Brevet FR2708699A1 — publié le 19950210

Dispositif d'étanchéité pour arbre de machine tournante pressurisée La présente invention concerne la réalisation d'une étanchéité au passage de l'arbre d'une machine tournante pressurisée à travers une enveloppe de cette machine. Il s'agit ici, notamment dtune turbomachine, telle que pompe, compresseur, centrifuge ou axial, turbine etc. La machine est dite ici "pressurisée" si une différence de pression est normalement maintenue entre l'intérieur et l'extérieur de son enveloppe, dans un sens ou dans l'autre, les fuites de fluide au passage de cet arbre à travers l'enveloppe étant alors autant que possible à empêcher. Tel est notamment le cas lorsque la machine traite un gaz de travail dangereux pour le personnel d'exploitation et/ou pour l'environnement, et/ou coûteux et lorsque ce gaz est située à l'intérieur de l'enveloppe sous une pression de service supérieure à la pression atmosphérique. Divers types de dispositifs d'étanchéité sont connus pour limiter le débit de fuite d'un tel gaz. Des labyrinthes dentés peuvent être utilisés seuls en présence de faibles pressions de service lorsqu'un débit de fuite relativement important est acceptable. Ils peuvent aussi être utilisés en association- avec des garnitures d'étanchéité à huile ou sèches. Les garnitures d'étanchéité à huile comportent des garnitures à bagues et des garnitures mécaniques. Elles doivent être munies de circuits d'huile qui doivent être maintenus en fonctionnement tant que la pression de service subsiste, même si la machine est arrêtée. Dans les garnitures à bagues à huile deux organes de garnitures complémentaires sont constitués par deux bagues fixes; l'une dite bague interne, est en contact avec le gaz; l'autre, dite bague externe, sert à calibrer le débit d'huile nécessaire au refroidissement. Ces bagues laissent entre elles et l'arbre un intervalle mince dont l'épaisseur est radiale. L'huile est injectée en permanence dans cet intervalle à une pression légèrement supérieure à la pression de service. Dans les garnitures mécaniques à huile et dans les garnitures sèches deux organes de garniture complémentaires sont angulairement solidaires l'un de l'enveloppe, l'autre de l'arbre et sont constitués par un anneau axialement mobile poussé axialement élastiquement vers un grain axialement fixe. Dans les garnitures mécaniques à huile, l'huile est injectée à l'interface à une pression légèrement supérieure à la pression de service. Dans les garnitures sèches c'est le gaz de travail lui-même qui, sous l'effet de la rotation de l'arbre ou de la pression de service, écarte légèrement l'anneau mobile au grain fixe. A l'arrêt, le débit de fuite du gaz est en général très faible mais existe cependant. C'est pourquoi, afin d'augmenter la sécurité d'exploitation, une garniture supplémentaire de secours à grain tournant et anneau stationnaire, de mêmes caractéristiques que la garniture principale précédemment décrite, est placée à l'aval de celle-ci. Elle assure l'étanchéité en cas de défaillance de la garniture principale et permet l'arrêt en sécurité de la machine. Cette configuration dite "montage tandem" est très couramment utilisée. Il faut noter cependant que 1'encombrement et les masses tournantes deviennent importantes et sont pénalisantes pour les rotors tournant à grande vitesse. La présente invention vise à réaliser d'une manière simple un dispositif d'étanchéité limitant efficacement un débit de fuite, aussi bien dans le cas où une machine du genre ci-dessus est arrêtée pour un motif quelconque et sa pression de service maintenue, que dans le cas où une garniture d'étanchéité de ce dispositif est brutalement détruite et oblige à un arrêt rapide de la machine. Et dans ces buts, elle a pour objet un dispositif d'étanchéité pour arbre de machine tournante pressurisée, ce dispositif étant caractérisé par le fait qu'il comporte un obturateur de secours commandé disposé en série avec une garniture d'étanchéité sur le trajet d'un débit de fuite à limiter. A l'aide des figures schématiques ci-jointes, on va décrire plus particulièrement ci-après, à titre d'exemple non limitatif, comment la présente invention peut être mise en