Brevet FR2602846A1 — publié le 19880219

1. Dispositif d'étanchéité centrifuge sans contact pour un organe tournant de machine La présente invention concerne un dispositif d'étanchéité centrifuge sans contact pour un organe tournant de machine qui présente des surfaces de révolution et est monté de façon à pouvoir tourner dans 5 un carter qui doit être rendu étanche vis-à-vis d'un volume à plus basse pression, des instructions annulaires étroits de diamètres de grandeurs diverses existant entre le carter et ledit volume. Il s'agit d'un dispositif d'étanchéité sans 10 contact qui s'appuie sur des effets aérodynamiques et dont le domaine d'application principal est représente par des turbomachines dans le sens le plus général, mais qui conviennent en particulier pour l'utilisation dans le cas de compresseurs radiaux et de turbines 15 radiales. Dans le cas des turbomachines, des Joints à labyrinthe servent en général à empêcher le plus possible, par étranglement dans des fentes, le fluide à comprimer ou à détendre, de s'échapper des canaux 20 d'aubes dans le volume qui est formé par le jeu entre le rotor du compresseur ou de la turbine et le carter. Il règne dans ce volume une plus faible pression que dans les canaux d'aubes, ce qui est la cause des fuites. L'efficacité des joints à labyrinthe qui doivent maintenir ces fuites au plus faible niveau possible, dépend en premier lieu des largeurs des interstices radiaux et axiaux entre les crêtes de labyrinthes et les chambres de labyrinthes et de leur nombre. On ne 30 peut cependant réduire arbitrairement la largeur de ces interstices, comme dans des conditions statiques, mais il faut les dimensionner en tenant compte des différences de dilatation thermique entre l'arbre, le rotor et les crêtes de joints, d'une part, et le carter 35 avec les chambres de joints, d'autre part, ainsi que des écarts maximaux prévisibles au cours du fonctionnement par suite des vibrations des éléments rotatifs. Par conséquent, des fuites plus ou moins importantes sont inévitables en présence de joints a labyrinthe. En outre, les joints à labyrinthe impliquent un coût technique de réalisation non négligeable. Pour des diamètres inférieurs des interstices à étancher, les crêtes de labyrinthes et les chambres de labyrinthes en forme de rainures sont en général façonnées par 10 tournage dans la masse, avec un travail d'enlèvement des copeaux corrélativement coûteux. Il en est de même lorsque, dans le cas de diamètres supérieurs, les crêtes et les chambres sont précoulées et qu'il ne reste plus qu'à achever leur façonnage à la dimension 15voulue. Un autre inconvénient des joints à labyrinthe consiste en ce que l'usinage doit être effectue avec des tolérances très étroites et que le montage du rotor dans le carter demande une grande précision, pour obtenir effectivement les jeux de labyrinthe calculés 20 et éviter un effleurement des crêtes. L'invention vise à éviter les inconvénients précités des joints à labyrinthe classiques. Elle concerne un dispositif d'étanchéité centrifuge sans coitact pour un organe tournant de machine qui présente 25 des surfaces de révolution et est monté de façon à pouvoir tourner dans un carter qui doit être rendu étanche vis-à-vis d'un volume à plus basse pression, des interstices annulaires de diamètres de grandeurs diverses existant entre le carter et ledit volume, 30 caractérisé en ce qu'il est prévu sur les surfaces de révolution des nervures hélicoïdales qui s'étendent des interstices annulaires de plus petit diamètre aux interstices annulaires de plus grand diamètre, et en ce qu'il y a dans le carter une chambre de 35 tourbillonnement, dans laquelle pénètrent les nervures hélicoïdales, pour chaque surface de révolution pourvue de nervures hélicoïdales. Les avantages de ce dispositif d'étanchéité centrifuge se manifestent en particulier pour des compresseurs et des turbines de faible dimension, du fait que la proportion des fuites par les labyrinthes par rapport au débit du fluide sont plus fortes en pourcentage que dans le cas d'unités plus importantes. 