Brevet FR2359335A1 — publié le 19780217

La présente invention se rapporte à des joints pour les arbres des appareils qui traitent des fluides gazeux, ces joints empêchant le fluide de fuir à l'endroit où l'arbre passe dans l'enveloppe de l'appareil, et-elle se rapporte plus particulièrement à un dispositif qui assure automatiquement l'étanchéité de l'arbre d'une turbine à vapeur et qui n'exige aucune source distincte d'eau pour fonctionner. Il est connu d'utiliser des joints à bagues d'étanchéité en carbone logées dans un corps qui comporte au moins un canal destiné à régler les fuites de fluide gazeux le long d'un arbre tournant, à l'endroit où cet arbre passe dans l'enveloppe de l'appareil dont il fait partie, et à évacuer ces fuites. Les joints à bagues en carbone de la plupart des appareils connus comportent un seul passage de fuites. Si la pression à la sortie de la turbine est faible les fuites par ces joints sont assez faibles pour qu'il soit possible de les laisser s'échapper dans l'atmosphère. Si cette pression à la sortie est supérieure à 3 bars et si la quantité de fluide gazeux qui fuit par le canal unique ne peut être renvoyée dans l'atmosphère, on utilise divers dispositifs à éjecteurs à eau pour empecher ce fluide de passer au-delà de la bague extérieure du joint, de façon qutil ne puisse se condenser dans le boîtier du palier. Ces éjecteurs créent une légère dépression entre les deux dernières bagues du joint, et l'eau condense la vapeur qui fuit, en empêchant cette vapeur de passer dans les boitiers des paliers. Mais ces éjecteurs ont une capacité limitée d'évacuation des fuites de vapeur et si cette capacité est dépassée par suite d'usure des bagues des joints, il faut remplacer ces dernières. L'expérience a montré que ce. remplacement doit avoir lieu tous les ans. Certaine s turbines à vapeur ayant é.té: réalisées comportent un dispositif d'évacuation des fuites à deux canaux, un canal haute pression et un canal basse pression, la section du premier pouvant être réglée manuellement de façon à permettre aux bagues de s'user et le fluide qui fuit par le second, disposé plus à l'extérieur, étant chassé par un éjecteur. Etant donné que la capacité des éjecteurs de ce dispositif a une valeur limite fixe, il faut compenser l'augmentation des fuites au-delà du passage basse pression, sous l'effet de l'usure des bagues, en ouvrant à la main des vannes de façon à faire passer directement au condenseur- de la turbine une plus grande quantité de la vapeur qui s'échappe par le canal haute dépression. Ce réglage diminue laquantité de vapeur qui s'échappe par le canal basse pression. Bien que ce dispositif soit plus souple que celui qui ne -comporte qu'un canal de fuite, il présente l'inconvénient évident d'exiger que le personnel d'entretien veille à régler les vannes du canal haute pression. L'invention concerne un dispositif d'étanchéité pour arbre de turbine, comportant des joints 'a plusieurs canaux de fuite, dans lequel l'énergie du fluide qui s'échappe par le canal haute pression est utilisée pour actionner un éjecteur destiné à évacuer la vapeur qui s'échappe par un canal basse pression, adjacent à l'extrémité extérieure du joint et proche du boîtier du palier, tout en maintenant une dépression dans ce canal basse pression, de façon à empêcher la vapeur de passer au-delà de ce dernier canal. Ce dispositif présente tous-les avantages des dispositifs connus, mais est plus simple, moins onéreux et évite d'avoir à utiliser une quantité d'eau appréciable pour faire fonctionner l'éjecteur des joints. De plus, les pertes de vapeur du groupe turbinechaudière sont ramenées à la quantité de vapeur détendue qui fuit normalement par les joints de l'arbre. Par ailleurs, lorsque les fuites aux joints augmentent par suite d'usure des bagues de carbone, la pression de la vapeur qui s'échappe par le canal haute pression est plus élevée, ce qui fournit plus d'énergie pour évacuer la vapeur qui s'échappe par le canal basse pression. L'augmentation des fuites par le canal haute pression diminue d'une quantité sensiblement équivalente les fuites par le canal basse pression au-delà duquel il faut empêcher la vapeur de passer. te dispositif selon l'invention compense donc automatiquement l'usure des bagues de carbone, de sorte qu'il augmente la durée de service des joints et retarde le moment oU ces bagues doivent être remplacées. Le dispositif selon l'invention, destiné à assurer automatiquement l'étanchéité vis à tis d'un fluide gazeux tel que la vapeur qui fuit le long d'un arbre tournant, comprend un boîtier