oeuvre. Lorsqu'un même élément est représenté sur plusieurs figures, il y est désigné par un même signe de référence. La figure 1 représente une vue en coupe axiale d'un dispositif d'étanchéité connu configuré en montage tandem. La figure 2 représente une vue en coupe axiale et en schéma par blocs d'un dispositif selon la présente invention. La figure 3 représente une vue à échelle agrandie d'un détail de la figure 2. Conformément à la figure 1 une machine tournante comporte: - une enveloppe 106 séparant un espace intérieur 108 contenant un fluide d'une atmosphère extérieure 110, - et un arbre 112 traversant cette enveloppe par un passage d'arbre 114 et tournant autour d'un axe 116. Un dispositif d'étanchéité de cette machine comporte deux garnitures d'étanchéité sèches 104 et 105 formées dans le passage d'arbre 114 en succession axiale à partir de l'espace intérieur 108. Chacune de ces garnitures comporte - un organe de garniture stationnaire 120, 121 - et un organe de garniture tournant 122, 123 coopèrant avec cet organe de garniture stationnaire pour réaliser une étanchéité. Sur le trajet du débit de fuite ces deux garnitures sont précedées par un labyrinthe 160. Le gaz sous pression est injecté dans la chambre 162 après avoir été filtré pour éviter une détérioration de la garniture 104, à une pression légèrement supérieure à celle du gaz contenu dans l'espace 108. La présence de deux garnitures en série permet notamment de limiter les conséquences de la rupture de l'une d'entre elles. Conformément à la figure 2 une machine tournante pressurisée comporte de manière générale les éléments suivants - Une enveloppe 6. Cette enveloppe sépare un espace intérieur 8 contenant un fluide intérieur sous une pression intérieure d'une atmosphère extérieure 10 contenant un fluide extérieur sous une pression extérieure différant de cette pression intérieure. Typiquement le fluide extérieur est l'air atmosphérique, le fluide intérieur est un gaz coûteux ou dangereux et la pression intérieure présente, par rapport à la pression atmosphérique, un excès constituant une pression de service. - Un arbre 12. Cet arbre traverse l'enveloppe 6 par un passage d'arbre 14 de sorte qu'un débit de fuite d'un dit fluide peut traverser cette enveloppe par ce passage d'arbre et doit être limité. I1 tourne par rapport à cette enveloppe autour d'un axe 7 à une vitesse angulaire qui est égale à une vitesse angulaire normale pendant des périodes de fonctionnement de cette machine et qui est nulle pendant des périodes d'arrêt de cette machine. Les organes de cette machine et de ce dispositif qui restent angulairement stationnaires autour de cet axe par rapport à cette enveloppe seront appelés ci-après "organes stationnaires", les organes de cette machine et de ce dispositif tournant autour de cet axe à la vitesse angulaire de cet arbre étant appelés "organes tournants". Les organes tournants de cette machine incluent - une partie interne tournante 16 dans ledit espace intérieur 8, - et une partie externe tournante 18 dans l'amosphère et reliée par cet arbre à cette partie interne tournante. Le fonctionnement de cette machine est défini par les valeurs de paramètres de fonctionnement. Le dispositif dtétanchéité de cette machine comportent une garniture d'étanchéité 4 formée dans le passage d'arbre 14. Cette dernière comporte essentiellement - un organe de garniture stationnaire 20, - et un organe de garniture tournant 22 coopèrant avec cet organe de garniture stationnaire pour réaliser une étanchéité normale limitant ledit débit de fuite au moins pendant lesdites périodes de fonctionnement. Plus particulièrement, la garniture d'étanchéité 4 est une garniture sèche de type connu. L'organe de garniture stationnaire 20 est un anneau mobile guidé axialement avec étanchéité dans un logement formé dans un porte anneau 19 fixé de manière étanche à l'enveloppe 6. Cet anneau est poussé axialement par un ressort 21 vers un grain 22 fixé à l'arbre 12 et constituant l'organe de garniture tournant. Comme dans des dispositifs connus, cette garniture d'étanchéité est précédée, sur le trajet du débit de fuite, par un labyrinthe 60, et la chambre 62 formée entre ce labyrinthe et