Brevet FR2503293A1 — publié le 19821008

La présente invention concerne, d'une manière générale, le domaine des joints déflecteurs d'huile pour arbres rotatifs et elle a trait plus particulièrement à un déflecteur d'huile à joint d'air qui engendre et maintient un joint uniformément réparti d'air filtré autour d'un arbre rotatif pour empêcher l'introduction et l'accumula- tion de saletés dans les dents du déflecteur d'huile. Un problème qui se pose sans cesse lors de l'ex- ploitation des grosses turbines à vapeur est celui de la contamination par les saletés du circuit d'huile de grais- sage des paliers. On sait que, si on ne lutte pas contre elle, cette contamination a des effets extrêmement nuisibles sur les performances des paliers. Les turbines a vapeur chauffées par des combustibles fossiles sont particulièrement sujettes à ce problème étant donné qu'elles fonctionnent dans un milieu contaminé par de la poussière de charbon et par des cendres volantes. On a constaté que les produits contaminants pénè- trent dans le circuit d'huile de graissage principalement du fait qu'ils y sont aspirés à travers les joints de retenue d'huile des paliers avec l'air atmosphérique qui est néces- saire pour la ventilation du réservoir d'huile du circuit et pour le refroidissement des joints de retenue d'huile. Les joints de retenue d'huile des paliers, appelés habituel- lement des déflecteurs d'huile, sont des agencements de joints à labyrinthe qui empêchent les fuites d'huile de graissage du palier correspondant. De l'air contaminé est aspiré à travers le joint par la dépression du circuit d'huile de graissage, cet air passant par les espaces libres formés entre les bagues déflectrices d'huile (dents) et l'arbre. Dans un certain nombre de situations, il est arrivé que l'aspiration de produits contaminants ait complètement obturé les dents déflectrices avec pour résultat, dans cer- tains cas particulièrement graves, que les saletés accumu- lées ont été carbonisées par les températures élevées à un point tel que l'arbre a été endommagé. Dans le passé, certains chercheurs spécialisés dans ce domaine ont essayé d'assurer l'étanchéité des joints à labyrinthe au moyen d'un fluide gazeux sous pression. Par exemple, des dispositifs de joints étanches à la vapeur, des compresseurs et autres équipements rotatifs ont été munis de joints conçus pour recevoir (et quelque- fois extraire) un gaz sous pression. Ces dispositifs contiennent habituellement de multiples cavités disposées le long de l'arbre et ils utilisent des passages relative- ment petits formés dans le boîtier du joint, ou cavités, pour injecter le fluide dans la région des dents. Du fait des vitesses élevées d'injection d'air nécessitées par ces configurations, il est essentiel d'utiliser une pression élevée et une puissance de soufflage d'une grandeur corres- pondante pour réaliser un joint d'étanchéité périphérique autour de l'arbre. Dans certains cas, il n'est pas absolu- ment certain qu'un joint d'étanchéité périphérique complet soit établi autour de l'arbre. Par conséquent, l'un des principaux objectifs de la présente invention est de réaliser un déflecteur d'huile à joint d'air qui soit capable d'empêcher l'aspiration et l'accumulation de produits contaminants dans les dents du déflecteur d'huile tout en permettant au déflecteur de conserver un haut niveau de performances de collecte d'huile et d'étanchéité à l'huile. Un autre but de l'invention est de réaliser un déflecteur d'huile à joint d'air qui soit capable d'établir -un joint d'étanchéité uniforme autour de la totalité de la circonférence d'un arbre rotatif sans exiger une pression ni un débit d'air excessifs, c'est-à-dire-un déflecteur d'huile qui puisse fonctionner sans une consommation d'éner- gie excessivement élevée. D'autres buts et avantages de l'invention apparai- tront à la lecture de la description qui va suivre. Suivant un mode de réalisation recommandé de l'invention, une chambre de distribution annulaire, disposée approximativement concentrique avec une série de bagues déflectrices