçage se poursuit au travers du manchon 25 et de la pièce de calage 21 pour aboutir dans une chambre annulaire 34. Les autres perçages 31 et 32 et aussi le perçage 33 abou-tissant au cours de leur trajet à d'autres chambres annulaires -: 35, 36 pour le troisième perçage 33 ; 37, 38, 39, pour le deuxième perçage 32 et 40, 41, 42, 43 pour le premier perçage 31. Le rôle de ces chambres annulaires sera explicité plus loin. En fin une galerie 44 (ou une série de galeries 44) est percée dans le manchon annulaire 25 parallèlement à l'axe du manchon partant du second perçage 32 (ou des seconds perçages 32) et aboutissant à la cavité annulaire 25. De préférence on a trois premiers perçages 31, trois deuxièmes perçages 32, trois troisièmes perçages 33 et trois galeries 44. Le fonctionnement du dispositif est le suivant on suppose par exemple que la vanne est installée dans une tuyauterie contenant de la vapeur d'eau à une pression de onze bars et une température de 280 C, On envoie un fluide de refroidissement dans le deuxième perçage 32, dans le sens des flèches, ce fluide peut être par exemple de la vapeur d'eau à 1200C et 1, 3 bar piquée en un point du cycle de vapeur. Le fluide suit le parcours indiqué par les flèches : il passe dans le deuxième espace annulaire 17 puis dans le premier espace annulaire 16 et ressort par le premier perçage 31. Ce premier circuit permet de refroidir les joints 18 par 1 1intérieur. Un second circuit de refroidissement externe est constitué par la cavité annulaire 2S le fluide arrivant dans cette cavité par les galeries 44 et ressortant par le troisième perçage 33. Les pressions sont réglées aux entrées et sorties des perçages : on peut avoir par exemple : 0, 95 bar dans le premier perçage, 1, 3 bar dans le deuxième et 1, 2 bar dans le troisième. Le réglage des pressions est fait en fonction du débit désiré. Les chemises 11 et 7 étant solidaires de l'arbre oscillant 3 les joints 18 frottent sur la deuxième chemise 11. Dans ce dispositif, la deuxième chemise 11 est refoidie, donc aussi les joints 18. Cette circulation évacue la majeure partie des calories émanant de l'arbre 3 et la chemise 7 qui canalise le fluide fait également écran thermique à la chaleur rayonnante de l'arbre. Les chambres annulaires 34, 35, 37, 38, 41, 42, servent de chambres de récupération de fluide dans le cas où les joints 18 laisseraient passer une certaine fuite, toute fuite étant interdite à l'extérieur grâce à la pression de 0,95 bar régnant dans le premier perçage 31 créant même une aspiration de l'air ambiant dans le sens des flèches B. Pour éviter le desserrage du manchon annulaire 25 qui est plus froid que la paroi 2 du corps de vanne et que la pièce de calage 21, on peut choisir un manchon dans un métal ayant un coefficient de dilatation adéquat, de meme pour les tiges filetées 23 on a avantage d'ailleurs à les choisir longues. Dans cet exemple on a deux circuits de refroidissement : un circuit interne (premier et deuxième espace annulaire 16, 17) et un circuit externe (cavité annulaire 28). On pourrait éventuellement ne choisir qu'un seul de ces deux circuits, le circuit interne ou le circuit externe, mais il est bien sûr avantageux d'utiliser les deux circuits. a figure 2 donne un exemple d'une autre réalisation de l'invention dans lequel le fluide de refroidissement du premier circuit de refroidissement, le circuit interne, est constitué par un flux d'air ambiant entrant parallèlement à l'arbre 3 par une ouverture 45 pratiquée dans la première chemise 7 et ressortant par un canal 46. Le deuxième circuit de refroidissement : le circuit externe comporte un puits 47 d'entrée du fluide, et une cavité annulaire 28 entre le manchon 25 et la paroi 2, le fluide s'évacuant dans l'enceinte par un petit orifice ménagé en 48. La température et la pression du fluide sont réglées judicieusement. Bien entendu, les valeurs de températures et de pression citées au cours de la description ne sont données qu'à titre d'exemple non limitatif, de même en ce qui concerne la nature du fluide de refroidissement. De même, l'application à une vanne d'arrêt ou de réglage pour une tuyauterie d'amenée de vapeur à un corps basse pression d'une turbine à vapeur n' est nullement limitative. Enfin, on se saurait également sortir du cadre de l'invention en substituant certains éléments à d'autres éléments équivalents assurant la même fonction. REVENDICATIONS 1/ Dispositif de refroidissement d'un joint assurant l'étanchéité d'une encei@t@ contenant un fluide à haute température, à la traversée d'une paroi de cette enceinte par un arbre mobile en Rotation, caractérisé en ce qu'il comporte des moyens d'isolation du joint par rapport aux éléments voisins à haute température. 