Brevet FR2657137A1 — publié le 19910719

Garniture d'étanchéité sèche pour pièce tournante et machine tournante comportant une telle garniture La présente invention concerne notamment une garniture d'étanchéité pour pièce tournante et plus spécifiquement une telle garniture du type dit garniture sèche Une climatisation efficace d'une telle garniture est nécessaire pour la sureté du fonctionnement de nombreuses machines tournantes, notamment pour le maintien d'une étanchéité qui est requise et pour éviter des déformations ou des destructions qui peuvent être provoquées par un échauffement ou un refroidissement excessif de la garniture. Diverses solutions sont connues pour réaliser une garniture d'étanchéité à la traversée d'une enceinte par un arbre tournant Un labyrinthe à jeu réduit peut être utilisé pour confiner un gaz non dangereux Des garnitures à film d'huile ou des garnitures mécaniques peuvent l'être dans le cas de gaz dangereux La circulation de l'huile sur les anneaux d'étanchéité fixes et mobiles assure alors la climati- sation soit en évacuant les calories produites par son cisaillement soit en apportant les calories nécessaires au maintien en température compatible avec un bon fonctionnement. Un tel mode de climatisation n'est pas possible dans le cas d'une garniture sèche qui est dépourvue d'une telle circulation d'huile. Dans des conditions sévères d'utilisation, comme c'est le cas par exemple pour des garnitures sèches à grande vitesse, à forte pression, et dont la surface des pièces tournantes en contact avec un gaz chaud est importante, la génération de chaleur devient importante et la température à l'intérieur de la garniture atteint une telle valeur qu'elle peut produire la destruction des pièces, et entraîner ainsi une défaillance grave d'une turbo-machine. Ce risque est particulièrement sensible dans les procédés qui, pour des raisons de sécurité, imposent la présence de trois interfaces d'étanchéité La garniture comporte trois chambres internes qui se succèdent, à l'intérieur de l'enceinte contenant le gaz à confiner, jusqu'à l'atmosphère. Les séparations entre l'intérieur de l'enceinte et la première chambre, entre deux chambres successives, et entre la dernière chambre -2- et l'atmosphère sont réalisées chacune à l'aide d'un anneau d'étanchéité tournant coopérant avec un anneau d'étanchéité fixe, souvent appelé "grain fixe". Dans la chambre intermédiaire on injecte un gaz auxiliaire qui passe, en raison des fuites, dans la première et la troisième chambre de chacune desquelles il est extrait L'évacuation de la chaleur est faite en partie par les fuites de gaz dans les interfaces d'étanchéités. Il est à noter toutefois que le gaz extrait de la première chambre est pollué par le gaz à confiner et doit dans certains cas être traité. Une solution connue pour évacuer les calories d'une telle garniture consiste à augmenter une fuite de gaz à travers cette garniture. Mais ceci peut s'avérer dangereux car: la fuite du gaz à confiner qui permet l'évacuation des calories peut entraîner des problèmes de sécurité d'exploitation, un intervalle axial trop grand entre des anneaux d'étanchéité fixes et tournants diminue la raideur axiale du film gazeux qui circule radialement dans cet intervalle Sous l'effet des diverses sollicita- tions mécaniques et aérodynamiques, il peut en résulter des contacts intempestifs entre un anneau fixe et un anneau tournant Or, de tels contacts risquent d'entraîner la perte définitive de l'étanchéité. Le problème du refroidissement, bien qu'important et souvent rencontré, n'est pas le seul à prendre en compte En effet dans certaines installations une garniture d'étanchéité est placée dans une ambiance très froide et un gaz chaud est injecté dans l'interface d'étanchéité Dans ce cas, si la génération de chaleur n'est pas suffisante, il en résulte un refroidissement du gaz qui peut entraîner une formation de liquide (condensation) et par suite des destructions au niveau de la garniture Une solution pour éviter le refroidissement du gaz serait d'en augmenter le débit, mais dans ce cas, on retrouverait les inconvénients qui ont été précédemment cités. La présente invention a notamment pour but de permettre la réalisation simple d'une garniture d'étanchéité sèche pour pièce tournante permettant un fonctionnement plus sûr d'une machine tournante sans créer ou augmenter une fuite de fluide à