Brevet FR2879649A1 — publié le 20060623

Supports de joint abrasables amovibles pour l'étanchéité entre organes de turbine rotatifs et fixes La présente invention concerne les joints entre les organes rotatifs et les organes fixes d'une turbine et plus particulièrement des supports de joint amovibles ayant des surfaces de joint abrasables destinés à assurer l'étanchéité entre les organes rotatifs et les organes fixes d'une turbine. Dans les turbines, en particulier les turbines à vapeur, les joints entre organes rotatifs et fixes constituent une partie critique des performances des turbines à vapeur. On appréciera le fait que plus le nombre et l'amplitude des chemins de fuite de vapeur sont grands, plus les pertes de rendement de la turbine à vapeur sont grandes. Par exemple, les dents de joint à labyrinthe souvent utilisées pour assurer l'étanchéité entre les diaphragmes et le rotor ou entre les bouts d'aubes de rotor et l'enveloppe fixe nécessitent de maintenir des espaces substantiels pour permettre le mouvement radial et le mouvement périphérique pendant les fonctionnement transitoires comme la mise en route et l'arrêt. Bien entendu, ces espaces sont néfastes pour l'étanchéité. Il existe aussi des problèmes de jeux associés aux multiples surfaces de joints indépendantes, à l'empilage des tolérances des espaces radiaux et à l'assemblage de joints multiples, tous ces éléments étant susceptibles de diminuer le rendement de la turbine. En outre, il est souvent difficile de créer des joints qui à la fois augmentent le rendement de la turbine à vapeur et augmentent la capacité d'entretien et de réparation des diverses pièces de la turbine mais aussi de créer des conditions limites répétables connues pour ces pièces. En conséquence, il existe un besoin pour un joint qui élimine ou minimise les problèmes de jeux et d'espaces, qui permette l'assemblage de joints multiples, qui minimise l'empilage des tolérances des espaces radiaux, qui améliore les conditions d'entretien et qui permette un réglage étage par étage des diaphragmes et surfaces de joints voisines en effectuant une maîtrise des espaces améliorée. Dans un mode de réalisation préféré de l'invention, on propose une turbine comportant un organe fixe et un organe rotatif, l'organe fixe comprenant un réseau annulaire d'aubes de stator autour de l'axe de la turbine 2879649 2 et un diaphragme comportant une rainure, le diaphragme incluant un support de joint porté de manière amovible par le diaphragme dans la rainure et comportant une face d'étanchéité en face d'un joint porté par l'organe rotatif, la face d'étanchéité étant faite d'un matériau abrasable qui permet à l'organe rotatif d'abraser de la matière de la face d'étanchéité lors de la réalisation de l'étanchéité entre l'organe rotatif et l'organe fixe. Dans un autre mode de réalisation de l'invention, on propose une turbine comprenant un organe fixe et un organe rotatif, l'organe fixe incluant un diaphragme comportant un réseau annulaire d'aubes de stator autour de l'axe de la turbine, le diaphragme incluant un support de joint porté de façon amovible par le diaphragme, le support de joint ayant une face de joint en face de dents de joint portées par l'organe rotatif, la face de joint étant faite d'un matériau abrasable qui permet à l'organe rotatif d'abraser de la matière de la face d'étanchéité lors de la réalisation de l'étanchéité entre l'organe rotatif et l'organe fixe, le diaphragme comprenant une deuxième face de joint portée par le support de joint le long d'une surface tournée globalement axialement de celui-ci et en face d'une surface de joint portée par le diaphragme, le support de joint étant mobile globalement axialement par rapport au diaphragme pour former un joint entre la surface de joint et la deuxième face de joint, une surface parmi la deuxième face de joint et la surface de joint portant un matériau abrasable qui permet à l'autre surface d'abraser le matériau lorsqu'elle réalise l'étanchéité entre le support de joint et le diaphragme. Avantageusement, ledit support est porté par ledit diaphragme en un emplacement situé radialement à l'intérieur par rapport auxdites aubes, ou à l'extérieur par rapport auxdites aubes. Avantageusement, ledit diaphragme comprend une bague extérieure comportant un prolongement axial qui porte ledit support de joint en un endroit axialement distant desdites aubes. Ledit prolongement peut être porté de manière amovible par ladite bague extérieure de diaphragme. La présente invention sera mieux comprise à la lecture de la description détaillée qui suit, en se référant aux dessins annexés, dans lesquels: la figure 1 est une vue en coupe partielle d'une partie d'une turbine à vapeur illustrant divers joints selon l'art antérieur; 2879649 3 la figure 2 est une vue en coupe partielle agrandie d'une turbine à vapeur qui comprend des supports de joints abrasables amovibles selon un aspect de la présente invention; les figures 3 et 4 sont des illustrations similaires à la figure 2, montrant le support de joint abrasable dans deux aspects différents, respectivement; et la figure 5 est une vue en coupe partielle agrandie