Brevet FR2549535A1 — publié le 19850125

_-1 A 2549535 "Dispositif pour la séparation de particules ou gouttes étrangères de courants de gaz de fuite de turbomachines". La présente invention concerne un dispositif pour la séparation de particules ou de gouttes étrangères de courants de qaz de fuite de turbomachines, de turbocompresseurs à suralimentation ou de mécanismes d'entraînement de turbines à gaz, dispositif dans lequel le courant de gaz de fuite est guidé entre une paroi d'interstice restant fixe pendant l'entra nement de la machine et une paroi d'interstice se déplacant en 10 rotation vis à vis de la première paroi. Dans les interstices d'étanchéité ou de palier à air de rotors à vitesse de rotation élevée, par exemple de mécanismes d'entraînement de turbines à gaz ou de turbocompresseurs de gaz d'échappement à suralimentation, des particules de gaz d'échappe15 ments ou des particules de salissure peuvent pénétrer dans l'air et se déposer Les palier à air sont extrêment sensibles à l'introduction de telles particules et peuvent de ce fait, devenir hors d'usage en un court laps de temps. Le but de la présente invention est de créer un dis20 positif du type décrit ci-dessus, dans lequel les courants d'air et/ou de gaz de fuite qui peuvent être prélevés de zones de la machine soumise à la pression doivent pouvoir être libérés de manière relativement facile dans une très large mesure des particules qu'ils transportent. Ce but de l'invention est obtenu par le fait que le dispositif est disposé en amant d'un palier dynamique à air ou à gaz et que la paroi d'interstice restant fixe présente au moins une arête faisant saillie sur la zone opposée à la paroi d'interstice en rotation de telle manière qu'un courant de fuite 30 se déplacant radialement vers l'intérieur le long de la paroi d'interstices restant fixe soit interrompu et que les particules ou gouttes étrangères contenues dans ce courant parviennent dans le champ de turbulence de rotation créé par l'effet de la force centrifuge le long de la paroi d'interstice en rotation et alimenté par des fractions du courant de fuite et soient projetées 2. radialement vers l'extérieur à partir de ce champ, le courant de gaz de fuite résiduel purifié qui subsiste faisant fonction de milieu d'interstice d'étanchéité pour le palier considéré. Dans un interstice purement radial constitué de parois lisses sans arete en saillie, on pouvait partir du fait que le courant de fuite dirigé radialement vers l'intérieur recouvre un courant de traînage du fait de l'effet de cisaillement de la couche limite accrochée à la paroi en mouvement Dans l'espace d'interstice il se crée de ce fait un état d'écoulement qui 10 est dominé par une turbulence relative Cette turbulence relative est décrite sous la forme d'une mise en balles du fluide dont le noyau tourne autour de l'axe du rotor avec une vitesse de rotation réduite Les zones de bord de cette turbulence présentent une composante radiale de vitesse d'écoulement qui est 15 en fait dirigée radialement vers l'extérieur à la proximité de la paroi en rotation du fait de l'effet de la force centrifuge et radialement vers l'intérieur de manière compensatoire sur le côté opposé de la paroi fixe Le courant de fuite dirigé vers l'intérieur et se supperposant à cette turbulence prend donc son 20 chemin le long de la paroi fixe Des articules portées et transportées par le courant de fuite sont de ce fait transportées sur le même chemin radialement vers l'intérieur Le matériau fluide constituant la turbulence est constamment échangé à partir du courant de fuite supperposé De ce fait, des particules fluide fixes qui sont entraînées, parviennent dans la zone de turbulence et sont soumises dans cette zone aux influences du champ de force centrifuge propre à cette zone Du fait que la masse spécifique des particules est élevée par rapport au milieu support, on pourrait également, du moins, théoriquement, imaginer de soumettre 30 ces particules à l'effet de l'accélération centrifuge de force plus