d'huile qui entourent l'arbre et sont disposées radialement à l'extérieur de ce dernier, est alimentée par un écoulement continu d'air filtré sous pression. L'air peut t5O3293 être fourni, par exemple, par un ventilateur centrifuge. Une fente d'alimentation annulaire, également approximati- vement concentrique avec l'arbre et interposée entre les bagues déflectrices et la chambre, est en communication le long de sa circonférence extérieure avec la chambre pour en recevoir l'écoulement d'air continu et elle est en communi- cation le long de sa circonférence intérieure avec l'espace ou cavité formé entre au moins deux bagues de la série de - bagues déflectrices. L'écoulement d'air continu est refoulé hors de la chambre distributrice par la fente d'alimentation et sort par l'espace formé entre les deux bagues. La chambre distributrice a un volume nettement supérieur à celui de la fente d'alimentation et elle a une grande section droite perpendiculaire le long de la circonférence à la direction de répartition des pressions. Un anneau diffuseur perforé est disposé à l'intérieur de la fente d'alimentation de sorte que l'air qui s'écoule par la fente doit traverser l'anneau diffuseur. En fonctionnement, la pression régnant dans la chambre (qui est engendrée par l'arrivée continue d'air) est très uniformément répartie dans toute la chambre dis- tributrice du fait du volume relativement important de cette dernière, de sa grande section droite perpendiculaire à la direction circulaire et de l'absence de gênes à l'écoulement dans cette chambre. L'air qui s'écoule à partir de la chambre dans la fente d'alimentation du plus petit volume est, par conséquent, uniformément réparti en un courant régulier en forme de nappe dirigé radialement vers l'intérieur, en direction de l'arbre. Cet écoulement d'air en forme de nappe sort de la fente d'alimentation pour être déchargé entre deux des bagues déflectrices puis dans l'es- pace libre formé par le jeu de fonctionnement entre l'arbre et les bagues déflectrices pour produire un joint uniformé- ment réparti autour de la périphérie de l'arbre. Une partie de l'air d'étanchéité s'écoule vers l'intérieur en direction du palier et du circuit d'huile de graissage; le reste s'échappe dans l'atmosphère. La suite de la description se réfère aux figures annexées qui représentent, respectivement: - Fig. 1: un mode de réalisation recommandé de l'invention, en partie en coupe et en partie avec arrachement partiel (certaines parties symétriques par rapport à l'axe de l'arbre n'étant pas spécifiquement représentées), le cir- cuit d'alimentation continu en air étant représenté sché- matiquement; et - Fig. 2: une vue en bout, avec arrachement partiel, d'une partie du mode de réalisation de la Fig. 1, à une échelle quelque peu différente, vue sur laquelle les références 1-1 désignent les lignes de coupe de la vue de la Fig. 1. Les Fig. 1 et 2 représentent un mode de réalisation recommandé de l'invention approprié pour être utilisé avec une grosse turbine à vapeur pour empêcher les fuites d'huile de graissage des paliers et pour empêcher également l'entrée d'air atmosphérique dans le circuit d'huile de graissage des paliers. Par exemple, sur les figures, l'arbre 10 porte les éléments tournants d'une turbine à vapeur et il est, à son tour, porté par des paliers lisses (qui n'ont pas été spé- cifiquement représentés) disposés à des emplacements appro- priés sur sa longueur. L'arbre 10 est représenté comme fai- sant saillie hors de l'extrémité de la turbine, une partie du boîtier du palier étant désignée par la référence géné- rale 12. Les paliers lisses, du fait qu'ils sont continuel- lement alimentés en huile de graissage, ont pour effet que la partie de l'arbre 10 qui fait saillie hors du boîtier 12 de palier est continuellement exposée à un milieu saturé d'huile. Un boîtier 16 de déflecteur d'huile est fixé à la turbine, par l'intermédiaire du boîtier 12 de palier, par des moyens tels que des boulons 14, ce boîtier 16 de déflecteur d'huile comportant une partie 17 radialement extérieure