Brevet FR2804486A1 — publié le 20010803

L'invention concerne un dispositif d'étanchéité périphérique d'un élé ment rotatif et en particulier d'une partie d'une machine tournante telle qu'un compresseur centrifuge. Les compresseurs centrifuges sont utilisés depuis de nombreuses années, par exemple dans l'industrie pétrolière ou pétrochimique, pour aug menter la pression d'un fluide gazeux au moyen de la force centrifuge qui est communiquée au fluide gazeux par des roues comportant des aubes montées sur un arbre rotatif du compresseur. L'arbre rotatif du compresseur sur lequel sont fixées les roues est monté à_ l'intérieur d'une enveloppe fixe de compresseur comportant des éléments de guidage du fluide destinés à coopérer avec les roues du compresseur dans lesquelles sont montées les aubes pour constituer des étages du compresseur. Le fluide gazeux circule à l'intérieur de l'enveloppe du compresseur, suivant un parcours allant d'une extrémité d'entrée à basse pression à une extrémité de sortie ou refoule ment à haute pression du compresseur, délimité entre des parties fixes et des parties tournantes du compresseur. Pour limiter la formation de débits parasites de fluide entre les parties fixes et les parties tournantes du compresseur, formant le débit de recircula- tion interne, on doit prévoir, au moins dans certains étages du compresseur, des dispositifs d'étanchéité permettant de limiter ledit débit de recirculation interne. En effet, la réduction du débit de recirculation interne du fluide est un facteur important pour améliorer les performances aérodynamiques du compresseur. On utilise habituellement un premier type de dispositif d'étan chéité dans lequel on impose au fluide, entre une partie fixe et une partie mobile du compresseur, un parcours dans un espace de très grande lon gueur par rapport à sa faible section, ces dispositifs d'étanchéité étant ap pelés dispositifs à labyrinthe. De tels dispositifs peuvent être par exemple constitués par de nombreux éléments de limitation de la circulation du fluide fixés sur une première partie du compresseur et avec un très faible espace ment par rapport à une surface lisse d'une seconde partie du compresseur en vis-à-vis. De tels dispositifs d'étanchéité à labyrinthe peuvent être cons titués par exemple par des éléments, appelés léchettes. De tels dispositifs d'étanchéité à labyrinthe peuvent être disposés, par exemple, autour des ouvertures d'entrée du fluide à la partie centrale des roues du compresseur ou encore autour de l'arbre rotatif du compresseur entre les roues successives du compresseur. On peut utiliser également un second type de dispositif d'étanchéité qui comporte une garniture de joint à structure cellulaire de forme annulaire montée sur une partie fixe du compresseur, autour d'une partie mobile à la périphérie de laquelle on veut réaliser une certaine étanchéité par rapport à la partie fixe. Le second type de dispositif d'étanchéité est utilisé de façon préféren tielle lorsque l'on veut réduire le débit de recirculation ou pour améliorer la stabilité vibratoire des compresseurs, moyenne et haute pressions. Un tel dispositif d'étanchéité est utilisé par exemple entre un piston d'équilibrage axial du compresseur et une partie fixe solidaire de l'enveloppe du compresseur dans sa zone de sortie ou refoulement. En effet, les roues à aubes du compresseur transmettent à l'arbre sur lequel elles sont montées une poussée dans la direction axiale de l'arbre qui doit être compensée. Pour cela, on monte une pièce appelée piston d'équilibrage autour de l'arbre du compresseur dans sa partie voisine du refoulement et on prévoit une chambre à la pression de l'aspiration de fluide entre le piston d'équilibrage et une partie fixe du compresseur voisine de sa partie de refoulement. Pour limiter le passage du fluide entre le piston d'équilibrage et la partie fixe du compresseur, on dispose sur une surface interne de la partie fixe entourant une surface externe du piston d'équilibrage mobile en rotation, une garniture d'étanchéité constituée par un matériau à structure cellulaire constituant une garniture de forme annulaire. Le matériau à structure cellulaire de la garni ture du dispositif d'étanchéité est constitué par de petits éléments tubulaires juxtaposés de direction radiale par rapport à l'élément rotatif tel qu'un piston solidaire de l'arbre. De telles structures cellulaires sont généralement appe lées structures en nids d'abeille. Aussi bien dans le cas des joints à labyrinthe que dans le cas des joints à garniture en nids d'abeille, pour limiter le débit de fuite entre les par ties mobile et fixe du compresseur, il est nécessaire de réduire