5 Il a en outre pour avantage que les interstices ne doivent pas être aussi étroits que dans le cas de labyrinthes, de sorte que des tolérances d'usinage plus importantes sont autorisées. De plus, les interstices sont délimités par des surfaces cylindriques 10 circulaires coaxiales faciles à produire, de sorte que les dilatations thermiques dans la zone des interstices ne doivent pas non plus être calculés avec précision aussi pointilleuse que dans le cas d'un labyrinthe. Il suffit de garantir qu'il y a suffisamment de jeu en 15 direction radiale, la largeur radiale de l'interstice n'étant aucunement critique et la longueur de l'interstice parallèlement à l'axe n'ayant aucune importance. Pendant le chauffage, les surfaces cylindriques circulaires des fentes mentionnées peuvent 20 se décaler mutuellement librement, tout risque d'effleurement des surfaces délimitant les interstices étant exclu. On va décrire à présent l'invention avec davantage de détail en se référant à un exemple de 25 réalisation représenté sur le dessin annexé dont: La figure 1 est une vue schématique partielle en coupe axiale du rotor d'un compresseur radial à double flux, avec les parties du carter nécessaires pour la compréhension de l'invention; La figure 2 est une coupe cylindrique suivant la ligne de coupe II-II portée sur la figure l, et Les figures 3 et 4 sont deux schémas destinés à expliquer le mécanisme de fonctionnement de l'invention. Dans le cas du compresseur radial à double flux représenté sur la figure 1, la référence i désigne le carter du compresseur et la référence 2 la roue à aubes à double flux du compresseur. Le fluide à comprimer, aspiré par les deux canaux d'aspiration 3 disposes symétriquement, parvient dans les canaux d'aubes 4 de la roue à aubes, qui sont délimités par le corps de moyeu 5, les aubes mobiles 6 et les parois de recouvrement 7. Les deux courants partiels 8 du fluide 5 à comprimer se réunissent, après leur sortie des canaux d'aubes et quittent le compresseur par le canal de sortie en spirale 9. Dans le cas des compresseurs radiaux courants, les joints à labyrinthe sont prévus au raccordement de 10 la limite extérieure des canaux d'aspiration avec les parois de recouvrement de la roue A aubes. Dans le cas de roues à aubes à un seul flux qui ne comportent qu'une paroi de recouvrement, le second joint à labyrinthe se trouve à la périphérie extérieure du 15 moyeu de la roue à aubes sur la face postérieure opposée aux aubes. Ce joint à labyrinthe y empêche les fuites dans le compartiment de l'arbre du compresseur. Sur la figure 1, on a indiqué par des cercles 10 les emplacements prévus pour les joints à labyrinthe. 20 Au lieu des labyrinthes, on y prévoit, selon l'invention, un interstice annulaire d'une hauteur radiale pour laquelle il ne peut en aucun cas se produire d'effleurement du rotor au contact du carter. La longueur de l'interstice parallèlement à l'axe est 25 ici secondaire. Comme autres caractéristiques physiques du dispositif d'étanchéité, il y a lieu de citer des chambres de tourbillonnement 11, ainsi que des nervures hélicoïdales 12 qui s'étendent à l'intérieur de chaque 30 chambre de tourbillonnement 11 respective dans un plan de coupe méridien du rotor 2 et à peu près sur la longueur des parois de recouvrement 7. Elles sont, de préférence, réparties uniformément sur les parois de recouvrement 7 et leur nombre et leur orientation 35 peuvent, comme on l'a représenté sur la figure 2, coïncider avec le nombre et la direction des aubes 6. En variante,on peut cependant aussi les prévoir, par exemple, seulement dans le prolongement d'une aube sur deux ou entre les deux aubes voisines de chaque paire. Le fonctionnement d'un tel dispositif d'étanchéité repose sur une transmission du moment cinétique angulaire par les nervures hélicoïdales 12 du rotor au fluide se trouvant dans la chambre de 5 tourbillonnement 11. On va poursuivre la description en se référant aux figures 3 et 4. Sur ces deux figures, la référence 13 désigne une partie d'une paroi de recouvrement en forme de secteur d'anneau de cercle. Ces parois de recouvrement 13 correspondent à la paroi 10 de recouvrement 7 de la figure 1. Les nervures hélicoïdales 15 et respectivemet 16 pénétrant dans les chambres de tourbillonnement 14 correspondent aux nervures hélicoïdales 12 précitées. On voit que les nervures 16 sont plus larges que les nervures 15. 15 Indépendamment de la vitesse de rotation, des proprietes du fluide et des dimensions des chambres de tourbillonnement, les largeurs b des nervures hélicoïdales déterminent la transmission de moment cinétique angulaire au fluide. Dans le cas d'une faible transmission du moment cinétique, par exemple pour de faibles largeurs bl des nervures hélicoïdales selon la figure 3, un rotor relié à la paroi de recouvrement 13 induit dans la chambre de tourbilonnment un écoulement secondaire ayant la 25 configuration d'un écoulement tourbillonnaire 17 au voisinage des parois dans des plans radiaux axiaux. Jusqu'à une valeur limite supérieure de la largeur bl, la majeure partie du fluide reste, dans ce cadre, quasi stationnaire dans la chambre de tourbillonnement, ce 30 qui veut dire que cette fraction prépondérante tourne en direction périphérique à une vitesse angulaire nettement inférieure à celle de la paroi de recouvrement 13. Pour des longueurs de nervures b2 supérieures à 35 la valeur-limite supérieure de bl, il est communiqué au fluide dans