et une partie 19 radialement intérieure. La par- tie 17 radialement extérieure comporte des parois 17a qui délimitent une chambre distributrice annulaire 18 et la partie 19 radialement intérieure comporte des parois 19a qui délimitent une fente d'alimentation annulaire 20. La chambre distributrice 18 et la fente d'alimentation 20 communiquent entre elles le long d'une interface circulaire désignée par la référence 25 sur la Fig. 1. La chambre dis- tributrice 18 et la fente d'alimentation 20 sont toutes deux approximativement concentriques avec l'arbre 10 bien que la chambre ait un volume nettement plus grand que la fente d'alimentation 20. La chambre 18 a une section droite perpendiculaire à sa direction circulaire qui est relative- ment grande par rapport à un conduit 44 (plus complètement décrit cidessous). Un anneau diffuseur perforé 22 forme un pont en travers de la fente d'alimentation 20, en un empla- cement radialement intérieur de cette dernière, au voisinage de l'arbre 10, de préférence, dans le tiers intérieur de la fente d'alimentation 20. L'anneau diffuseur 22, dont le rôle sera plus complètement décrit ultérieurement, a une grande partie (par exemple 30 %) de sa superficie ouverte à l'écou- lement du fluide, du fait de la présence de perforations 24. Sur la Fig. 1, étant donné que le déflecteur d'huile 16 est approximativement symétrique par rapport à l'arbre 10, on n'en a représenté que la moitié supérieure. Le boîtier 16 du déflecteur d'huile comporte, en outre, des première et seconde séries de bagues déflectrices d'huile ou dents 21 et 23, respectivement, qui forment des joints à labyrinthe périphériques qui entourent l'arbre 10 afin d'empêcher l'huile de s'échapper. Les sommets radia- lement intérieurs des bagues déflectrices individuelles sont étroitement rapprochées de la surface de l'arbre 10 mais avec un jeu de fonctionnement entre l'arbre et les dents individuelles. La première série de bagues déflec- trices 21 est la plus intérieure; c'est elle qui est la plus proche de la source d'huile et elle est pratiquement juxtaposée au palier lisse qui est lubrifié. Entre les première et seconde séries de bagues déflectrices 21 et 23, respectivement, est disposée une poche annulaire 32 collec- trice d'huile délimitée par des parois de la partie inté- rieure 19 du boîtier 16. Un anneau perforé 34 est monté à l'intérieur de la poche 32 collectrice d'huile et est appro- ximativement concentrique avec l'arbre 10. Face à la poche 32 collectrice d'huile, est formée sur l'arbre 10 une rainure 36 de projection d'huile qui piège toute l'huile qui fuit au-delà de la première série de bagues déflectrices 21 et qui, grâce à la force centrifuge communiquée à l'huile par l'arbre rotatif 10, projette l'huile piégée vers l'extérieur dans la poche 32 collectrice d'huile d'o l'huile est évacuée par un conduit raccordé à la partie inférieure du boîtier 16. La seconde série de bagues déflectrices 23 comporte une bague d'étanchéité extérieure 38 et une bague d'étanché- ité intérieure 40 qui délimitent entre elles un espace ou cavité 42 qui communique avec la fente d'alimentation 20. La chambre distributrice 18 est raccordée par un conduit 44 à un dispositif 46 d'alimentation en air repré- senté schématiquement sur la Fig. 1. Le dispositif 46-d'ali- mentation en air comporte une enceinte 48 et une plateforme de montage appropriée 50. Sur la plateforme 50 et à l'inté- rieur de l'enceinte 48 sont montés: un ventilateur 52 en- traîné par un moteur électrique, qui est, de préférence, un ventilateur centrifuge, un filtre préliminaire grossier 54 servant à arrêter les grosses particules de l'air atmos- phérique et un filtre final 56 qui est capable de piéger les matières particulaires de très petites dimensions, de préférence de l'ordre de quelques micromètres de diamètre. L'air est aspiré dans l'enceinte par le ventilateur 52 à travers les filtres 54 et 56 et à travers une grille 58 disposée à une extrémité de l'enceinte 48. Le filtre pré- liminaire 54 est ainsi situé en amont du filtre final 56. En