d'un support de joint représentatif selon un aspect de la présente invention. Si l'on se réfère à présent aux figures, en particulier à la figure 1, est représentée une partie d'une turbine à vapeur comportant un organe rotatif, par exemple un rotor 10 sur lequel sont montées une pluralité d'aubes espacées de manière périphérique 12 en des positions axiales espacées le long de la turbine formant des parties des divers étages de la turbine et un organe fixe 14 comportant une pluralité de diaphragmes 16 qui supportent des cloisons 18 définissant des distributeurs qui, avec les aubes respectives, forment les différents étages de la turbine. Comme illustré, la bague extérieure 20 du diaphragme 16 porte une ou plusieurs rangée(s) de dents de joint 22 pour assurer l'étanchéité avec les enveloppes ou ceintures 24 au voisinage des bouts des aubes 12. De façon similaire, la bague intérieure 26 du diaphragme 16 supporte un segment de joint arqué 28. Ce segment de joint comporte des dents haut-bas faisant saillie radialement vers l'intérieur 30 pour assurer l'étanchéité avec l'organe rotatif 10. Des joints similaires sont prévus sur les différents étages, comme illustré, et la direction de l'écoulement de vapeur est indiquée par la flèche 32. Concernant la figure 2, les mêmes numéros de référence sont appliqués aux parties identiques à la figure 1, précédés du chiffre 1. Sur la figure 2, un support de joint 140 a une configuration en queue d'aronde et est destiné à être reçu dans une rainure en queue d'aronde globalement complémentaire 142 le long du diamètre intérieur de la bague de diaphragme intérieure 126. En se référant aux figures 2 et 5, le support de joint 140 comporte une paire de rebords s'étendant de manière opposée 144 destinés à être reçus dans des rainures axialement espacées de manière correspondante 146 de la bague de diaphragme intérieure 126. Le support de joint 140 a une partie col 148 qui fait saillie entre des rebords de diaphragme intérieurs 150 radialement vers l'intérieur, vers l'organe rotatif, par exemple le rotor 110. 2879649 4 Comme représenté, l'organe rotatif comprend une pluralité de dents de joint 152. Comme on le voit mieux en figure 5, les surfaces d'étanchéité du support de joint 140 orientées radialement vers l'intérieur sont revêtues d'un matériau abrasable 160. Le matériau abrasable 160 peut être du type décrit et illustré dans le brevet américain n 6 547 522 attribué au présent demandeur. Ainsi, le matériau abrasable peut comprendre une composition ayant un premier composant incluant le cobalt, le nickel, le chrome, l'yttrium et un deuxième composant choisi dans l'ensemble constitué de nitrure de bore hexagonal et d'un polymère. N'importe lequel des matériaux abrasables supplémentaires divulgués dans le brevet US 6 547 522 peut être utilisé de façon similaire dans la présente invention. Comme illustré sur les figures 2 et 5, le matériau abrasable 160 est placé sur les surfaces du support de joint 140 tournées radialement vers l'intérieur en face des dents 152 du rotor 110. Une configuration haut-bas-haut de la surface d'étanchéité du support de joint 140 est illustrée avec des dents bas-haut-bas correspondantes prévues sur le rotor 110. En outre, on appréciera le fait que le support de joint, du fait que le support de joint est situé entre des régions de pressions différentielles sur des côtés axialement opposés du diaphragme, est déplacé dans une direction axiale aval. Afin d'empêcher les fuites de vapeur entre le support de joint 140 et la bague de diaphragme intérieure 126, le matériau abrasable 160 est aussi appliqué sur la face aval 162 du rebord 144 du support de joint pour réaliser l'étanchéité contre la surface aval alignée correspondante de la queue d'aronde 142 de la bague de diaphragme intérieure 126. On appréciera le fait que le matériau abrasable peut aussi être appliqué sur la surface aval alignée de la queue d'aronde 142 plutôt que sur la face 162. En conséquence, l'espace entre le support de joint 140 et les dents de joint 152 peut être réduit et tout chemin de fuite de vapeur autour du support de joint 140 est éliminé ou minimisé. En figure 2 est également représenté un support de joint similaire 170 monté sur un rebord ou prolongement axial aval 174 de la bague de diaphragme extérieure 120. Le support de joint 170 a une configuration à surface d'étanchéité haut-bas-haut orientée radialement vers l'intérieur avec le matériau abrasable 160 appliqué aux surfaces d'étanchéité orientées radialement vers l'intérieur. Les dents 176 portées par le couvercle ou 2879649 5 enveloppe 178 de bout se trouvent en opposition radiale par rapport au matériau abrasable 160 des surfaces d'étanchéité du support 170. Dans les deux aspects des supports de joint, l'espace entre les dents de joint et le matériau abrasable peut être réglé pour supporter les états transitoires. En outre, le chemin de fuite potentiel entre le support de joint et sa structure de support, c'est-à-dire les bagues de diaphragme intérieure ou extérieure 126 et 120, respectivement, est rendu étanche par les surfaces d'étanchéité se faisant face axialement sur le