la section annulaire de passage du fluide entre les surfaces en regard des deux parties du dispositif d'étanchéité et donc de réduire le jeu de fonctionnement entre ces deux surfaces en regard. La réduction du jeu, du fait des effets transitoi res induits lors du fonctionnement du compresseur tend à faire entrer en contact les surfaces en vis-à-vis des deux parties du dispositif d'étanchéité, voire à les faire s'interpénétrer, ce qui produit alors des efforts et des échauffements excessifs pouvant conduire à une fusion des matériaux et à une destruction rapide des pièces constituant les deux parties du dispositif d'étanchéité. De tels effets transitoires dans les compresseurs peuvent être dus à des effets thermiques, des effets centrifuges, des variations de pression du fluide, et/ou des vibrations du rotor liées à des balourds résiduels, notam ment à la traversée des vitesses critiques. On ne connaissait pas jusqu'ici de dispositif et de procédé permettant d'optimiser le jeu entre les deux parties composées de matériaux durs d'un dispositif d'étanchéité périphérique d'un élément d'une machine tournante, pour obtenir à la fois une limitation à un niveau très faible d'un débit de fuite à travers le dispositif d'étanchéité et du risque de détérioration du dispositif d'étanchéité par mise en contact des surfaces en vis-à-vis des deux parties du dispositif d'étanchéité. Le but de l'invention est donc de proposer un dispositif d'étanchéité périphérique d'un élément monté rotatif autour d'un axe, constitué par une surface externe de l'élément rotatif et par une garniture de joint à structure cellulaire de forme annulaire fixée sur un support fixe, dans une disposition coaxiale autour de l'élément rotatif, avec un jeu radial, entre une surface in terne de la garniture et la surface externe de l'élément rotatif, placées en vis- à-vis, ce dispositif permettant à la fois de limiter la fuite entre les surfaces en vis-à-vis de la garniture et de l'élément rotatif et d'éviter une détérioration en service des éléments du dispositif d'étanchéité. Dans ce but, la surface externe de l'élément rotatif est recouverte par une couche abrasive. Afin de bien faire comprendre l'invention, on va décrire, à titre d'exemple, en se référant aux figures jointes en annexe, un mode de réali- sation d'un dispositif d'étanchéité suivant l'invention d'un piston d'équilibrage d'un compresseur rotatif. La figure 1 est une vue en coupe axiale d'un compresseur centrifuge comportant un piston d'équilibrage. La figure 2 est une demi-vue en coupe schématique d'un dispositif suivant l'invention. La figure 3A est une demi-vue en coupe du piston d'équilibrage du compresseur représenté sur la figure 1 comportant un dispositif d'étanchéité suivant l'invention. La figure 3B est une vue suivant B de la figure 3A, d'une partie de la surface interne de la garniture d'étanchéité. Sur la figure 1, on voit un compresseur centrifuge désigné de manière générale par le repère 1 comportant une enveloppe de compresseur 2 dans laquelle est monté rotatif, suivant une direction axiale, un arbre de compres seur 3 sur lequel sont montées des roues à aubes 4. Les roues à aubes 4 coopèrent avec des éléments fixes de profil interne 5 du compresseur 1 pour délimiter un espace de circulation d'un gaz à comprimer, entre une partie d'entrée 2a et une partie de sortie 2b de l'enveloppe de compresseur 2 et pour constituer les étages du compresseur. Entre la première roue à aubes 4a du compresseur et une partie d'entrée 5a de l'enveloppe de compresseur, on réalise une étanchéité dy namique dans une zone 6, pour éviter un retour de gaz au niveau de l'ou verture d'entrée du gaz dans le compresseur constituée par une ouie d'en trée de la première roue 4a. De même, en aval de chacune des roues 4 du compresseur, on réa lise une étanchéité dynamique entre le profil interne 5 du compresseur et l'arbre 3 mobile en rotation supportant les roues du compresseur, dans une zone telle que la zone 7 indiquée sur la figure 1. Pendant le fonctionnement du compresseur, une poussée axiale exercée par les roues du compresseur est transmise à l'arbre 3, de sorte qu'il est nécessaire de prévoir un dispositif de compensation de cette pous sée axiale. On utilise pour cela un piston d'équilibrage 8 solidaire de l'arbre 3 du compresseur dans une partie aval de l'arbre 3, au niveau de la partie de sor tie 2b du compresseur et une chambre basse pression 22. II est nécessaire de réaliser une étanchéité dynamique entre le piston d'équilibrage 8 solidaire de l'arbre 3 du compresseur et une partie fixe 13 du compresseur disposée en vis-à-vis du piston d'équilibrage. On peut ainsi établir une force