de joint disposé autour de cet arbre, des éléments d'étanchéité qui sont montés dans ce boîtier, dont la face intérieure communique avec le fluide et dont la faceexté- rieure est en contact avec l'atmosphère, un canal de fuites sous pression élevée et un canal de fuites sous pression réduite, ménagés dans le boîtier à une certaine distance l'un de l'autre, et un éjecteur actionné par le fluide qui s'échappe par le canal haute pression de manière à maintenir une dépression dans le canal basse pression. L'invention concerne donc un dispositif d'étanchéité automatique et autocompensateur à joints à bagues de carbone pour arbre rotatif et notamment pour l'arbre d'une turbine à vapeur. L'invention sera décrite plus en détail en regard des dessins annexés à titre d'exemple nullement limitatif et sur lesquels la figure 1 est une élévation latérale d'une turbine équipée d'un dispositif selon l'invention la figure 2 est une coupe verticale représentant les canaux des joints ; et la figure 3 est une coupe verticale à plus grande échelle d'un éjecteur. Ces figures représentent une turbine à vapeur 1 -à un étage équipée du dispositif selon l'invention. Cette turbine 1 est séparée horizontalement en deux parties et comporte une demi-enveloppe inférieure 2 et une demi-enveloppe supérieure 3 qui délimitent une chambre centrale 4 de rotor, communiquant avec les extrémités intérieures de joints 5 et 6 à bagues de carbone, disposés dans des boî- tiers 7 et 8, lesquels sont formés de parties inférieures 7a, 8a et de parties supérieures 7b, 8b de-ces demi-enveloppes 2 et 3 respectivement. L'enveloppe et les boîtiers de joint sont en deux parties afin de faciliter l'assemblage de la turbine 1. Un arbre 9 disposé dans l'axe de cette turbine 1 tourne dans des paliers non représentés qui sont montés dans des boîtiers 10, 11 adjacents à l'extrémité extérieure des boîtiers 7 et 8 des joints 5, 6, respectivement. Un rotor 12 disposé dans la chambre 4 est calé sur cet arbre 9 de façon à entraîner celui-ci lorsque de la vapeur est envoyée dans cette chambre par le passage d'entrée 13 dans le but de faire tourner ce rotor, la vapeur utilisée sortant de la turbine par le passage d'echappement 14. La conformation et le mode de fonctionnement des turbines à vapeur à un étage sont assez connus pour qu'il ne semble pas nécessaire de les décrire plus en détail, mais il faut remarquer qu'une partie de la vapeur détendue qui sort par le passage 14 fuit le long de l'arbre 9 par les joints 5, 6, de sorte qu'elle peut s'échapper par l'extrémité extérieure de ces joints très près des boîtiers de paliers 10, 11. Les joints 5, 6 sont composés de bagues-entretoises 15 en acier inoxydable alternant avec des bagues 16 en carbone, que des ressorts annulaires 17 maintiennent entre ces entretoises 15. Le flanc extérieur des bagues 15, contre lesquelles ces ressorts s'appliquent, est incliné, ce qui applique leurs faces verticales contre les faces verticales planes des entretoises 15, de façon à réaliser entre ces faces une jonction hermétique et à appliquer les faces intérieures desdites bagues 16 contre l'arbre 9, de manière à empêcher les fuites. Par ailleurs, les faces planes des entretoises 15 constituent des surfaces de joint qui permettent aux bagues de carbone de subir de faibles déplacements radiaux, de façon à s'adapter aux légers déplacements de l'arbre 9 pendant sa rotation. Les joints à bagues de carbone ont pour effet de limiter l'importance des fuites de vapeur le long de l'arbre 9, et si la pression de la vapeur détendue ne dépasse pas 3 bars, il est courant de permettre à cette vapeur de s'échapper dans l'atmosphère, parce qu'elle risque peu de pénétrer dans les boîtiers des paliersadjacents et de s'y condenser. Mais, si la pression de la vapeur à la sortie de la turbine est supérieure à 3 bars, les joints, par exemple les joints à bague de carbone représentés, ont pour rôle d'empê cher une partie de cette vapeur de passer au-delà de la dernière bague ou bague extérieure, adjacente au boîtier de palier, de façon qu'elle ne se condense pas dans ce dernier. Dans le dispositif selon l'invention, l'énergie de la vapeur sous forte pression qui s'échappe par un canal-haute pression situé à l'extrémité intérieure du joint est utilisée pour actionner un éjecteur destiné à évacuer la vapeur sous pression faible qui s'échappe d'un canal basse pression disposé à l'extrémité extérieure de ce joint et à maintenir une dépression dans ce dernier canal, de manière à empêcher la vapeur de fuir par cette extrémité extérieure. Comme le représente la