élevée agissant vers l'extérieur dans le but de séparer ces particules. La fraction de particules séparée d'une telle manière devrait cependant dépendre de la mesure dans laquelle le courant 35 de fuite est en fait enclin à participer au mouvement de 3. turbulence; on peut également compter qu'une fracti Qn relativement grande du courant de fuite en particulier dans la proximité immédiate de la paroi immobile n'est aucunement soumise au mouvement de turbulence et par suite, s'écoule radialement vers l'intérieur sans que l'on puisse séparer les particules entraînées. L'idée théoriquement possible d'une réduction de l'interstice, c'est-à-dire de la distance entre les deux surfaces fonctionnelles constituant l'espace d'interstice devrait 10 par ailleurs conduire, également, à une réduction du courant de fuite mais ne pourrait en principe, rien modifier au fait que des particules peuvent être portées radialement vers l'intérieur le long de la paroi fixe C'est seulement si la largeur d'interstices était réduite à l'ordre de grandeur des particules que l'on pourrait escompter que chaque particule pénétrant pourrait être saisie par le mouvement de cisaillement de la rotation de manière suffisante pour pouvoir être séparée vers l'extérieur sous l'effet des accélératiolecentrifuge Le film d'ai d'un palier à air a en règle générale une épaisseur de quelque millième 20 de millimètre Une particule qui pourrait traverser ce film sans créer de dommage devrait avoir un ordre de grandeur inférieur à l'épaisseur du film d'air dans le palier Il en résulterait alors la nécessité de régler l'interstice dans le dispositif de séparation à cet ordre de grandeur Ceci n'est pas possible dans la pratique, car, pour obtenir la liberté de contacts des surfaces efficaces à cet endroit pendant le fonctionnement on doit assurer qu'il subsiste une distance de quelque dixième de millimètre à un millimètre pour pouvoir compenser des tolérances de fabrication des éléments concernés, différentes dilatations thermiques et 30 différents mouvements créés par les processus dynamiques. Conformément à l'invention, on propose donc de conformer la paroi non rotative de l'espace d'interstice d'une manière telle qu'une précipitation des particules entranées à partir du courant de fuite proche de la paroi agisse d'une manière telle que 35 les particules tombent dans la zone d'influence de la turbulence 4. rotative et soient expulsées par cette dernière de l'espace d'interstice Ceci se produit, conformément à l'invention, en particulier grace à la conformation d'au moins une arrête en saillie sur la paroi d'interstice de la partie fixe, c'est-à-dire de la partie qui ne tourne pas L'énergie nécessaire à celà est prélevée de la paroi mobile de l'interstice et partiellement également, du milieu constituant le courant Lors du fonctionnement, une composante de courant axiale est induite sur la partie fixe par le courant de limitation de paroi d'interstice 10 du fait de l'arrête en saillie Le courant de fuite dirigé radialement vers l'intérieur est de ce fait interrompu sur la ou les arrêtes, dévié et partiellement transformé en turbulence. Les particules entraînées ne peuvent, du fait de leur masse spécifique plus élevée, suivre de manière analogue ces brusques modifications de direction et pénètrent donc plus profondément dans la zone de la turbulence qui vient d'être décrite Du fait que le dispositif de séparation peut être branché en amont d'un palier à air, ce dernier peut être construit ou mis en oeuvre sans aucune influence des critères de séparation des corps étran20 gers. Un autre mode avantageux de réalisation de l'invention prévoit que la paroi d'interstice de la partie fixe présente au moins une surface inclinée sous un certain angle par rapport à la section radiale de la partie tournante Cette surface inclinée 25 est combinée avec l'arrête en saillie conforme à l'invention et augmente l'effet d'interruption du courant de fuite dirigé essentiellement radialement vers l'intérieur. On peut avantageusement