de compensation entre la face amont et la face aval du piston d'équilibrage 8. De manière à obtenir les meilleurs performances possibles d'une ma chine tournante telle qu'un compresseur centrifuge, il est nécessaire de li miter la recirculation interne de gaz dans la machine tournante et en particu lier de limiter le débit de fuite au niveau de chacun des dispositifs d'étan chéité dynamiques, entre une pièce tournante et une pièce fixe de la ma chine tournante. Le débit de fuite est généralement ramené à l'aspiration du compres seur par une tuyauterie extérieure au compresseur. En particulier, il est nécessaire de limiter le plus possible le débit de fuite entre le piston d'équilibrage solidaire de l'arbre d'un compresseur et la partie fixe de l'enveloppe de compresseur entourant le piston d'équilibrage. On connaît un dispositif d'étanchéité dynamique autour d'une pièce tournante constitué par un élément d'étanchéité de forme générale annulaire disposé autour de la pièce tournante avec un faible jeu diamétral, l'élément annulaire étant constitué par une structure en nid d'abeille enroulée sous forme annulaire et fixé sur un support entourant la pièce tournante. De manière à limiter la fuite entre la pièce tournante et la garniture d'étanchéité annulaire, on limite au maximum le jeu radial de montage entre la surface intérieure de la garniture d'étanchéité annulaire et la surface exté rieure de la pièce tournante. De manière générale, pour augmenter la perte de charge d'un débit de fuite à la traversée du dispositif d'étanchéité, on réalise la surface externe de la pièce tournante et la surface interne de la garniture d'étanchéité dispo sée en vis-à-vis sous une forme en gradins. Sur la figure 2, on a représenté de manière schématique un tel dispo sitif d'étanchéité comportant une garniture à structure cellulaire de forme annulaire disposée autour d'une pièce tournante. Le dispositif d'étanchéité désigné de manière générale par le repère 10 comporte la surface externe 12 en gradins d'une pièce tournante 9 mon tée rotative autour d'un axe 11 et une garniture d'étanchéité 14 à structure cellulaire en nids d'abeille, de forme annulaire fixée sur un support 13, de manière à entourer la surface externe 12 de la pièce tournante 9. La garniture d'étanchéité 14 est constituée par des éléments tubulai res 15 juxtaposés présentant des sections transversales identiques en forme de cellules, les éléments tubulaires 15 étant disposés dans une direction radiale par rapport à la pièce tournante 9, c'est-à-dire avec leurs axes sensi blement perpendiculaires à l'axe de rotation 11 de la pièce tournante 9. De plus, la surface interne 16 de la garniture d'étanchéité fixe 14 présente une forme en gradins correspondant à la forme en gradins de la surface externe 12 de la pièce tournante 9, de manière qu'un espace 17 annulaire ayant une largeur sensiblement constante dans la direction radiale soit délimité entre la surface externe 12 de la pièce tournante 9 et la surface interne de la garni ture d'étanchéité en nids d'abeilles 14. Du fait de la forme en gradins de la surface externe 12 de la pièce tournante et de la surface interne 16 de la garniture d'étanchéité, l'espace annulaire 17 présente des parties successi ves en gradins et une forme étagée qui augmentent la perte de charge d'un débit de fuite 18 entre la garniture d'étanchéité 14 et la pièce tournante 9, à travers le dispositif d'étanchéité 10. De manière générale, la surface externe de la pièce tournante et la garniture d'étanchéité comportent chacune au moins deux gradins disposés en vis-à-vis. De manière à limiter le plus possible le débit de fuite 18 dans l'espace de fuite étagé 17 du dispositif d'étanchéité 10, on prévoit un très faible jeu de montage entre la garniture d'étanchéité 14 et la pièce tournante 9. Dans le cas d'effets transitoires induits lors du fonctionnement de la machine tournante comportant la pièce tournante 9, par exemple dans le cas d'effets thermiques dus à des dilatations différentielles, à des effets de dé placement centrifuge, à des effets de pression et/ou à des vibrations du rotor liées à des balourds résiduels, notamment à la traversée des vitesses criti ques, la surface externe 12 de la pièce tournante 9 peut venir en contact avec la surface interne de la garniture 14. II en résulte des efforts et échauf fements entre les deux pièces en contact frottant, ce qui peut conduire à une fusion des matériaux de la garniture et/ou de la pièce tournante 9 et à une destruction rapide de la garniture et de la surface de la pièce tournante constituant les éléments du dispositif d'étanchéité et ainsi générer des effets dévastateurs à