côté aval du support. En se référant à présente à la figure 3, où des numéros de référence identiques sont attribués aux parties similaires de la figure 2, précédés du chiffre 2, l'un ou les deux supports de joint 240 et 270 est rappelé par ressort dans une direction radiale pour emboîter à force le support de joint contre les rebords s'étendant axialement de la bague de support de diaphragme respective. Le ressort 276 peut être un ressort ondulé arqué. Le matériau abrasable est appliqué en une configuration haut-bas-haut en face de dents de joint bas-haut-bas de manière similaire à celle décrite plus haut. De plus, le matériau abrasable est appliqué sur l'assemblage axial aval ainsi que sur un assemblage axial périphérique correspondant dans la surface de joint pour empêcher le contournement de la vapeur autour du support de joint abrasable. La pression de la vapeur applique le support de joint revêtu contre la face vapeur. On appréciera le fait qu'un équipement adapté, non représenté, est prévu au niveau de la jonction médiane horizontale de la turbine à vapeur pour maintenir les supports de joint en rotation. Sur la figure 3, le support de joint 270 est monté sur le rebord ou prolongement 274 qui est intégré à la bague de diaphragme extérieure 220. Le ressort ondulé arqué plat 276 est également représenté. Sur la figure 4, le support de joint 270 est monté sur un rebord séparé 280 qui peut être monté sur la bague de diaphragme extérieure 220 par de nombreux moyens différents comprenant le soudage, le boulonnage, le brasage, l'assemblage à queues d'aronde ou toute autre méthode connue pour assembler diverses pièces d'une turbine à vapeur entre elles. On appréciera le fait que les supports de joint, dans tous les aspects de la présente invention, comprennent des segments arqués qui peuvent être insérés dans une direction globalement périphérique dans les rainures en queue d'aronde. Une fois que les supports de joint ont été 2879649 6 insérés et assemblés au diaphragme, les configurations de joint finales peuvent être usinées ensemble, ce qui réduit l'empilage de tolérances d'espaces radiaux. Liste de pièces organe rotatif 114 organe fixe 116 diaphragme 118 aubes de stator 140 support de joint 152 dents de joint 160 matériau abrasable 162 deuxième joint 240 support 270 support 274 prolongement axial 20 280 prolongement axial REVENDICATIONS 1. Turbine comprenant: un organe fixe et un organe rotatif (110), ledit organe fixe comprenant un diaphragme (116) comportant un réseau annulaire d'aubes de stator (118) autour de l'axe de la turbine, ledit diaphragme comportant une rainure (142), incluant un support de joint (140) porté de manière amovible par ledit diaphragme dans ladite rainure, ledit support de joint ayant une face de joint en face de dents de joint (152) portées par ledit organe rotatif, ladite face de joint étant faite d'un matériau abrasable (160) qui permet audit organe rotatif d'abraser de la matière de ladite face d'étanchéité lors de la réalisation de l'étanchéité entre l'organe rotatif et l'organe fixe. 2. Turbine selon la revendication 1, dans laquelle ledit support de joint (140) est reçu à coulissement dans une direction périphérique dans ladite rainure. 3. Turbine selon la revendication 1, comprenant un ressort entre ledit diaphragme et ledit support de joint pour rappeler le support de joint dans une direction radiale. 4. Turbine selon la revendication 1, comportant un deuxième joint (162) porté par ledit support de joint le long d'une surface orientée globalement axialement de celui-ci et en face d'une surface de joint portée par ledit diaphragme, ledit support de joint 140 étant mobile globalement axialement pour former un joint entre ladite surface de joint et ladite deuxième face de joint. 5. Turbine selon la revendication 4, dans laquelle une surface parmi ladite deuxième face de joint (162) et ladite surface de joint porte un matériau abrasable (160) qui permet à l'autre surface d'abraser ledit matériau lorsqu'elle réalise l'étanchéité entre ledit support de joint et ledit diaphragme. 6. Turbine selon la revendication 1, dans laquelle ladite face de joint dudit support de joint comprend des surfaces espacées radialement et ledit joint comprend des dents de joints espacées radialement portées par ledit organe rotatif destinées à entrer en contact avec le matériau abrasable présent sur lesdites surfaces de joint. 2879649 8 7. Turbine selon la revendication 1, dans laquelle ledit support (240) est porté par ledit diaphragme en un emplacement situé radialement à l'intérieur par rapport auxdites aubes. 8. Turbine selon la revendication 1, dans laquelle ledit support (270) est porté par ledit diaphragme en un emplacement situé radialement à l'extérieur par rapport auxdites aubes. 9. Turbine selon la revendication 1, dans laquelle ledit diaphragme comprend une bague extérieure comportant un prolongement axial (280, 274) qui porte ledit support de joint en un endroit axialement distant desdites aubes. 10. Turbine selon la revendication 9, dans laquelle ledit prolongement (280) est porté de manière amovible par ladite bague extérieure de diaphragme.