la garniture 4 est alimentée en gaz une pression de légèrement supérieure à celle du gaz contenu dans la chambre 8. Ce gaz est soit prélevé dans l'espace intérieur 8 et filtré par des moyens non représentés, soit provient d'une source extérieure à la machine. Il parvient à la chambre 62 par l'intermédiaire d'une vanne 64 qui est fermée lorsque la machine est arrêtée ou lorsque la garniture 4 est détériorée. Conformément à la présente invention le dispositif d'étanchéité comporte en outre un obturateur de secours 2 pouvant présenter une configuration normale et une configuration d'obturation et comportant lui-même un organe d'obturateur stationnaire 24 et un organe d'obturateur tournant 26. Cet organe d'obturateur stationnaire ou cet organe d'obturateur tournant constituent un organe d'obturateur deplaçable 24 apte à effectuer, par rapport à l'enveloppe 6 ou par rapport à l'arbre 12, respectivement, des déplacements faisant passer l'obturateur 2 de l'une à l'autre de ses deux configurations, alternativement. L'autre de ces deux organes d'obturateur stationnaire et tournant constitue un organe d'obturateur complémentaire 22. La configuration normale de l'obturateur laisse l'organe d'obturateur déplaçable à distance de l'organe d'obturateur complémentaire alors que la configuration d'obturation fait coopérer ces deux organes pour réaliser une étanchéité de secours limitant le débit de fuite. Comme les organes de garniture 20 et 22, les organes d'obturateur 24 et 26 présentent la forme d'anneaux de révolution autour de l'axe 7, lesdits déplacements de l'organe d'obturateur déplaçable étant paralèles à cet axe. L'obturateur 2 comporte en outre un actionneur 28 pour entraîner sur commande les déplacements de l'organe d'obturation déplaçable. Il réalise une étanchéité de secours limitant le débit de fuite plus fortement que l'étanchéité normale dans les périodes d'arrêt de la machine. Mais cette étanchéité de secours ne peut être obtenue de manière durable pendant le fonctionnement de la machine, car les organes d'obturateur ne sont aptes à supporter le frottement correspondant que pendant une courte période, celle par exemple qui est nécessaire pour arrêter la machine après une destruction accidentelle de la garniture d'étanchéité 4. Au contraire, cette dernière est conçue de manière connue pour réaliser une étanchéité normale limitant le débit de fuite durablement pendant les périodes de fonctionnement de la machine. Le dispositif d'étanchéité comporte en outre un détecteur d'arrêt 30 sensible aux valeurs des paramètres de fonctionnement de la machine. Ce détecteur commande l'actionneur 28 pour amener l'obturateur 2 dans sa configuration d'obturation lorsque ces valeurs indiquent un arrêt prochain ou réalisé de cette machine. Ce dispositif comporte en outre un détecteur de détérioration 32 sensible à une détérioration de la garniture d'étanchéité 4. Cette sensibilité peut être directe grâce à un capteur situé sur la garniture. Elle peut aussi être indirecte, par exemple par mesure du débit de fuite. Ce détecteur commande l'actionneur 28 pour amener l'obturateur 2 dans sa configuration d'obturation lorsque une telle détérioration se manifeste par un débit de fuite supérieur à un seuil de débit prédéterminé ou lorsque ce détecteur détecte une modification impliquant une probabilité importante que le débit de fuite dépasse prochainement ce seuil. L'actionneur 28 comporte un vérin constitué des éléments suivants - Un corps de vérin 34 forme une cavité de verin. - Un piston de vérin 36 est guidé axialement dans cette cavité de vérin. Une première face motrice 38 de ce piston délimite dans cette cavité une première chambre de verin 40 pour que la pression d'un fluide dans cette chambre applique à ce piston une première poussée axiale. - Enfin des moyens antagonistes 42, 44 permettent d'appliquer à ce piston une deuxième poussée axiale de sens opposé à la première. L'organe d'obturateur déplaçable 24 est porté par ce piston de vérin à l'extérieur de cette cavité. L'actionneur 28 comporte en outre un distributeur 46 commandé pour alimenter ladite première chambre de vérin par au moins un fluide sous une pression commandée. De préférence et