travers la garniture et sans risque de polluer un fluide auxiliaire par le fluide à confiner. -3- Dans ces buts, elle a notamment pour objet une garniture d'étanchéité sèche pour pièce tournante, caractérisée par le fait que l'un des corps fixe et tournant qui constituent la garniture est pourvu d'un circuit de climatisation interne. A l'aide des figures schématiques ci-jointes, on va décrire ci-après comment la présente invention peut être mise en oeuvre, étant entendu que les éléments et dispositions mentionnés et représentés ne le sont qu'à titre d'exemples non limitatifs Lorsqu'un même élément est représenté sur plusieurs figures il y est désigné par le même signe de référence. La figure 1 représente une garniture selon la présente invention en coupe par un plan axial. La figure 2 représente cette même garniture en coupe par un plan transversal Il-II de la figure 1. La figure 3 représente en coupe axiale une première machine tournante comportant deux telles garnitures. La figure 4 représente en coupe axiale une deuxième machine tournante comportant deux telles garnitures. Conformément à la figure 1 une garniture selon la présente invention comporte, de manière générale: un sous-ensemble fixe 8, 7 porté par une pièce fixe 3 par rapport à laquelle une pièce tournante 1 tourne autour d'un axe A, et un sous-ensemble tournant 4, 5 porté par ladite pièce tournante et coopérant avec ledit sous-ensemble fixe pour empêcher un fluide à confiner de passer entre ces pièces fixes et tournantes. Chacun desdits sous-ensembles fixe ou tournant comporte lui-même, respectivement: un corps fixe 8 ou tournant 4 porté par ladite pièce fixe 3 ou tournante 1 en regard dudit corps tournant ou fixe de l'autre dit sous-ensemble, et au moins un premier et un deuxième anneaux d'étanchéité fixes 7 et 7 A ou tournants 5 et 5 A portés coaxialement autour dudit axe A par ledit corps fixe ou tournant Le sous-ensemble fixe de la ganiture donnée en exemple comporte un premier, un deuxième et un troisième anneaux fixes 7, 7 A et 7 B Chacun d'eux coopère avec un anneau tournant associé de -4- même rang tels que 5, 5 A et 5 B appartenant à l'autre dit sous-ensemble. De manière générale de tels anneaux sont disposés pour au moins limiter le passage dudit fluide à confiner tout en formant au moins une chambre intermédiaire 14 qui comporte deux parois principales 16, 17 respectivement formées par les deux dits corps fixe et tournant, et deux parois extrêmes formées l'une 7 par l'un au moins desdits premiers anneaux fixe et tournant, l'autre par l'un 7 A au moins desdits deuxièmes anneaux fixe et tournant. Plus spécifiquement, dans le cas de la garniture donnée en exemple, la pièce tournante est l'arbre 1 d'une machine tournante Il s'étend selon l'axe de rotation longitudinal A La pièce fixe est un carter 3, qui fait partie d'une enceinte de cette machine et qui forme un logement 2 pour recevoir la garniture d'étanchéité. Le corps tournant se compose d'une bague 4 épaulée à l'une des extrémités Son alésage axial est traversé par l'arbre 1 de la machine ce qui assure à l'ensemble un alignement parfait. La surface extérieure de cette bague, reçoit les trois anneaux d'étanchéité tournants 5, 5 A, 5 B qui sont entraînés en rotation au moyen d'un pion ou tout autre élément connu, et maintenus à distance les uns des autres à l'aide de cales d'espacement 6, 6 A et 6 B Chaque anneau tournant coopère avec l'anneau d'étanchéité fixe de même rang 7, 7 A, ou 7 B pour constituer une barrière d'étanchéité pour le gaz à confiner Une première, une deuxième et une troisième barrières sont ainsi constituées par les anneaux 7 et 5, 7 A et 5 A, et 7 B et 5 B Elles délimitent deux dites chambres intermédiaires 14 et 15 Le sous-ensemble fixe comporte, outre les anneaux fixes 7, 7 A et 7 B, le corps fixe 8 qui constitue l'enveloppe extérieure de la garniture. De manière générale, et conformément à la présente invention l'un au moins desdits corps fixe 8 et tournant 4 comporte un circuit de climatisation 9, 9 A, 13 qui est interne à ce corps et qui permet la circulation d'un fluide de climatisation Le corps 8 est ainsi climatisé Il climatise à son tour l'un au moins desdits anneaux d'étanchéité 7, 7 A, 7 B. Selon une disposition avantageuse ledit corps climatisé 8 comporte des ailettes de climatisation 11 faisant saillies dans lesdites chambres - intermédiaires 14 et 15 à partir de ladite