l'intérieur de la machine. Selon l'invention, pour limiter ou éviter Je tels effets et la détérioration des éléments du dispositif d'étanchéité, on recouvre la surface externe 12 de la pièce tournante 9 par une couche 20 de matériau abrasif. Après avoir usiné soigneusement la surface 12 en gradins de la pièce tournante 9, on dépose sur cette surface une fine couche 20 d'un matériau abrasif et on réalise le montage du dispositif d'étanchéité 10 en prévoyant un jeu très faible sinon nul dans la direction radiale entre la surface intérieure de la garniture d'étanchéité annulaire 14 et la surface extérieure 12 de la pièce tournante 9 recouverte de la couche abrasive 20. Lors de la mise en fonctionnement de la machine tournante, le con tact de la couche abrasive 20 de la pièce 9 mise en rotation produit un usi nage d'adaptation de la surface intérieure 16 de la garniture d'étanchéité 14 constituée par les parties d'extrémité radiales internes des éléments tubulai res délimitant les cellules du nid d'abeilles. L'espace annulaire 17 présente alors une largeur radiale exactement adaptée au fonctionnement de la machine tournante, c'est-à-dire un espace annulaire dont la largeur radiale est égale au jeu minimal permettant une rotation sans frottement de la pièce tournante 9 dans la garniture d'étan chéité 14. Dans le cas d'un fonctionnement en transitoire se traduisant par un déport de la surface externe 12 de la pièce tournante 9 dans la direction ra diale, un usinage supplémentaire de la surface interne de la garniture 14 par la couche abrasive 20 permet d'adapter le jeu radial et la largeur de l'espace 17 au fonctionnement transitoire de la machine tournante. On obtient alors le jeu de fonctionnement minimal pour éviter tout risque de détérioration du dispositif d'étanchéité et du rotor de la machine tournante, lors des phases transitoires de fonctionnement. . Dans le cas d'une pièce tournante en acier, tel que l'arbre d'une ma chine tournante ou le piston d'équilibrage de forme annulaire solidaire de l'arbre d'un compresseur centrifuge, la surface de la pièce tournante en acier peut être revêtue d'une couche abrasive constituée par exemple par un car bure de chrome Cr3C2 qui peut être déposée par un procédé de projection à grande vitesse couramment utilisé, ou encore par un carbure de silicium, un carbure de titane ou un carbure de bore. Le. matériau abrasif pourrait être également un oxyde de chrome ou de silicium. Le matériau abrasif peut être également constitué par un mélange d'alumine et de dioxyde de titane (A1203 + Ti02) ou encore d'alumine et de dioxyde de zirconium déposé sur une sous-couche en nickel-chrome dépo sée par projection au plasma sur la surface en acier de la pièce tournante. La couche abrasive pourrait être constituée également de l'un au moins des matériaux suivants : nitrure de silicium, nitrure de titane, nitrure de bore. La couche abrasive peut être constituée, de manière générale, par l'un au moins des matériaux qui ont été mentionnés, ces matériaux pouvant être utilisés séparément ou de manière combinée. La couche abrasive doit présenter, de manière générale, une micro- dureté et une rugosité appropriées à un usinage satisfaisant de la surface interne de la garniture d'étanchéité en nids d'abeille. De manière générale, la couche abrasive 20 recouvrant la surface externe 12 de la pièce tournante 9 doit présenter une dureté sensiblement supérieure à la dureté du matériau constituant la garniture 14 en nids d'abeille. Sur la figure 3A, on a représenté l'application du dispositif d'étan chéité suivant l'invention au piston d'équilibrage 8 solidaire de l'arbre rotatif 3 d'un compresseur centrifuge tel que représenté sur la figure 1. Le piston d'équilibrage 8 et le support 21 de la garniture d'étanchéité 14, réalisés l'un et l'autre sous forme annulaire, sont montés dans une dis position coaxiale autour de l'arbre 3. Le dispositif d'étanchéité intercalé entre le piston d'équilibrage 8 et le support fixe 21 ainsi que ses éléments constitutifs seront désignés par les mêmes repères que les éléments correspondants représentés sur la figure 2 et décrits plus haut. Le dispositif d'étanchéité 10 comporte une garniture d'étanchéité 14 de forme annulaire constituée par un matériau cellulaire du type en nids d'abeille réalisé en un matériau métallique, par exemple un acier inoxydable austénitique ou un alliage de nickel tel qu'un Hastelloy. Sur la figure 3B, on a représenté la structure du matériau de la garni ture d'étanchéité 14 qui comporte des cellules juxtaposées à section hexa gonale constituées par des éléments tubulaires 15 dont les axes sont de direction radiale par rapport à la garniture 