fonctionnement, de l'air atmosphérique est continuellement aspiré dans l'enceinte 48 à travers la grille 58 et à travers les filtres 54 et 56, pour assurer son épuration, puis il est refoulé sous pression en un courant continu par le conduit 44 jusqu'à la chambre dis- tributrice 18. La source primaire d'énergie produisant cet écoulement continu d'air forcé est le ventilateur 52 qui lui communique de l'énergie en comprimant le courant d'air atmosphérique aspiré à travers les filtres 54 et 56. Les flèches de la Fig. 1 indiquent le trajet d'écoulement de l'air. Une vanne 45 à commande manuelle montée dans le conduit 44 de la Fig. 1 est utilisée pour régler le débit d'air qui s'écoule dans la chambre 18 et dans les autres éléments qui y sont raccordés en série. L'air qui pénètre dans la chambre 18 est immédiatement réparti pour produire une pression qui est uniforme dans l'ensemble de la chambre formant une source périphérique uniforme pour la fente d'alimentation 20. La section droite circulaire de la chambre 18 est suffisamment grande pour diminuer la vitesse de l'air d'arrivée, ce qui contribue à l'uniformité de la répartition des pressions. Une nappe d'air approximativement continue est ainsi dirigée radialement vers l'intérieur par la fente d'alimentation 20 qui entoure l'arbre 10. Cette nappe d'air passe par les trous 24 de l'anneau diffuseur 22 et est en- suite uniformément déchargée le long de la circonférence radialement intérieure de la fente d'alimentation 20 entre la bague déflectrice extérieure 38 et la bague déflectrice intérieure 40. Enfin, la nappe d'air est déviée de 900 par l'arbre 10 et est évacuée par le petit espace résultant du jeu de fonctionnement entre l'arbre 10 et les bagues déflec- trices 33 et 40. Il est ainsi formé un joint d'air circu- laire à pression positive très uniforme entre l'arbre 10 et les bagues déflectrices 38 et 40. Une partie de l'air dé- chargé est évacuée dans l'atmosphère; le reste s'écoule vers l'intérieur à travers la seconde série de bagues dé- flectrices 21 et est aspiré de façon à être évacué par le circuit d'alimentation en huile de graissage. Un avantage de l'invention, outre le fait qu'elle assure une étanchéité certaine vis-à-vis de l'entrée d'air atmosphérique non filtré, réside en ce que l'écoulement continu d'air épuré assure le refroidissement à la fois du joint et de l'huile de graissage des paliers qui se trouve dans les dents 21 et 23 du déflecteur d'huile. L'anneau diffuseur perforé 22 contribue à assurer une répartition uniforme des pressions dans la chambre 18 et dans la fente d'alimentation en y engendrant une contre- pression. En outre, l'anneau diffuseur 22 empêche qu'il puisse exister des gradients de pression radiaux à l'inté- rieur de la chambre 18 et de la fente d'alimentation 20 en interrompant la croissance des tourbillons créés par les effets de résistance de frottement visqueux de l'arbre rotatif 10. L'anneau perforé 34 monté dans la poche 32 collectrice d'huile a pour rôle principal de réduire les effets de résistance de frottement visqueux de l'arbre rotatif 10 dans la poche 32 collectrice d'huile et également de servir de surface collectrice d'huile principale. Lors des essais d'un mode de réalisation recommandé de l'invention, on a obtenu un très haut niveau de propreté du déflecteur d'huile sans nécessiter un niveau onéreux de puissance de soufflage, c'est-à-dire sans exiger des débits d'air élevés à des pressions nettement élevées. En outre, le rendement de collecte d'huile d'un déflecteur d'huile tel que décrit ici s'est avéré être très élevé. De plus, le débit d'air total dans le circuit d'huile de graissage n'est pas accru d'une manière significative par rapport à celui des déflecteurs d'huile de la technique antérieure; de ce fait, les moyens d'extraction de vapeur requis pour le cir- cuit d'huile de graissage n'ont pas beaucoup plus de travail à effectuer. Enfin, bien qu'on ait décrit et représenté ce que l'on considère comme un mode de réalisation recommandé de l'invention, il est bien entendu que de nombreuses