comme représenté le vérin est à double effet, c'est-à-dire que lesdits moyens antagonistes comportent une deuxième chambre de vérin 42 délimitée dans ladite cavité par une deuxième face motrice 44 opposée à la première face motrice 38 du piston 36, cette deuxième chambre étant elle aussi alimentée par le distributeur 46. Ce dernier alimente chaque chambre de vérin 40, 42 en la mettant en communication sur commande soit, au moins indirectement, par exemple à travers un filtre, avec l'espace intérieur 8 à l'enveloppe de la machine, soit avec l'atmosphère 10. La communication entre ce distributeur et l'espace intérieur 8 est réalisée à travers le même filtre non représenté que celle entre la chambre 62 et cet espace. Une vanne de sécurité 70 permet de couper cette communication. Les détecteurs 30 et 32 commandent le distributeur 46 par l'intermédiaire d'un circuit de commande commun 68 qui reçoit aussi des signaux d'un autre organe de commande, par exemple manuel, 66. Le circuit 68 commande aussi la vanne 64. Le piston de vérin 36 porte l'organe d'obturateur déplaçable 24 par l'intermédiaire d'un coulisseau 48 guidé axialement dans un logement de ce piston et poussé axialement par un ressort 50 s'appuyant sur ce piston pour limiter une force d'appui axiale de cet organe d'obturateur déplaçable contre l'organe d'obturateur complémentaire 26. De préférence, et comme représenté, l'organe d'obturateur déplaçable 24 et l'actionneur 28 constituent des organes stationnaires de l'obturateur 2. REVENDICATIONS 1) Dispositif d'étanchéité pour arbre de machine tournante pressurisée, ce dispositif étant caractérisé par le fait qu'il comporte un obturateur de secours commandé (2) disposé en série avec une garniture d'étanchéité (4) sur le trajet d'un débit de fuite à limiter. 2) Dispositif d'étanchéité pour arbre de machine tournante pressurisée, selon la revendication 1, ce dispositif étant applicable à une machine comportant - une enveloppe (6) séparant un espace intérieur (8) contenant un fluide intérieur sous une pression intérieure d'une atmosphère extérieure (10) contenant un fluide extérieur sous une pression extérieure différant de cette pression intérieure, - et un arbre (12) traversant cette enveloppe par un passage d'arbre (14) de sorte qu'un débit de fuite d'un dit fluide peut traverser cette enveloppe par ce passage d'arbre et doit être limité, cet arbre tournant par rapport à cette enveloppe autour d'un axe (7) à une vitesse angulaire qui est égale à une vitesse angulaire normale pendant des périodes de fonctionnement de cette machine et qui est nulle pendant des périodes d'arrêt de cette machine, des organes de cette machine et de ce dispositif restant angulairement stationnaires par rapport à cette enveloppe et constituant des organes stationnaires, des organes de cette machine et de ce dispositif tournant autour de cet axe à la vitesse angulaire de cet arbre et constituant des organes tournants, le fonctionnement de cette machine étant défini par les valeurs de paramètres de fonctionnement, - lesdits organes tournants de cette machine incluant - une partie interne tournante (16) dans ledit espace intérieur, - et éventuellement une partie externe tournante (18) dans ladite atmosphère et reliée par cet arbre à cette partie interne tournante, - ce dispositif comportant une garniture d'étanchéité (4) formée dans ledit passage d'arbre (14) et comportant elle-même: - un organe de garniture stationnaire (20), - et un organe de garniture tournant (22) coopérant avec cet organe de garniture stationnaire pour réaliser une étanchéité normale limitant ledit débit de fuite au moins pendant lesdites périodes de fonctionnement, ce dispositif étant caractérisé par le fait qu'il comporte en outre un obturateur de secours (2) pouvant présenter une configuration normale et une configuration d'obturation et comportant lui-même - un organe d'obturateur stationnaire (24), - un organe d'obturateur tournant (26), cet organe d'obturateur stationnaire ou cet organe d'obturateur tournant constituant un organe d'obturateur déplaçable (24) apte à effectuer, par rapport à ladite enveloppe ou par rapport audit arbre, respectivement, des déplacements faisant passer ledit obturateur de l'une à l'autre de ses deux dites configurations, alternativement, l'autre de ces deux organes d'obturateur stationnaire et tournant constituant un organe d'obturateur complémentaire (22), de manière que ladite configuration normale laisse cet organe d'obturateur déplaçable à distance de cet organe d'obturateur complémentaire et que ladite configuration d'obturation fasse coopèrer ces deux organes pour réaliser une étanchéité de secours limitant ledit débit de fuite, - et un actionneur (28) pour entraîner sur commande lesdits déplacements de l'organe d'obturation déplacable. 