2/ Dispositif de refroidissement suivant la revendication 1, caractérisé en ce que les moyens d'isolation comportent des premiers éléments nour établir une circulation d'un fluide de refroidissement autour dudit arbre au niveau de sa traversée de la paroi, comprenant : une première chemise et une deuxième chemise montées sur l'arbre et solidaires de l'arbre, comportant chacune une extrémité interne et une extrémité externe et réalisant un premier espace annulaire entre l'arbre et la première chemise, espace fermé du côté de l'extrémité exte@@e des chemises et débouchant du côte de l'extrémité interne des chemises dans tan deu- xième espace annulaire situé entre la @remière chemise et la deuxième chemise, deuxième espace également fermé du côté de l'extrémité externe des chemises, l'extrémité interne de la deuxième chemise étant fixée à l'arbre ne manière a interdire toute fuite de ladite enceinte vers lesdits espaces annulaire ;; le pinces de calage et de positionnement du joint autour de la deuxème chemise et des nQ?ens d'entrée et de sortie dudit fluide de refroidissement dars les dits espaces annulaires. 3/ Dispositif de refroidissement d'un joint selon la revendication 2, caract--rise en ce que lesdits movens d'entrée et de sortie comportent un premier perçage dans ladite paroi aboutissant dans le premier esnace annulaire et un deuxième perçage dans la paroi ahoutissspt dans le deuxième espace 4/ Dispositif de refroidissement d'un joint selon la revendication 3, caractérisé en ce que les moyens d'isolation comportent -les seconds éléments commrenant une cavité annulaire ménagée entre ladite paroi et un manchon situe autour du oint, une galerie percée dans ledit manchon et a@outissant, d'une nart dans ladite cavité et, d'autre part, dans ledit deuxième perçage, et @@ troisième perçape dans la paroi aboutissant dans ladite cavité, ledit fluide de refroidissement pénétrant par ledit deuxième perçage et ressortant par les -'eux autroq a@r@s avoir circulé dans le premier es@ace annulaire et ladite cavité annulaire. 5/ Dispositif de refroidissement d'un joint selon la revendication 4, caractérisé en ce que lesdits perçages ahoutissant en outre, au niveau, '1,uno part de la surface de frotteront du joint contre la deuxième chemise et, 'autre part, ee la surface de s@paration dudit manchon avec une desdites pièces de calage et de positionnement du joint, dans des chambres annulaires de r@c@pération de fuites. 6/ Dispositif de refroidissement d'un joint selon la revendication 2, caractérisé en ce que lesdits moyens d'entrée et de sortie comportent une ouverture pratiquée dans la première ch@mise à partir de son extrémité exter@e parallèlement à l'axe jusqu'au débouché dans ledit espace, et un canal percé dans la paroi et aboutissant dans ledit deuxième espace. 7/ Dispositif de refroidissement d'un joint selon la revendication 6, caractérisé en ce que ledit fluide de refroidissement est de l'air ambiant. 8/ Dispositif de refroidissement d'un joint selon l'une des revendications 6 ou 7, caractérisé en ce que les moyens d'isolation comportent des seconds élrents comprenant une cavité annulaire ménagée entre ladite paroi et un manchon situé autour du joint, cavité communiquant par un faible orifice dans ladite enceinte, un puits percé dans ladite paroi et aboutissant dans ladite cavité, et un second fluide de refroidissement injecte dans ledit puits. 9/ Dispositif de refroidissement d'un joint selon la revendication 2, caractérisé en ce que les moyens d'isolation comnortent des seconds éléments assurant un circuit de refroidissement de la paroi par un fluide circulant autour de la portion de paroi située au niveau de sa traversée par l'arbre. 10/ Dispositif de refroidissement d'un joint selon la revendication q, caractérisé en ce que lesdits seconds éléments comnortent une cavité annulaire ménagée entre ladite paroi et un manchon situé autour du joint, un premier canal crins dans ladite paroi conduisant dans une galerie percée dans ledit nancllon et ahou- tissant dans ladite chambre annulaire, un deuxième canal creusé dans ladite naroi aboutissant directement dans ladite chambre et un fluide réfrigérant pénétrant dans l'un des canaux et ressortant par l'autre. 11/ Dispositif de refroidissement selon la revendication 1, caractérisé en ce que les moyens d'isolation comprennent des éléments assurant le refroidissement de la paroi par un fluide circulant autour de la portion de paroi située au niveau de sa traversée par l'arbre 12/ Dispositif de refroidissement d'un joint selon la revendication 11, caractérisé en ce que lesdits éléments comportent une cavité annulaire ménagé entre ladite paroi et un manchon situe autour du joint, un premier canal creusez dans ladite paroi conduisant dans une Kalerie percée dans ledit manchon et aboutissant dans ladite chambre annulaire, un deuxième canal creusé dans ladite naroi ahou- tissant directement dans ladite chambre, et un fluide réfrigérant dans l'un des canaux et ressortant par l'autre.