14 de forme annulaire. La surface externe 12 du piston d'équilibrage 8 et la surface interne 16 de la garniture d'étanchéité 14 sont. réalisées sous une forme en gradins ou forme étagée, de telle sorte qu'un espace annulaire de très faible largeur dans la direction radiale soit ménagé entre la surface interne 16 de la garni ture 14 et la surface externe 12 du piston d'équilibrage 8. L'usinage et le montage des surfaces en vis-à-vis de la garniture d'étanchéité 14 et du piston d'équilibrage 8 sont réalisés de manière à déli miter des chambres annulaires 17a ayant une largeur dans la direction ra diale sensiblement supérieure à la largeur de l'espace annulaire 17 au ni veau de chacun des gradins des surfaces 12 et 16 en vis-à-vis, ces cham bres annulaires 17a étant disposées au niveau des zones d'extrémité des gradins. La surface externe 12 du piston d'équilibrage 8 en acier est recou verte d'une couche abrasive 20 qui peut être réalisée selon l'un des modes de réalisation décrits plus haut. L'invention permet de limiter à un niveau très faible le débit de fuite entre le piston d'équilibrage et la partie fixe de sortie du compresseur. On peut ainsi contrôler et maîtriser les performances du compresseur, du fait de cette diminution des fuites, tout en garantissant une bonne stabilité dynamique du compresseur. L'invention ne se limite pas aux modes de réalisation qui ont été dé crits. La garniture d'étanchéité en nids d'abeilles peut présenter toute forme voulue et être réalisée en tout matériau compatible avec le fluide gazeux en circulation dans le compresseur. La couche abrasive sur la pièce tournante telle qu'un piston d'équili brage peut présenter une composition différente des compositions décrites, pour obtenir des propriétés adaptées à un usinage satisfaisant de la surface intérieure de la garniture en nids d'abeilles. La couche abrasive peut être réalisée sur la surface extérieure de la pièce tournante par tout procédé de revêtement, d'inclusion de particules abrasives dans la surface de la pièce tournante ou encore par tout procédé d'usinage mécanique, chimique, thermique ou par des rayonnements de haute énergie, réalisé sur la surface externe de la pièce tournante. De manière générale, l'invention s'applique à la réalisation d'une étanchéité entre une pièce tournante et une pièce fixe, quelle que soit la fonction de la pièce tournante et de la pièce fixe. REVENDICATIONS 1.- Dispositif d'étanchéité périphérique d'un élément (8, 9) monté ro tatif autour d'un axe (11 ), constitué par une surface externe (12)@de l'élément rotatif (8, 9) et par une garniture de joint (14) à structure cellulaire de forme annulaire fixée sur un support (13, 21), dans une disposition coaxiale autour de l'élément rotatif (8, 9), avec un jeu radial (17) entre une surface interne (16) de la garniture (14) et la surface externe (12) de l'élément rotatif (8, 9), placées en vis-à-vis, caractérisé par le fait que la surface externe (12) de l'élément rotatif (8, 9) est réalisé sous une forme abrasive. 2.- Dispositif suivant la revendication 1, caractérisé par le fait que la surface externe (12) de l'élément rotatif (8, 9) est recouverte par une couche de matériau abrasif. 3.- Dispositif suivant la revendication 2, caractérisé par le fait que la couche de matériau abrasif est constituée par l'un au moins des composants suivants : carbure de chrome (Cr3C2), carbure de silicium, carbure de titane, carbure de bore, oxyde de chrome, oxyde de silicium. 4.- Dispositif suivant la revendication 2, caractérisé par le fait que la couche en matériau abrasif est constituée par un mélange d'alumine (A1203) et de dioxyde de titane (Ti02) ou de zirconium et fixée sur une sous-couche en nickel-chrome déposée par projection au plasma sur la surface externe (12) de l'élément rotatif (8, 9). 5.- Dispositif suivant la revendication 2, caractérisé par le fait que la couche en matériau abrasif est constituée par l'un au moins des matériaux suivants : nitrure de silicium, nitrure de titane, nitrure de bore. 6.- Dispositif suivant l'une quelconque des revendications 1 à 5, ca ractérisé par le fait que la surface externe (12) de l'élément rotatif (8, 9) et la surface interne (16) de la garniture de joint (14) sont réalisées sous forme étagée et comportent chacune au moins deux gradins en vis-à-vis les uns des autres. 7.- Dispositif suivant l'une quelconque des revendications 1 à 6, ca ractérisé par le fait que l'élément rotatif (8, 9) est constitué par un piston d'équilibrage d'un compresseur centrifuge et que le support (21) réalisé sous forme annulaire est fixé sur une partie de sortie (2b) de l'enveloppe fixe du compresseur centrifuge (1).