3) Dispositif selon la revendication 2, caractérisé par le fait que ledit obturateur (2) réalise une étanchéité de secours limitant ledit débit de fuite plus fortement que ladite étanchéité normale dans les périodes d'arrêt de la machine, ladite garniture (4) réalisant une étanchéité normale limitant ce débit de fuite plus durablement que ladite étanchéité de secours pendant les périodes de fonctionnement de la machine. 4) Dispositif selon la revendication 3, caractérisé par le fait qu'il comporte en outre un détecteur d'arrêt (30) sensible aux valeurs desdits paramètres de fonctionnement de la machine et commandant ledit actionneur (28) pour amener ledit obturateur (2) dans sa dite configuration d'obturation lorsque ces valeurs indiquent un arrêt prochain ou réalisé de cette machine. 5) Dispositif selon la revendication 3, caractérisé par le fait qu'il comporte en outre un détecteur de détérioration (32) sensible au moins indirectement à une détérioration de ladite garniture d'étanchéité (4) et commandant ledit actionneur (28) pour amener ledit obturateur (2) dans sa dite configuration d'obturation lorsque une telle détérioration se manifeste par un dit débit de fuite supérieur à un seuil de débit prédéterminé ou lorsque ce détecteur détecte une probabilité qu'un dit débit de fuite dépasse prochainement ce seuil. 6) Dispositif selon la revendication 2, caractérisé par le fait que lesdits organes de garniture et d'obturateur présentent la forme d'anneaux de révolution autour dudit axe (7), lesdits déplacements de l'organe d'obturateur déplaçable étant parallèles à cet axe. 7) Dispositif selon la revendication 6, caractérisé par le fait que ledit actionneur (28) comporte un vérin comportant lui-même - un corps de vérin (34) formant une cavité de verin, - un piston de vérin (36) guidé axialement dans cette cavité de vérin, une première face motrice (38) de ce piston délimitant dans cette cavité une première chambre de vérin (40) pour que la pression d'un fluide dans cette chambre applique à ce piston une première poussée axiale, - et des moyens antagonistes (42, 44) pour appliquer à ce piston une deuxième poussée axiale de sens opposé à la première, ledit organe d'obturateur déplaçable (24) étant porté par ce piston de vérin à l'extérieur de cette cavité, cet actionneur comportant en outre un distributeur (46) commandé pour alimenter ladite première chambre de vérin (40) par au moins un fluide sous une pression commandée. 8) Dispositif selon la revendication 7, caractérisé par le fait que lesdits moyens antagonistes comportent une deuxième chambre de vérin (42) délimitée dans ladite cavité par une deuxième face motrice (44) opposée à ladite première face motrice (38) du piston (36), cette deuxième chambre étant elle aussi alimentée par ledit distributeur (46). 9) Dispositif selon l'une quelconque des revendications 7 et 8, caractérisé par le fait que ledit distributeur (46) alimente chaque dite chambre de verin (40) en la mettant en communication sur commande soit, au moins indirectement, par exemple à travers un filtre, avec ledit espace intérieur (8) à l'enveloppe de la machine soit avec ladite atmosphère (10). 10) Dispositif selon la revendication 7, caractérisé par le fait que ledit piston de vérin (36) porte ledit organe d'obturateur déplaçable (24) par l'intermédiaire d'un coulisseau (48) guidé axialement dans un logement de ce piston et poussé axialement par un ressort (50) s'appuyant sur ce piston pour limiter une force d'appui axiale de cet organe d'obturateur déplaçable contre ledit organe d'obturateur complémentaire (26).