modifica- tions peuvent y être apportées. Par exemple, bien que l'on forme le joint d'air décrit ici en déchargeant une nappe uniforme d'air entre deux bagues déflectrices d'huile, il apparaîtra clairement aux spécialistes de la technique que des bagues déflectrices supplémentaires peuvent être uti- lisées et qu'un écoulement d'air continu peut être déchargé d'une fente d'alimentation de façon à passer entre plusieurs bagues déflectrices d'huile de ce type. En outre, il est à la portée des spécialistes de la technique de réaliser une fente d'alimentation sous forme d'une tubulure segmentée à la place de la chambre unitaire décrite ici. En outre également, on reconnaîtra que l'arbre de turbine rotatif 10 peut être utilisé, avec des modifications ou additions appropriées, pour remplacer le ventilateur 52 de la Fig. 1 en tant que source d'énergie primaire pour l'alimentation en air forcé de la chambre distributrice 18. REVENDICATIONS 1. Appareil déflecteur d'huile à joint d'air pour empêcher les fuites d'huile de graissage hors des paliers d'un arbre rotatif (10) et pour empêcher l'entrée d'air atmosphérique non filtré dans le circuit d'huile de grais- sage des paliers, caractérisé en ce qu'il comporte: - au moins une série de bagues déflectrices d'huile (23) approximativement concentriques avec l'arbre et formant un joint à labyrinthe empêchant l'écoulement de l'huile de graissage; - une chambre distributrice annulaire (18) approximativement concentrique avec les bagues déflectrices (23) et disposée radialement à l'extérieur de ces dernières, cette chambre étant agencée de manière à recevoir un écoulement continu d'air forcé; une fente d'alimentation annulaire (20) approximativement concentrique avec les bagues déflectrices (23) et interpo- sée entre les bagues déflectrices (23) et la chambre (18), la fente d'alimentation (20) communiquant arec la chambre (18) pour recevoir l'écoulement continu d'air forcé uni- formément le long de la circonférence extérieure de la fente d'alimentation (20), cette fente (20) étant égale- ment raccordée de façon à décharger l'écoulement continu d'air forcé uniformément le long de sa circonférence inté- rieure de façon qu'il s'écoule radialement vers l'intérieur en direction de l'arbre entre au moins deux des bagues déflectrices (38, 40) de sorte que cet écoulement d'air continu est déchargé entre l'arbre (10) et les deux bagues déflectrices (38, 40), ou davantage, pour former un joint d'air circulaire uniformément réparti. 2. Appareil déflecteur d'huile à joint d'air selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comporte, en outre, un anneau diffuseur perforé (22) disposé à l'inté- rieur de la fente d'alimentation (20) de sorte que le courant d'air qui s'écoule dans la fente d'alimentation traverse cet anneau diffuseur. 3. Appareil déflecteur d'huile à joint d'air selon l'une quelconque des revendications 1 et 2, caractérisé en ce que l'écoulement continu d'air sous pression est fourni par un dispositif (46) d'alimentation en air qui comprend - une source d'énergie primaire (52) pour aspirer dans l'atmosphère un courant d'air et pour lui communiquer de l'énergie de façon à produire l'écoulement d'air forcé et - des moyens de filtration (54, 56) pour éliminer pratique- ment toutes les matières particulaires entraînées avec le courant d'air. 4. Appareil déflecteur d'huile à joint d'air selon la revendication 3, caractérisé en ce que les moyens de filtration comprennent un filtre préliminaire (54) pour éliminer les grosses particules entraînées dans le courant d'air, et un filtre final (56) pour éliminer les fines parti- cules entraînées dans le courant d'air, le filtre préliminaire (54) et le filtre final (56) étant montés en série dans le courant d'air, le filtre préliminaire (54) étant disposé en amont du filtre final (56). 5. Appareil déflecteur d'huile à joint d'air selon la revendication 4, caractérisé en ce que la chambre dis- tributrice (18) a un volume nettement plus grand que la fente d'alimentation (20) et en ce qu'elle a une section droite, transversalement à la direction circulaire, qui est suffi- samment grande pour provoquer une diminution de vitesse de l'écoulement continu d'air forcé qui pénètre dans la chambre distributrice. 