figure 2, chacun des boîtiers de joint 7, 8 comporte près de la demi-enveloppe 7 un canal haute pression 20, 20' respectivement, communiquant avec les bagues intérieures des joints 5, 6 de façon qu la vapeur sous forte pression qui fuit le long de l'arbre puisse s'échapper par ces canaux, et que des tuyaux 21, 21' l'amènent aux passages d'entrée 22, 22' des éjecteurs 23, 29', de manière qu'elle y constitue le fluide destiné à faire fonctionner ces derniers. Gette vapeur détendue sort des éjecteurs par leurs orifices de sortie 24, 24' respectivement. Les éjecteurs 23, 23' sont des appareils courants du commerce et il n'est donc pas nécessaire de décrire plus complètement leur conformation et leur fonctionnement. Chaque boîtier de joint 7, 8 comporte, a' une certaine distance de son canal haute pression 20, 20', un canal basse pression 25, 25' qui fait passer la vapeur à pression réduite, en un point situé juste en amont de l'extrémité extérieure du joint 5, 6 respectif, dans des tuyaux 26, 26', le tuyau 26 étant relié d'un côté au passage 25 et de l'autre au passage d'aspiration 27 de l'éjecteur 23, et le tuyau 26' étant relié d'un côté au passage 25' et de l'autre-au passage d'as- piration 27' de l'éjecteur 23'. Le dispositif fonctionne de la manière suivante Quand la turbine est en service, une partie de la vapeur qui sort par le passage d'échappement 14 fuit le long de l'arbre 9 et zut pénètre dans les boîtiers des joints 7, 8. Les bagues -5, 6 l'empêchent de continuer à fuir le long de l'arbre 9. Pendant que la vapeur se détend dans les joints, une partie s'échappe par les canaux 20, 20', et les tuyaux 21,'21', reliés à ces derniers, l'amè;gnt aux passages d'entrée 22, 22' des éjecteurs 23, 23" respectifs. En passant dans ces éjecteurs 23, 23', la vapeur crée une dépression aux orifices d'aspiration 27, 27', dans les tuyaux 26, 26' et dans les canaux 25, 25'. Non seulement cette dépression aspire la faible quantité de vapeur qui continue à passer dans les joints 5, 6 jusqu'à l'emplacement de ces passages 25, 25', mais elle aspire aussi l'air des extrémités extérieures de ces joints 5, 6, Le mélange de vapeur haute basse pression qui s'échappe par l'orifice de sortie 24, 24' des éjecteurs peut être envoyé à un réservoir ou se dégager dans l'atmosphère, ce qui est la pratique la plus usuelle, parce que les fuites représentent en général une partie extrêmement faible du volume de vapeur fourni à la turbine. Par conséquent, dans le dispositif selon l'invention, une partie de la vapeur qui fuit le long de l'arbre dune turbine est utilisée comme agent d'entraînement de la partie restante de cette vapeur, sans qu'il soit nécessaire d'utiliser un autre fluide moteur pour faire fonctionner les éjecteurs qui aspirent cette partie restante. Ce dispositif maintient près de l'extrémité extérieure des joints une dépression qui empêche par ailleurs la vapeur de s'échapper vers les paliers et de s'y condenser, comme cela se produit avec les dispositifs connus. En ce qui concerne les proportions quantitatives, dans le cas des turbines à un étage, il a été constaté qu'uncanal haute pression d'environ 12,7 mm de diamètre donne de bons résultats avec un canal basse pression de 25,4 mm. Par ailleurs, lorsque les bagues de carbone commencent à s'user, ce dispositif est. autocompensateur, parce qu'il s'échappe par le canal haute pression une plus grande quantité de vapeur, qui contient une plus forte proportion d'énergie et qui est donc capable de maintenir dans le canal basse pression la dépression nécessaire pour évacuer le résidu de vapeur, jusqu'à ce que les fuites atteignent une valeur maximum prédéterminée à laquelle il faut remplacer les bagues de carbone. Cette compensation automatique augmente la durée de service des joints et retarde le moment où il est néces- saire de remplacer les bagues. L'importance du fait d'utiliser seulement la vapeur des fuites comme agent d'actionnement des éjecteurs et de avoir pas besoin à cet effet d'eau de refroidissement ni d'un fluide d'un troisième genre ressortira mieux d'une comparaison avec la demande de brevet des Etats-Unis d'Amérique NO 691 232 déposée le ler juin 1976 au nom de M. John G. Williams, sous le titre "a cooling and lubrication arrangement for the journal bearings of steam turbines having a self-contained lubrication system". le dispositif décrit dans cette demande est destiné à fonctionner avec un fluide de refroidissement circulant en circuit fermé. Lorsque les paliers sont refroidis par un fluide circulant en circuit fermé, ce fluide n'est pas de l'eau. I1 ne