prévoir plusieurs surfaces inclinées parallèles sur la paroi d'interstice de la partie fixe, 30 des surfaces inclinées voisines étant reliées par des surfaces dirigées en sens inverse avec la même inclinaison en formant des arêtes De cette manière on réalise plusieurs interruptions du courant de fuite radialement vers l'intérieur Un mode de réalisation avantageux de l'invention prévoit que sur la paroi 35 d'interstice de la partie fixe se trouvent plusieurs surfaces 5. inclinées selon un profil en dents de scie Les angles qui constituent les zones individuelles des surfaces frontales de la paroi qui ne tournentpas et qui sont interrompuesen forme de surfaces c Oniques à rotation de symétrie dans le plan méridien par rapport à la normale à l'axe, peuvent également être différentset ils peuvent être optimisés de imanière empirique. Pour augmenter encore l'effet, on peut profiler la paroi rotative et celà tout d'abord au moyen de canaux s'étendant radialement Lors de la circulation de ces canaux latéraux,ils exercent sur le fluide se trouvant dans l'interstice, un effet d'entraînement L'entraînement de la turbulence décrite plus haut ne s'effectue plus seulement au moyen des forces de frottement de la couche limite s'accrochant sur 15 la paroi en rotation, mais également au moyen des forces superficielles des flancs des canaux La largeur nécessaire du point de vue mécanique de l'interstice d'écoulement et la profondeur desdits canaux peuvent être déterminées en vue d'obtenir un effet optimal Dans ce cas, il est également possible, grâce 20 à la conformation des canaux, d'obtenir un mouvement en retour qui entraîne, en plus de la quantité de courant de fuite pénétrante, un courant d'avancement à partir de la zone intérieure radialement vers l'extérieur Celà pourrait en particulier être utile, si le palier à air disposé radialement à l'intérieur doit 25 être traversé par de l'air de refroidissement ou de l'air d'étanchéité. Les canaux radiaux ouverts se trouvant dans la paroi d'interstice de la partie en mouvement traînent, lorsque l'on regarde selon la direction périphérique, un cheminement diffé30 rent ainsi que celà se révèle le plus utile pour le fonctionnement En particulier on peut prévoir un profil en dents de scie Le flanc descendant porte alors un angle plat, le flanc montant est disposé à angle droit ou à angle raide par rapport à la direction périphérique En outre, selon une vue frontale 35 de la paroi en rotation, les canaux radiaux ouverts, peuvent 6. être conformés de manière différente Tout d'abord des canaux radiaux en forme d'étoiles et disposés radialement de manière exacte sont possibles Mais les canaux radiaux peuvent également être disposés radialement de manière inclinée vers l'extérieur selon un ligne droite ou également courbés (en forme de spirale) On obtient une disposition particulière interessante lorsque l'on prévoit une largeur d'interstice constante entre la partie profilée fixe et la partie profilée mobile en rotation Egalement, lors de la conformation des canaux de la paroi rotative, la limite extérieure axiale des canaux peut être rapprochée de la surface profilée de la paroi non rotative jusqu'à obtenir l'interstice nécessaire du point de vue mécanique. L'arête en saillie conforme à l'invention se trou15 vant dans la paroi d'interstice de la partie fixe peut également selon le principe de base, de préférence, être constitué par une surface périphérique axiale en limite avec une surface frontale radiale de la paroi fixe, la paroi rotative possédant des parois de canal munies de sailliesradialesextérieuresqui 20 entourent l'arêie de la paroi non rotative De ce fait, également, la fuite s'écoulant sur la paroi de la partie fixe dans l'interstice qui est constituée par la distance vis à vis de la partie rotative est déviée brutalement sur l'arête et, de ce fait, les particules entraînées sont évacuées dans la zone d'effet de la parp Q profilée rotative, saisio Epar la rotation et extraitesradialement. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront de la description qui suit, faite en se référant aux dessins ci-annexés sur lesquels: la Fig 1 représente la conformation d'un interstice du dispositif entre un élément fixe et un élément mobile en rotation selon une coupe longitudinale axiale, la Fig 2 représente ia paroi d'interstice de la partie fixe selon un autre mode de réalisation. la Fig 3 représente une conformation d'interstice 7. analogue à celle de la figure 1 avec des canaux ouverts dans la paroi rotative. la Fig 4 représente une conformation d'interstice comportant des parois d'interstice profilées selon un autre mode de réalisation. la Fig 5 représente une vue périphérique partielle de l'interstice avec des canaux radiaux profilés en dents de scie sur la paroi rotative. la Fig 6 est une vue frontale partielle d'une paroi rotative comportant des canaux radiaux s'étendant en biais. la Fig 7 représente un mode de réalisation correspondant à la figure 3 avec des parois de canaux radiaux qui sont à faible proximité de la paroi d'interstice fixe profilé et, les Fig 8 à 10 représentent d'autresmodesde réali15 sation de paroisd'interstice comportant des conformations de canaux radiaux dans la paroi rotative. Sur la figure 1 est représentée la conformation d'un interstice du dispositif entre un élément fixe 2 et un élément rotatif 4 selon une coupe longitudinale axiale. L'interstice comprend une section s'écoulant essentiellement radialement avec une paroi d'interstice 5 lisse et s'étendant radialement sur l'élément rotatif 4 et une paroi d'interstice 3 conformée avec une symétrie de rotation sous forme de zig-zag en coupe axiale sur l'élément fixe 2 En particulier, 25 la paroi d'interstice 3 comprend des surfaces inclinées 6 s'étendant parallèlement les unes aux autres et qui sont inclinées sous un anglevt par rapport à la normale à l'axe Les surfaces inclinées 6 s'étendent radialement de l'extérieur vers l'intérieur en direction de la paroi d'interstice 5 de la partie rotative 4. 30 Entre les surfaces inclinées 6, dans la paroi d'interstice 3 sont réalisées des surfaces inclinées 7 disposées en sens contraire et qui créent des arêtes 10 saillantes de forme circulaire et des arêtes 9 en retrait de forme circulaire. Du fait de la présence des arêtes saillantes 10, le courant de 35 fuite dirigé radialement vers 1 ' intérieur est interrompu dans 8. la zone de la paroi d'interstice 3 d'une manière telle que des particules se trouvant dans le courant parviennent dans le champ de turbulence dans la zone de la paroi d'interstice 5 de la partie fixe et sont extraites à partir de cette zone radialement vers l'extérieur, et celà du fait des effets du champ de force centrifuge existant pendant le fonctionnement du fait de la rotation de la partie rotative 4 Dans l'exemple de réalisation de la figure 1, anaprévdeuxzones d'interruption intérieures avec des arêtes saillantes 10 de telle manière que des parti10 cules qui n'auraient pas encore été séparées sur la première arête soient surement extraites à ces endroits et tenues éloignées du palier à air qui peut s'étendre à un emplacement intérieur radial entre la partie fixe et la partie rotative, par exemple selon la direction axiale. Dans le dispositif de la figure 2, la paroi d'interstice 3 à symétrie de rotation de la partie fixe 2 est conformée de manière différente De manière fondamentale, il existe des surfaces inclinées 6 comme dans l'exemple de réalisation de la figure 1 Les surfaces inclinées de liaison entre les sur20 faces inclinées 6 sont constituées par des surfaces inclinées courtes, s'étendant parallèlement les unes aux autres, perpendiculaires aux surfaces inclinées 6 et présentant une autre inclinaison, de telle manière que l'ensemble ait la forme d'un profil en dents de scie en coupe axiale Les arrêtes 10 sail25 lantes qui existent dans ce mode de réalisation ne sont pas à angle obtus comme dans l'exemple de réalisation de la figure 1 mais à angle droit On peut également envisager un angle aigu. L'exemple de réalisation