Brevet FR2577000A1 — publié le 19860808

[ La présente invention se réfère à l'étanchéité des arbres verticaux, notamment des machines hydrauliques telles que les turbines. L'étanchéité entre l'arbre vertical de ces machines et les parties fixes pose des problèmes délicats, car un défaut d'étanchéité entraîne des conséquences économiques désastreuses aussi bien sur le plan de la réparation que sur celui de l'immobilisation de la machine. Lorsque l'arbre de la turbine hydraulique est vertical, le joint destiné à assurer l'étanchéité entre les parties fixes et mobiles de la turbine est réalisé par une pièce d'usure associée à la partie tournante de la turbine et sur laquelle prennent appui des éléments circulaires continus de section rectangulaire réalisés généralement en carbone. Ces éléments sont montés sur un anneau fixe en rotation et mobile axialement par rapport à l'arbre. Cet anneau qui constitue le porte-joint est chargé par une série de ressorts de compression répartis également autour de l'axe géométrique de l'arbre de la machine. En outre, il existe une chambre annulaire de liquide sous pression à partir de laquelle ce liquide, qui est généralement de l'eau propre, est envoyé dans l'espace situé entre les deux joints de manière -à les lubrifier et à les refroidir. Cette eau d'arrosage se trouve à une pression supérieure à celle qui règne dans l'enceinte de la roue de la turbine, de telle manière qu'il existe une fuite permanente en direction de cette enceinte. Les joints connus présentent desinconvénients importants. En effet, lorsque la machine est à l'arrêt, les ressorts appliquent sur les joints une force constante qui tend à les faire coller sur la pièce d'usure et d'autant plus si dans cette situation d'arrêt on coupe accidentellement l'alimentation de l'eau d'arrosage. Dans ces conditions, lors du redémarrage de la machine on assiste très fréquemment à une détérioration des joints par frottement à sec. On comprend aisément que cet inconvénient est très grave puisqu'il entraîne un démontage complet de l'ensemble des pièces situées au-dessus de la plaque d'usure. Lors de l'arrêt de la turbine, l'eau chargée qui entoure sa roue peut pénétrer entre les deux joints, si par exemple celui extérieur présente des rayures, de telle sorte que l'eau chargée arrive dans la chambre circulaire o elle stagne, de sorte qu'il se produit des dépôts d'impuretés qui endommagent très souvent les joints détanchgit9 de la chambre circulaire. Si c'est le cas, ceux-ci sont à changer et comme ils présentent des diamètres de l'ordre de deux mètres, on conçoit la difficulté et le coût d'une telle opération. Les perfectionnements qui font l'objet de la présente invention visent à remédier à ces inconvénients et à permettre la réalisation d'un joint tournant d'étanchéité qui réponde mieux que jusqu'à présent aux divers desiderata de la pratique. La présente invention vise en outre à réaliser un joint équilibré, c'est-à-dire qui subit une pression spécifique due à la résultante de deux efforts antagonistes, l'un comprenant la force développée d'une part par un ensemble de vérins hydrauliques et d'autre part par des ressorts de compression, tandis que l'effort antagoniste est exercé par des rondelles élastiques. Ainsi, on améliore la stabilité du joint et on limite sa destruction en cas de défaillance de l'arrosage en eau propre. En effet, on règle la pression spécifique résultante sur le joint de manière qu'à sec cette pression soit très basse, de telle le sorte que si la turbine est mise en route sans eau propre d'arrosage, ladite pression spécifique n'est pas suffisante pour provoquer l'échauf- fement et la destruction du joint. Lorsque l'eau d'arrosage est envoyée sur le joint, on augmente automatiquement la pression d'appui de celui-ci sur la pièce d'usure, mais on assure de manière certaine son arrosage et son refroidissement. A cet effet, le joint suivant l'invention comprend en combinaison: - une colonne creuse dont l'une des extrémités est solidaire du porte-joint, tandis que son extrémité opposée dépasse au-dessus du support de palier de la machine; - un ressort de compression agissant sur cette colonne en direction du