paroi principale 16 formée par ce corps, de manière à climatiser un fluide intérieur contenu dans ces chambres pour que ce fluide climatise à son tour l'un au moins desdits anneaux d'étanchéité 5 A, 5 B et/ou l'autre dit corps fixe 8 ou tournant 4. Le circuit de climatisation interne comporte des canaux aller 9 et retour 9 A s'étendant sur une fraction majoritai- re de la longueur de ladite garniture, des bornes de raccordement aller 10 et retour l OA qui permettent de raccorder ces canaux à un circuit externe de fluide de climatisation et qui sont situées dans une face de raccordement 8 A qui est une face longitudinalement extrême dudit corps climatisé, et des canaux de raccordement interne 13 pour raccorder lesdits canaux aller auxdits canaux retour au voisinage d'une face longitudinalement extrême 8 B de ladite garniture opposée à ladite face de raccordement. Bien que, sur les figures 2 et 3, trois ensembles d'étanchéité aient été représentés, on comprendra que toutes les configurations de montage peuvent être utilisées, la garniture pouvant, de manière générale, former un ou plusieurs interfaces d'étanchéité. La figure 3 représente une machine tournante selon la présente invention comportant: des organes de travail 22 tournant dans une enceinte 30 pour entraîner ou être entraînés par un fluide à confiner dans cette enceinte, un arbre tournant 1 s'étendant dans cette enceinte pour porter ces organes de travail, et traversant cette enceinte, deux paliers 24 et 26 pour porter cet arbre, un circuit de lubrification comportant des tuyaux aller tels que 28 et retour tels que 29 pour lubrifier ces paliers à l'aide d'un fluide de lubrification, et deux garnitures sèches 20 et 21 entourant ledit arbre 1 à ses deux traversées de ladite enceinte pour confiner ledit fluide à confiner. Dans cette machine, les garnitures sèches 20 et 21 sont des garnitures du type précédemment décrit, ledit fluide de climatisation étant constitué par ledit fluide de lubrification. En variante, il pourra être utilisé un fluide de climatisation -6- complètement indépendant provenant d'une source extérieure. La figure 4 représente une autre machine tournante comportant des organes de travail 72 tournant dans une enceinte 80 pour entraîner ou être entraînés par un fluide à confiner dans cette enceinte, la pression de ce fluide définissant dans cette enceinte des zones de pression relativement haute telles que 90 et des zones de pression relativement basse telles que 92, un arbre tournant 51 s'étendant dans cette enceinte pour porter ces organes de travail, et traversant cette enceinte, deux paliers 74 et 76 pour porter cet arbre, et deux garnitures sèches 70 et 71 entourant ledit arbre à ses deux traversées de ladite enceinte pour confiner ledit fluide à confiner. Dans cette machine, les garnitures sèches 70 et 71 sont des garnitures du type précédemment décrit, ledit fluide de climatisation étant constitué par ledit fluide à confiner Ledit circuit de climatisation interne audit corps climatisé est alimenté pour cela par un circuit externe d'alimentation de climatisation comportant des tuyaux 91 pour prélever ledit fluide à confiner dans une dite zone à pression relativement haute 90, et des tuyaux 93 pour le restituer dans une dite zone à pression relativement basse 92. -7- REVENDICATIONS 1/ Garniture d'étanchéité sèche pour pièce tournante, caractérisée par le fait que l'un des corps fixe ( 8) et tournant ( 4) qui constituent la garniture est pourvu d'un circuit de climatisation interne ( 9, 9 A, 13). 2/ Garniture selon la revendication 1, comportant: un sous-ensemble fixe ( 8, 7) porté par une pièce fixe ( 3) par rapport à laquelle une pièce tournante ( 1) tourne autour d'un axe (A), et un sous-ensemble tournant ( 4, 5) porté par ladite pièce tournante et coopérant avec ledit sousensemble fixe pour empêcher un fluide à confiner de passer entre ces pièces fixes et tournantes, chacun desdits sous-ensembles fixe ou tournant comportant lui-même, respectivement: un corps fixe ( 8) ou tournant ( 4) porté par ladite pièce fixe ( 3) ou tournante ( 1) en regard dudit corps tournant ou fixe de l'autre dit sous-ensemble, et au moins un premier et un deuxième anneaux d'étanchéité fixes ( 7, 7 A, 7 B) ou tournants ( 5, 5 A, 5 B) portés coaxialement autour dudit axe (A) par ledit corps fixe ou tournant pour coopérer avec lesdits premier et deuxième anneaux d'étanchéité