représenté à la figure 3 correspond fondamentalement à celui de la figure 1, des canaux radiaux 13 étant réalisés dans la paroi d'interstice 5 de la partie rotative 4; ces canaux doivent permettrent encore un meilleur transport de séparation des particules radialement vers l'extérieur Les canaux radiaux 13 possèdent une base 12 35 s'étendant radïalement et sont ouverts en direction de la partie fixe 12 pour pouvoir recueillir de manière sûre les 9. particules à extraire. Les parois des canaux radiaux 13 et de l'interstice peuvent, en coupe suivant un plan méridien, s'écarter de la direction radiale comme représenté figure 4 pour renforcer l'effet de séparation des particules, Selon la direction de la périphérie, les canaux radiaux 13 peuvent être réalisés sous forme de zig-zag comme cela est représenté à la figure 5, La partie 4 qui tourne selon la direction de la flèche possède alors des canaux radiaux 13 avec un flancdescendant présentant un angle plat et un flanc montant présentant un angle droit par rapport à la direction de la périphérie de telle manière que les particules soient saisies par la rotation de manière particulièrement efficace. Les canaux radiaux peuvent s'étendre vers l'extérieur 15 exactement selon la direction radiale ou ils peuvent s'étendre selon un angle incliné comme celà est représenté à la figure 6 en vue frontale de la partie rotative 4 Les canaux radiaux 13 peuvent également avoir une forme courbe. Selon un autre mode de réalisation, la limite extérieure 20 axiale des canaux radiaux 15 peut être rapprochée de la surface interrompue de la paroi non rotative jusqu'à la valeur d'interstice d'écoulement qui est nécessaire du point de vue mécanisme comme cela est représenté à la figure 7 Dans ce cas, l'interstice d'écoulement nécessaire présente une largeur constante b 25 même dans les zones coudées. Des combinaisons des différentes conceptions précitées sont possibles Par exemple, lors de la précipitation de particules collantes, il peut être avantageux de prévoir une combinaison du dispositif selon les figures 4, 6 et 7 de telle 30 manière que des particules s'accrochant sur les surfaces efficaces soient de nouveau décrochées par des forces centrifuges ou décortiquées par des arêtes vives. La figure 8 représente une autre structure conforme au principe de la présente invention Dans ce cas, un profil 35 appartenant à la paroi d'interstice 5 de la partie rotative 4 10. recouvre radialement vers l'extérieurpar sa section de surface 11, l'arête extérieure 10 de la paroi d'interstice 3 f appartenant à la partie fixe 2 La fuite s'écoulant sur la paroi d'interstice 3 de l'élément fixe se trouvant dans l'in5 terstice qui est formé par la distance à l'élément rotatif 3 est déviée brutalement sur l'arête "saillante" 10 et, de ce fait, les particules qu'elle entraîne sont extraites dans la zone efficace de la paroi d'interstice 5 profilée rotative, sont saisies par la rotation et accélérées radialement vers 10 l'extérieur Les sections de surface sont disposées de manière à s'étendre en direction axiale sur la partie rotative 4 Le principe cité plus haut peut fondamentalement être réalisé selon les formes de réalisation des figures 9 et 10 dans lesquelles les sections de surfaces axiales intérieures 15 8 sont prévues sur la partie fixe 2, de telle manière que des parois d'interstice 3 en forme de zig- zag soient réalisées sur la partie fixe 2 Dans l'exemple de la réalisation de la figure 9, on prévoit des canaux radiaux s'étendant de manière inclinée par rapport à la normale à l'axe alors que les canaux 20 radiaux 13 de l'exemple de la figure 10 sont disposés suivant la normale à l'axe. Sur la figure 1 et cela est valable pour tous les autres modes de réalisation le courant de gaz de fuite résiduel purifié par le dispositif de séparation, c'est-à-dire 25 par exemple libéré des particules étrangères, est désigné par R et peut être amené à un palier à air branché en aval en tant que milieu d'interstice d'étanchéité. REVENDICATIONS 1 ) Dispositif pour la