porte-joint; - un vérin hydraulique à simple effet dont le piston est calé sur la colonne, son cylindre étant fixe sur le dessus du support de palier; - un empilage de rondelles élastiques qui sont comprimées lorsque la colonne est déplacée dans le sens opposé à l'action du vérin; - et une alimentation en fluide sous pression par le forage axial de la colonne, et sur lequel est branchée la chambre sous pression du vérin. Le dessin annexé, donné à titre d'exemple, permettra de mieux comprendre l'invention, les caractéristiques qu'elle présente et les avantages qu'elle est susceptible de procurer: Fig. 1 est une coupe transversale générale d'une machine hydraulique pourvue d'un joint tournant établi conformément à l'invention. Fig. 2 en est une vue de détail à plus grande échelle. En fig. 1, on a représenté une machine hydraulique comportant une roue de turbine 1 pourvue d'un arbre vertical 2 traversant un flasque supérieur 3 par rapport auquel il est nécessaire d'effectuer l'étanchéité. En fait, cette étanchéité existe entre une virole 4 constituant avec un couvercle annulaire 5 une cuve 6 remplie d'huile destinée à la lubrification d'un palier 7 et d'autres organes. Ce palier est soutenu par un support 8 réalisé sous la forme d'une bride annulaire supportée par la membrure sup6rieure du flasque 3. Le couvercle de cuve 5 porte une pièce d'usure tournante annulaire 9 par rapport à laquelle on a réalisé usuellement l'étanchgité au moyen d'un joint solidaire du support de palier 8, c'est-à-dire qui est angulairement fixe. Suivant l'invention et comme on l'a illustré en détail en fig. 2, on prévoit de réaliser l'itanchêité sous la forme de deux joints concentriques 10 et 11 de carbone ou analogue supportas par un portejoint 12 disposé à la base d'un anneau 13 mobile axialement sur lequel agissenz plusieurs dispositifs répartis également autour de l'axe g&ométrique de la machine. L'utilisation de six dispositifs également répartis est considérée comme satisfaisante dans la plupart des cas rencontrés. Chacun des dispositifs plus particulièrement illustré en fig. 2 se compose essentiellement d'une colonne 14 dont l'extrémité inférieure 14a est vissée dans l'anneau 13, ladite colonne traversant le support de palier 8 dans une ouverture 8a. On observe que la colonne 14 comporte un forage longitudinal 15 aboutissant dans un trou vertical l3a mgnag5 dans l'anneau 13. Un piston 16 est calé sur la colonne 14 au-dessus du support de palier 8 et sa périphérie coopère avec un cylindre 17 fermé par un fond 18 que la colonne traverse de manière étanche dans une perforation centrale l8a. Bien entendu, des joints sont prévus entre le piston et le fond d'une part et le cylindre 17 d'autre part pour rendre étanche l'espace compris entre le piston et le fond et qu'on appelle la chambre d'eau 19o Au-dessus du fond 18, la colonne 14 comporte une rondelle 20 qui est appliquée contre un écrou d'arrkt 21 par un empilage de rondelles élastiques du type "Belleville". Cet oỉpilage a 9L5 référencé 22. L'extremite de la colonne 14 qui se trcwve au-dessus de l'empilage 22 est pourvue ' rn cord 23 auquel une canalisation 24,S'amen e propxe dearrosage et de refroidissement des joints 10 et 11. La chambre d'eau 19 est alimentée à partir du forage 15 au moyen d'un trou radial 14b pratiqué dans la colonne et qui débouche dans un puits 18b concentrique à la perforation centrale 18a de ce fond. Un ressort de compression 25 placé autour de la colonne bute par l'une de ses extrémités d'une part contre une bride 26 solidaire du support de palier 8 et d'autre part contre une douille 27 prenant appui sur l'anneau 13. Ainsi, -la réaction de l'ensemble du ressort 25 charge cet anneau, le porte-joint 12 et les joints 10 et 11 contre la pièce d'usure 9. On note que l'anneau 13 est guidé dans son déplacement axial par un palier annulaire 28 solidaire d'un élément tubulaire 29 assemblé à un organe 3a du flasque supérieur 3. Le palier 28 porte des fourchettes dont les dents chevauchent des ergots 31 ménagés à la périphérie de l'anneau 13. Ainsi, celui-ci est-il retenu angulairement fixe de manière qu'aucune rotation ne soit communiquée aux colonnes 14. Le fonctionnement