6. Appareil déflecteur d'huile à joint d'air selon la revendication 1, caractérisé en ce que les deux bagues déflectrices précitées ou davantage (23) sont les plus éloi- gnées vers l'extérieur du palier. 7. Appareil déflecteur d'huile à joint d'air selon la revendication 6, caractérisé en ce que la source d'énergie primaire est un ventilateur centrifuge (52). 8. Appareil déflecteur d'huile à joint d'air selon la revendication 7, caractérisé en ce que l'anneau diffuseur perforé (22) est disposé dans le tiers radialement intérieur de la fente d'alimentation (20). 9. Appareil déflecteur d'huile à joint d'air selon l'une quelconque des revendications 1 à 8, conçu pour être utilisé avec une turbine à vapeur ayant un arbre rotatif (10), caractérisé en ce que ledit appareil déflecteur d'huile comprend: - un boîtier (16) entourant l'arbre (10) en un emplacement juxtaposé au palier, le boîtier (16) ayant une partie radialement extérieure (17) et une partie radialement intérieure (19); - une série intérieure de bagues déflectrices d'huile (21) approximativement concentriques avec l'arbre pour former un joint à labyrinthe intérieur vis-à-vis des fuites d'huile, cette série intérieure de bagues étant proche du palier suivant l'axe de l'arbre et étant fixée à la partie intérieure (19) du boîtier; - une série de bagues déflectrices d'huile extérieures (23) approximativement concentriques avec l'arbre pour former un labyrinthe extérieur vis-à-vis des fuites d'huile, la série extérieure des bagues (23) étant espacée de la série intérieure de bagues suivant l'axe de l'arbre et étant fixée à la partie intérieure (19) du boîtier; - la partie extérieure (17) du boîtier ayant des parois (17a) qui délimitent une chambre distributrice annulaire (18) extérieurement concentrique avec les séries intérieure (21) et extérieure (23) des bagues déflectrices, la chambre distributrice (18) étant agencée pour recevoir un écoule- ment continu d'air forcé; - la partie intérieure du boîtier ayant des parois (19a) qui délimitent la fente d'alimentation annulaire (20) entre les bagues déflectrices (23) et la chambre (18), la fente d'alimentation (20) communiquant avec la chambre (18) pour recevoir l'écoulement continu d'air forcé uniformément le long de la circonférence extérieure de la fente d'alimen- tation (20) et étant raccordée pour décharger l'écoulement continu d'air forcé uniformément le long de sa circonfé- rence intérieure de façon que cet air s'écoule radialement vers l'intérieur en direction de l'arbre entre au moins deux bagues (38, 40) de la série extérieure de bagues dé- flectrices (23); et-en ce que: - l'anneau diffuseur perforé (22) est disposé à l'intérieur de la fente d'alimentation (20) de telle sorte que le cou- rant d'air qui s'écoule dans la fente traverse l'anneau diffuseur perforé (22); de telle sorte que l'écoulement continu d'air qui passe entre les deux bagues (38, 40) ou davantage de la série extérieure de bagues (23) dé- flectrices est déchargé entre l'arbre (10) et les bagues déflectrices (23) pour produire un joint d'air circulaire uniformément réparti. 10. Appareil déflecteur d'huile à joint d'air selon la revendication 9, caractérisé en ce qu'il comporte, en outre, des moyens interposés entre les séries intérieure et extérieure de bagues déflectrices d'huile (21, 23) pour piéger et évacuer l'huile ayant fui au-delà de la série intérieure de bagues déflectrices, ces moyens comprennant - une rainure périphérique (36) formée dans la surface de l'arbre (10) pour recueillir l'huile ayant fui le long de la surface de l'arbre; et - des parois à l'intérieur de la partie radialement inté- rieure (19) du bottier qui délimitent une poche annulaire (32) collectrice d'huile disposée de manière à entourer la rainure pour recueillir l'huile projetée par la force centrifuge qui lui est communiquée par l'arbre au cours de sa rotation.