la chambre de tourbillonnement un moment cinétique angulaire si important que la dissipation de la couche-limite au contact des parois de la chambre de tourbillonnement ne peut plus supprimer le moment cinétique ainsi engendré. Dès que cela s'est produit, la configuration d'écoulement change complètement dans la chambre de tourbillonnement. Les particules du fluide sont stabilisées par ce fort moment cinétique 5 sur des orbites, il s'agit donc de stabilisation orbitale. La majeure partie du fluide se trouvant dans la chambre de tourbillonnement se déplace alors comme un corps solide avec le rotor en direction azimutale et le mouvement de rotation radial axial de particules du 10 fluide à une vitesse périphérique nettement inférieure se réduit à une couche-limite mince d'épaisseur d. La différence entre les deux cas consiste alors en ce que, dans les conditions de la figure 3, il règne aux points A et B presque la même pression statique, 15 -tandis que, dans le cas représenté sur la figure 4, il apparaît entre les points A et B presque la totalité de la différence de pression statique qui correspond au gradient de pression radial du mouvement de rotation du rotor. Lorsque la largeur b2 des nervures hélicoïdales 7 ou 16 est suffisante, elles peuvent provoquer dans la chambre de tourbillonnement un tourbillon qui tourne avec le rotor comnnme un corps solide. Il en résulte que l'augmentation de pression radiale dans les canaux 25 d'aubes 4 de la roue à aubes du compresseur selon la figure 1 n'est pas plus importante que l'augmentation de pression radiale dans la chambre de tourbillonnement 11 de la figure 1 ou dans la chambre de tourbillonnement 14 de la figure 4. Par suite, un 30 écoulement de fuite par les interstices aux points A et B selon la figure 4 et corrélativement aux points 10 selon la figure 1, o l'on prévoit en général des joints à labyrinthe, et aux interstices 18 entre la périphérie extérieure des parois de recouvrement 7 de 35 la roue à aubes 2 et le carter 1 du compresseur, est pratiquement complètement supprimé. En outre, les pertes de couche-limite dans la chambre de tourbillonnement atteignent un minimum, dans ce cas. Pratiquement, on détermine expérimentalement la largeur b2 des nervures hélicoïdales nécessaires pour obtenir cet état par mesure des pressions dans la chambre de tourbillonnement aux points 10 et 18, en $ examinant, à la vitesse de rotation de fonctionnement, des rotors à nervures de différentes largeurs. Pour maintenir les pertes de ventilation à un niveau aussi faible que possible, on détermine la plus faible largeur possible b2 des nervures hélicoïdales 12 pour 10 laquelle l'écoulement tourbillonnaire a lieu avec le gradient de pression favorable décrit. Revendications i. Dispositif d'étanchéité centrifuge sans contact pour un organe tournant de machine (2), qui présente des surfaces de révolution (7) et est monté de façon à pouvoir tourner dans un carter (1) qui doit S être rendu étanche vis-à-vis d'un volume de plus basse pression, des interstices annulaires étroits (10; 18) de grandeurs diverses existant entre le carter (1) et ledit volume, caractérisé en ce qu'il est prévu sur les surfaces de révolution (7) des nervures hélicoïdales 10 (12) qui s'étendent des interstices annulaires (10) de plus petit diamètre aux interstices annulaires (18) de plus grand diamètre, et en ce qu'il est prévu dans le carter (1) une chambre de tourbillonnement (11) dans laquelle pénètrent les nervures hélicoïdales (12) pour 15 chaque surface de révolution (7) pourvue de nervures hélicoïdales (12). 2. Dispositif d'étanchéité centrifuge selon la revendication 1, dans le cas d'un compresseur radial comportant une roue à aubes à double flux (2), les 20 surfaces de révolution devant recevoir les nervures hélicoïdales étant formées par deux parois de recouvrement (7) de la roue à aubes (2) du compresseur et les parois de recouvremnt (7) limitant, avec le corps de moyeu (5) et les aubres mobiles C(6), les 25 canaux d'aubes (4), caractérisé en ce que les nervures hélicoïdales (12) ont une section rectangulaire et sont réparties uniformément sur la périphérie des parois de recouvrement (13), en ce que les nervures hélicoïdales (12) s'étendent dans les plans radiaux-axiaux de 30 l'interstice annulaire intérieur (10) de plus petit diamètre à 1' interstice annulaire extérieur (18) de plus grand diamètre, et en ce que la chambre de tourbillonnement (11) est tronconique et ses génératrices s'étendent sensiblement parallèlement à la 35 surface extérieure des parois de recouvrement. 3. Dispositif d'étanchéité centrifuge selon la revendication 2, caractérisé en ce que les nervures helicoïdales (12) constituent des prolongements des aubes (6) sur les deux parois de recouvrement (7).