séparation de particules ou gouttes étrangères de courant de gaz de fuite de turbomachines, turbocompresseurs à suralimentation, ou mécanismes d'entraîne5 ment de turbines à gaz, dans lequel le courant de gaz de fuite est conduit entre une paroi d'interstice fixe lors du fonctionnement de la machine et une paroi d'interstice rotative disposée en vis à vis, caractérisé en ce qu'il est branché en amont d'un palier dynamique à air ou à gaz,en ce que la paroi 10 d'interstice fixe ( 3) présente au moins une arête ( 1 J faisant saillie vers la zone disposée en vis à vis de la paroi d'intersti'ue ( 5 de telle manière qu'un courant de fuite se déplaçant radialement vers l'intérieur le long de la paroi d'interstice fixe ( 3) soit interrompu et que de ce fait les gouttes 15 ou particules étrangères que ce courant contient parviennent dans le champ de turbulence de rotation alimenté par des fractions du courant de fuite et se formant le long de la paroi d'interstices rotative ( 5) par effet de la force centrifuge et soient projetées radialement vers l'extérieur à partir de ce champ, le courant de gaz de fuite résiduel purifie subsistant (R) faisant fonction de milieu d'interstice d'étanchéité pour ledit palier. 2 ) Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'un éléament ( 4) contenant la paroi d'interstice rotative 25 ( 5) est un élément constitutif du rotor de la machine ainsi qu'un support direct ou indirect de l'anneau d'étanchéité rotatif du palier dynamique à air ou à gaz qui est monté en aval. 3 ) Dispositif selon l'une des revendications 1 à 2, caractérisé en ce qu'un élément ( 2) contenant la paroi d'in30 terstice ( 3) restant fixe pendant le fonctionnement est le support direct ou indirect de l'anneau d étancéité fixe du palier dynamique à air ou à gaz monté en aval. 4 ) Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que le palier dynamique à air ou 35 à gaz qui est disposé à l'intérieur radialement par rapport au dispositif est formé entre les éléments fixe et rotatif lors du fonctionnement. 12. ) Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 4 caractérisé en ce que la paroi d'interstice ( 3) de l'élément fixe présente au moins une surface inclinée( 6) d'un angle par rapport à la section radiale de l'élément rotatif ( 4). 6 ) Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que l'on prévoit plusieurs surfaces inclinées ( 6) parallèles sur la paroi d'interstice ( 3) de l'élément fixe ( 2), des surfaces inclinées voisines étant reliées par des surfaces de même inclinaisons et dirigées 10 en sens opposé de manière à réaliser des arêtes. 7 ) Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que sur la paroi d'interstice ( 3) de l'élément fixe ( 2) sont prévues plusieurs surfaces inclinées selon un profil en dents de scie. 8 ) Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que la paroi d'interstice ( 3) de l'élément fixe présente au moins une surface ( 8) selon la direction axiale de l'élément rotatif ( 4). 9 ) Dispositif selon l'une quelconque des revendica20 tions 1 à 8, caractérisé en ce que les surfaces des parois d'interstice de l'élément fixe sont conformées de manière à présenter une symétrie en rotation. ) Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 9, caractérisé en ce que la paroi d'interstice 25 ( 5)del'élément rotatif ( 4) possède au moins une section de surface ( 12)décalée axialement par rapport audit élément rotatif et s'étendant radialement. 11 ) Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 10, caractérisé en ce que la paroi d'interstice 30 surface s'étendant axialement. 12 ) Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 11, caractérisé en ce que l'on prévoit une largeur d'interstice constante (b) entre l'élément fixe ( 2) et 35 l'élément rotatif ( 3). 13 2549535 13 ) Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 9, caractérisé en ee des canaux radiaux ( 13) ouverts vers la paroi d'interstice ( 3) de l'élément fixe ( 2) sont formés dans la paroi d'interstice ( 5) de l'élément rotatif ( 4).