tournant ou fixe de l'autre dit sous- ensemble, de manière à au moins limiter le passage dudit fluide à confiner tout en formant au moins une chambre intermédiaire ( 14, 15) qui comporte deux parois principales ( 16, 17) respectivement formées par les deux dits corps fixe et tournant, et deux parois extrêmes formées l'une ( 7) par l'un au moins desdits anneaux fixe et tournant, cette garniture étant caractérisée par le fait que l'un au moins desdits corps fixe ( 8) et tournant ( 4) comporte un circuit de climati- sation ( 9, 9 A, 13) interne à ce corps et permettant la circulation d'un fluide de climatisation pour que ce corps constitue un corps climatisé ( 8) climatisant à son tour l'un au moins desdits anneaux d'étanchéité ( 7, 7 A, 7 B). 3/ Garniture selon la revendication 2, caractérisée par le fait que ledit corps climatisé ( 8) comporte des ailettes de climatisation ( 11) faisant saillies dans ladite chambre intermédiaire ( 14) à partir de ladite paroi principale ( 16) formée par ce corps, de manière à climatiser un fluide intérieur contenu dans cette chambre pour que ce 8 - fluide climatise à son tour l'un au moins desdits anneaux d'étanchéité ( 5 A, 5 B) et/ou l'autre dit corps fixe ou tournant ( 4). 4/ Garniture selon la revendication 2, caractérisée par le fait qu'un premier, un deuxième et un troisième dits anneaux d'étanchéité fixes ( 7, 7 A, 7 B) et tournants ( 5, 5 A, 5 B) se succèdent selon une direction longitudinale qui est celle dudit axe (A) et qui est celle d'une longueur de ladite garniture, ledit circuit de climatisation interne comportant des canaux aller ( 9) et retour ( 9 A) s'étendant sur une fraction majoritaire de la longueur de ladite garniture, des bornes de raccordement aller ( 10) et retour ( 1 OA) qui permettent de raccorder ces canaux à un circuit externe de fluide de climatisation et qui sont situées dans une face de raccordement ( 8 A) qui est une face longitudinalement extrême dudit corps climatisé ( 8), et des canaux de raccordement interne ( 13) pour raccorder lesdits canaux aller auxdits canaux retour au voisinage d'une face longitudina- lement extrême ( 8 B) de ladite garniture opposée à ladite face de raccordement. / Garniture selon la revendication 4, dans laquelle ladite pièce tournante est un arbre ( 1) portant ledit corps tournant ( 4), ledit corps fixe ( 8) entourant ledit corps tournant et constituant ledit corps climatisé. 6/ Machine tournante comportant des organes de travail ( 22) tournant dans une enceinte ( 30) pour entraîner ou être entraînés par un fluide à confiner dans cette enceinte, un arbre tournant ( 1) s'étendant dans cette enceinte pour porter ces organes de travail, et traversant cette enceinte, au moins un palier ( 24, 26) pour porter cet arbre, un circuit de lubrification comportant des tuyaux aller ( 28) et retour ( 29) pour lubrifier ce palier à l'aide d'un fluide de lubrification, et au moins une garniture sèche ( 20, 21) entourant ledit arbre ( 1) à sa traversée de ladite enceinte pour confiner ledit fluide à confiner, cette machine étant caractérisée par le fait que ladite garniture sèche ( 20) est une garniture selon la revendication 2 ci-dessus, ledit -9- fluide de climatisation étant constitué par ledit fluide de lubrifi- cation. 7/ Machine tournante comportant des organes de travail ( 72) tournant dans une enceinte ( 30) pour entraîner ou être entraînés par un fluide à confiner dans cette enceinte, la pression de ce fluide définissant dans cette enceinte des zones de pression relativement haute ( 90) et des zones de pression relativement basse ( 92), un arbre tournant ( 51) s'étendant dans cette enceinte pour porter ces organes de travail, et traversant cette enceinte, et au moins une garniture sèche ( 70, 71) entourant ledit arbre à sa traversée de ladite enceinte pour confiner ledit fluide à confiner, cette machine étant caractérisée par le fait que ladite garniture sèche ( 70, 71) est une garniture selon la revendication 2 ci-dessus, ledit fluide de climatisation étant constitué par ledit fluide à confiner, ledit circuit de climatisation interne audit corps climatisé étant alimenté par un circuit externe d'alimentation de climatisation compor- tant des tuyaux ( 91) pour prélever ledit fluide à confiner dans une dite zone à pression relativement haute ( 90), et des tuyaux ( 93) pour le restituer dans une dite zone à pression relativement basse ( 92).