découle des explications qui précèdent: Au repos, c'està-dire lorsque la roue de turbine ne tourne pas, le ressort 25 applique les deux joints 10 et 11 contre la pièce d'usure 9 suivant une pression spécifique entre ces pièces. On s'arrange pour qu'alors l'empilage 22 de rondelles élastiques du type Belleville n'appliquent aucune contre-force sur la colonne 14. Puis l'on visse l'écrou 22 de manière que l'empilage de rondelles se comprime pour exercer une action antagoniste sur la colonne par rapport à la réaction qui lui est communiquée par le ressort de compression 25. On s'arrange en fait pour que la pression des joints 10 et 11 contre la pièce d'usure 9 soit très légèrement supérieure à 0, c'est-à-dire variant entre 0,5 et O,lbar. - Trois genres d'incidents peuvent se produire: Bien que des dispositifs de sécurité soient prévus pour que la roue de turbine ne puisse pas tourner sans eau d'arrosage, on peut supposer tout d'abord que les systèmes de sécurité étant détériorés, la turbine se mette à tourner sans eau d'arrosage. Les joints sont alors directement appliqués contre la pièce d'usure sans qu'aucun film d'eau n'existe. Mais, par suite du réglage indiqué plus haut; la pression des joints contre la pièce d'usure est faible, de sorte que leur rotation sur celle-ci propoque leur érosion, donc la diminution de leur épaisseur. Cette érosion est contrecarrée très rapidement par la réaction des rondelles Belleville qui, après une certaine course vers le bas de la colonne 14, entraîne la séparation des joints et de la pièce d'usure 9. A ce moment, c'est l'eau du compartiment de la roue 1 qui vient lubrifier les joints et les refroidir, de telle sorte qu'on évite leur détérioration complète. Dans le second cas, l'eau d'arrosage n'est pas coupée mais, par suite de circonstances particulières, les joints sont en appui direct "à sec sur la pièce d'usure sans qu'aucun film d'eau n'existe. Dans ce cas, la force appliquée sur les joints 10, 11 est constituée par la réaction des ressorts de compression 25 et la force développée par les vérins 16, 17. Ces deux forces sont contrecarrées d'une part par la tension de l'empilage 22 des rondelles Belleville et, d'autre part, par la pression développée entre le porte-joint 12 et la pièce d'usure 9, c'est-à-dire dans l'espace 32 compris entre les deux joints 10 et 11. En effet, les joints 10 et 11 sont séparés par une distance non négligeable, de telle sorte que la force développée entre les joints et la pièce d'usure 9 par l'eau arrivant dans l'espace 32 compris entre ces deux joints est importante, de sorte qu'on risque beaucoup moins d'assister au collage desdits joints sur la pièce d'usure qu'avec les solutions précédentes dans lesquelles les joints étaient rapprochés, de sorte que la force considérée était faible. Comme dans le premier cas ci-dessus, au démarrage il y a une légère usure des joints en "appui sec" contre la pièce 9 mais dès que cette usure atteint une certaine valeur, la course vers le bas des colonnes 14 est stoppée grâce à l'intervention de l'empilage 22 de rondelles Belleville. Dans ces conditions, un jeu apparaît entre les joints et la pièce d'usure de sorte que le film d'eau se constitue, si bien qu'à partir de cet instant le fonctionnement redevient normal. Une troisième hypothèse de mauvais fonctionnement concerne un décollage intempestif des joints 10, 11 par rapport à la pièce d'usure 9, par exemple à la suite de vibrations transitoires qui décollent ces joints, si bien qu'un corps étranger peut s'introduire entre eux et la pièce d'usure 9. On conçoit aisément que dans ce cas le film d'eau disparaît pour laisser place à un écoulement à débit important. Dans ce cas, les colonnes 14 ont tendance à remonter, de telle sorte qu'elles annulent la réaction de l'empilage des rondelles Belleville 22. De ce fait, la réaction des ressorts 25 et les efforts développés par les vérins 16, 17 s'ajoutent pour constituer un effort important agissant sur les colonnes d'orientation du bas, ce qui permet l'élimina- tion du corps étranger et la remise en position normale des joints par rapport à la pièce d'usure, c'est-à-dire avec un film d'eau approprié. Il va de soi que le