peut donc pas être utilisé comme agent d'actionnement d'éjecteurs, que ce soient ceux qui sont utilisés dans les dispositifs connus ou qu'ils soient remplacés par ceux du dispositif selon l'invention. Cependant ce dernier dispositif n'a pas besoin de fluide de refroidissement ni d'un fluide d'un troisième genre pour actionner les éjecteurs, puisqu'il n'utilise pour cela qu'une partie de la vapeur à pression relativement élevée des fuites pour empêcher celles-ti de s'échapper par l'extrémité extérieure des joints, de façon à l'empêcher de se condenser dans les boftiers des paliers Le dispositif décrit est simple, parce qu'il utilise des pièces fixes et des organes classiques, et il est donc bon marché. Il limite la perte de vapeur du groupe turbinechaudière à la quantité qui fuit dans les joints. I1 évite d'avoir à utiliser de grandes quantités d'eau de refroidissement ou d'un autre fluide, comme dans les dispositifs connus, pour actionner les éjecteurs. Il est donc utilisable avec un équipement de refroidissement en circuit fermé des paliers de la turbine qu'il équipe. I1 va de soi que de nombreuses modifications peuvent être apportées au dispositif décrit sans sortir du cadre de l'invention. REVENoICAlifONS 1. Dispositif destiné à assurer automatiquement l'étanchéité d'un arbre tournant vis à vis d'un fluide gazeux tel que la vapeur qui fuit le long de cet arbre, dispositif caractérisé par le fait qutil comprend un boîtier de joint disposé autour de l'arbre, un joint à bagues de carbone qui est monté dans ce boîtier et qui coopère avec l'arbre passant dans ledit boîtier, l'extrémité intérieure de ce joint communiquant avec le fluide et son extrémité extérieure étant éloignée de ce fluide, un canal de fuites sous pression élevée, qui est percé dans le boîtier de façon à communiquer avec la partie centrale du joint, un canal de fuites sous pression réduite, qui est percé dans le boîtier de façon à déboucher juste en-deçà de l'extrémité du joint, et un éjecteur comportant un passage d'entrée relié au canal haute pression de façon à en recevoir le fluide d'actionnement de cet éjecteur, ainsi qu'un passage de sortie, un passage latéral dudit éjecteur étant relié au canal basse pression de manière à aspirer le fluide qui y passe et à y maintenir une dépression, et le diamètre du canal haute pression étant plus faible que celui de ce canal basse pression. 2. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé par le fait que le joint comporte alternativement des bagues en carbone et des entretoises en acier, le canal haute pression étant disposé de façon à communiquer avec les bagues situées près de l'extrémité intérieure de ce joint, et le canal basse pression étant disposé de manière à communiquer avec la bague adjacente à l'extrémité extérieure dudit joint. 3. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé par le fait que le diamètre du canal haute pression est égal à 12,5 mm, celui du canal basse pression étant plus grand. 4. Dispositif d'étanchéité pour l'arbre d'un appareil actionné par un fluide gazeux, caractérisé par le fait qu'il comprend un boîtier de joint disposé autour de cet arbre, un joint à bagues de carbone monté dans ee boîtier et disposé de façon à coopérer avec ledit arbre pour empêcher le fluide de fuir le long de ce dernier, un premier canal-calibré percé dans le boîtier, destiné à laisser passer le fluide de fuite sous pression élevée et disposé de manière à communi auer avec l'extrémité intérieure du joint, un second canal dont le diamètre est supérieur à celui du premier étant percé dans le boîtier à la distance voulue de ce premier canal pour communiquer avec le joint juste en-deçà de l'extrémité extérieure de ce dernier, et un- éjecteur comportant un passage d'entrée du fluide d'entraînement, un passage d'éjection de ce fluide et un passage latéral destiné à laisser le fluide gazeux s'échapper, ce passage d'entrée étant relié au canal haute pression et ce passage latéral-étant relié au canal basse pression de façon à y maintenir une dépression et à aspirer le fluide qui y passe. 5. Dispositif selon la revendication 4, caractérisé par le fait que le joint comporte alternativement des bagues en carbone et des entretoises en acier, le premier canal étant disposé de façon à communiquer avec les bagues situées près de l'extrémité intérieure de ce joint, et le second canal étant disposé de manière à communiquer avec la bague adjacente à l'extrémité extérieure dudit joint. 6. Dispositi! selon la revendication 4, caractérisé par le fait que le premier canal a un diamètre de 12,5 mm.