joint décrit n'est pas du type étanche, d'autant plus que la pression de l'eau arrivant dans la colonne 14 est prévue supérieure d'au moins 1 bar à celle régnant dans le compartiment de la chambre des turbines. Ainsi, en fonctionnement, il y a un écoulement constant de l'eau d'arrosage de fuite vers un compartiment annulaire 33 situé autour du palier 7 et au-dessus de celui-ci. Dans ces conditions, on prévoit de ménager dans le flasque supérieur un trop plein 3b destiné à l'évacuation vers l'extérieur de l'eau arrivant dans ce compartiment. Grâce à un curseur 34, on peut régler de manière égale la pression résultante entre les joints et la pièce d'usure à condition bien entendu que tous les ressorts 25 présentent des caractéristiques identiques. En effet, l'enfoncement des empilages 22 relevé sur les curseurs donne ladite pression résultante. Pendant des temps d'arrêt élevés de la turbine pendant lesquels l'eau de lubrification et de refroidissement n'est pas utilisée, on peut introduire dans la chambre d'eau 19 des produits solubles dans l'eau tels que de l'huile qui protégeront les joints du piston et du cylindre de tout dépôt de boue provenant de l'eau située dans le compartiment de la roue de turbine et qui ne manquera pas d'entrer dans les chambres des vérins du fait de la très faible pression existant alors entre les joints 10 et 11 et la pièce d'usure 9. On évite ainsi un des graves inconvénients des dispositions actuelles dans lesquelles cette introduction de produits solubles n'est pas possible. Il doit d'ailleurs être entendu que la description qui précède n'a été donnée qu'à titre d'exemple et qu'elle ne limite nullement le domaine de l'invention dont on ne sortirait pas en remplaçant les détails d'exécution décrits par tous autres équivalents. R E V E N D I C AT I 0 N S 1. Joint tournant d'étanchéité pour arbre notamment pour machines hydrauliques telles que les turbines, du genre comprenant une pièce d'usure (9) sur laquelle reposent deux joints annulaires (10, 11) écartés, montés dans un porte-joint (12) chargé en direction de la pièce d'usure (9), tandis qu'un courant d'eau propre est envoyé entre les deux joints pour les lubrifier et les refroidir, caractérisé en ce qu'il comporte des moyens (25, 22, 16-17, 32) d'assurer la stabilité des joints (10, 11), c'est-à-dire de permettre leur retour à une position stable de fonctionnement satisfaisant, en équilibrant les forces exercées sur les joints (10, 11). 2. Joint tournant suivant la revendication 1, caractérisé en ce que les moyens d'assurer l'équilibrage des forces exercées sur les joints (10, 11) sont groupes dans chacun de plusieurs dispositifs angulairement répartis de manière égale autour de l'axe géomatrique de l'arbre (2) de la machine. 3. Joint tournant suivant la revendication 2, caractérisa en ce que chaque dispositif comprend en combinaison: - une colonne creuse dont l'une des extrémités (14a) est solidaire du porte-joint (12) tandis que son extrémité opposée dépasse au-dessus du support de palier (8) de la machine; - un ressort de compression (25) agissant sur cette colonne en direction du porte-joint (12); - un vérin hydraulique à simple effet (1617-18) dont le piston (16) est calé sur la colonne (14), son cylindre (17) étant fixe sur le dessus du support de palier (8); - un empilage (22) de rondelles élastiques associées à la colonne (14) et agissant dans le sens opposé à celui de la réaction du ressort de compression (25); - et une alimentation en fluide sous pression du forage axial (15) de la colonne (14), et sur laquelle est branchée la chambre sous pression (19) du vérin (16-17-18). 4. Joint tournant suivant la revendication 3, caraetérisé en ce qu'un anneau mobile axialement (13) est interposé entre le porte joint (12) et chaque colonne (14), ledit anneau étant angulaire-rment fixe et azialvee. mo'ile Joint trant suivant la revendlicatin 3, caracterlse en ce -.. ieeacton aeloppee par I ?pilagc {22) es rcndelle ezastiques est réglable. 6. Joint tournant suivant la revendication 3, caractérisé en ce que l'espace entre les joints (10-11) permet de créer une force développée importante entre le porte-joint (12) et la pièce d'usure (9).