Brevet FR2902854A1 — publié le 20071228

B07-2060FR Société dite : GENERAL ELECTRIC COMPANY. ANNEAU DE GARNITURE A ESPACEMENT VARIABLE ET PROCEDE POUR ACTIONNER CELUI-CI Invention de : FEENY Sean Douglas Priorité d'une demande de brevet déposé aux Etats-Unis d'Amérique le 27 Juin 2006 sous le n 11/426.739 1 ANNEAU DE GARNITURE A ESPACEMENT VARIABLE ET PROCEDE POUR ACTIONNER CELUI-CI La présente invention concerne d'une façon générale des anneaux de garnitures utilisés dans des machines tournantes et, plus particulièrement, des anneaux de garnitures à espacement variable utilisés dans des machines tournantes telles que des turbines à vapeur. Dans des machines tournantes telles que des turbines à vapeur, des joints d'étanchéité sont disposés entre les pièces tournantes et les pièces fixes. Par exemple, dans les turbines à vapeur, on emploie ordinairement une pluralité de segments arqués d'anneaux de garnitures (portant des éléments à labyrinthe) pour former un joint à labyrinthe autour et entre les pièces fixes et les pièces tournantes. Ordinairement, les segments arqués d'anneaux d'étanchéité sont disposés dans une gorge annulaire de la pièce fixe, de manière concentrique autour de l'axe de rotation de la machine, et donc de manière concentrique par rapport à la surface d'étanchéité de la pièce tournante. La fonction d'étanchéité est obtenue en créant un écoulement turbulent d'un fluide moteur tel que de la vapeur lorsque celui-ci passe par les espaces relativement étroits à l'intérieur du labyrinthe défini par les dents de la face du joint et par la surface opposée de la pièce tournante. Pour éviter que le rotor et l'anneau de garniture ne soient endommagés pendant des conditions transitoires telles que le démarrage et l'arrêt, on a utilisé des anneaux de garnitures à espacement variable. Ordinairement, les anneaux de garnitures à espacement variable emploient des ressorts qui sollicitent et maintiennent les segments d'anneaux dans des positions fortement espacées au cours de conditions transitoires. Lorsqu'elles sont disposées dans des positions à grand espacement, les faces d'étanchéité portées par les anneaux de garnitures sont espacées sensiblement vers l'extérieur de la pièce tournante, ce qui évite un contact entre les segments et le rotor. Au démarrage de la machine, le fluide moteur (vapeur) à l'intérieur des gorges de la pièce fixe est mis sous pression. La présence du fluide sous pression dans les gorges provoque une accumulation de pression. Cette accumulation de pression amène les segments à se déplacer vers l'intérieur à l'encontre de la sollicitation exercée par les ressorts, vers des positions intérieures ou de faible espacement. Lorsque la pression dans la gorge surpasse la sollicitation antagoniste exercée par les ressorts, les faces d'étanchéité des segments créent un joint à labyrinthe voulu avec le rotor. Les ressorts servant à pousser les segments vers les positions de grand espacement sont ordinairement situés dans la gorge annulaire, disposés entre une partie d'accrochage du segment d'anneau de garniture et un épaulement de mise en place de l'enveloppe. Des ressorts disposés dans cette zone relativement petite de la gorge annulaire peuvent être difficiles à installer, surtout dans les dispositifs de turbines les plus petits. De plus, une grande partie d'accrochage par rapport aux dimensions des autres pièces de l'anneau est nécessaire. Cette petite zone et cette grande partie d'accrochage risquent de rendre difficile l'assemblage des anneaux et de l'enveloppe. Ainsi, il serait souhaitable de disposer le ressort de sollicitation dans une zone plus spacieuse de la gorge, en permettant une partie d'accrochage moins encombrante et un assemblage plus facile des anneaux et de l'enveloppe. Il est décrit un anneau de garniture à espacement variable comprenant une pluralité de segments arqués d'anneaux de garniture, disposés les uns à la suite des autres, une pluralité d'interfaces avec un élément de sollicitation, définie par ladite pluralité de segments arqués d'anneaux de garniture, et un élément de sollicitation coopérant avec une interface de ladite pluralité d'interfaces sur un segment parmi la pluralité de segments arqués et avec une interface de ladite pluralité d'interfaces sur un adjacent appartenant à ladite pluralité de segments arqués. Dans le dispositif, chaque segment de la pluralité de segments arqués d'anneaux de garniture peut définir deux interfaces d'éléments de sollicitation. Dans le dispositif, l'élément de sollicitation peut comprendre une pluralité d'éléments de sollicitation, deux de la pluralité d'éléments de sollicitation pouvant coopérer avec chaque segment de ladite pluralité de segments arqués d'anneaux de garniture par l'intermédiaire desdites deux interfaces d'éléments de sollicitation définies par chaque segment de la pluralité de segments. Dans le dispositif, chaque segment de la pluralité de segments arqués 30 d'anneaux de garniture peut être associé avec chaque segment arqué adjacent d'anneau de garniture par l'intermédiaire de la pluralité d'éléments de sollicitation. Dans le dispositif, l'élément de sollicitation peut être un ressort de tension. Il est également décrit un procédé pour actionner un anneau de garniture à espacement variable, dans lequel on sollicite au moins un segment parmi une 35 pluralité de segments arqués d'anneaux de garniture vers une position d'espacement au moyen d'un élément de sollicitation coopérant avec ledit au moins un segment parmi une pluralité de segments arqués d'anneaux de garniture et avec un segment adjacent parmi une pluralité de segments arqués d'anneaux de garniture. On peut également maintenir ledit au moins un segment parmi une pluralité de segments arqués d'anneaux de garniture dans ladite position d'espacement pendant des états transitoires d'une machine tournante. L'invention sera mieux comprise à l'étude de la description détaillée d'un mode de réalisation pris à titre d'exemple non limitatif et illustré par les dessins annexés, sur lesquels : la Fig. 1 est une vue partielle en coupe représentant un schéma d'une machine tournante selon l'art antérieur ; la Fig. 2 est une vue en coupe axiale représentant un schéma d'un agencement d'anneaux de garniture à espacement variable ; la Fig. 3 est une vue en coupe radiale représentant un schéma de 15 l'agencement d'anneaux de garniture à espacement variable de la Fig. 2, suivant la ligne 3-3, en position d'ouverture ; la Fig. 4 est une vue en coupe radiale représentant un schéma de l'agencement d'anneaux de garniture à espacement variable de la Fig. 2, suivant la ligne 3-3, en position de fermeture ; 20 la Fig. 5 est une vue en coupe axiale représentant un schéma d'un agencement d'anneaux de garniture à espacement variable, montrant des éléments de sollicitation qui ne touchent pas une enveloppe ; et la Fig. 6 est un schéma de principe illustrant un procédé pour actionner un anneau de garniture à espacement variable. 25 Pour plus de clarté est représentée en perspective, sur la Fig. 1, une partie d'une machine tournante (par exemple, une turbine à vapeur) désignée globalement par le repère 10, ayant un organe tournant 12 au moins partiellement disposé dans une enveloppe 14, l'organe tournant 12 étant supporté de manière à pouvoir tourner 30 par des moyens classiques, non représentés, à l'intérieur de l'enveloppe 14. Un joint labyrinthe 16 à plusieurs étages, comportant une pluralité d'anneaux 18, 20 et 22 de garniture, est disposé autour de l'organe tournant 12, en séparant des régions de haute et de basse pression, respectivement 28 et 30. Chaque anneau de garniture est constitué par un ensemble annulaire de segments arqués 32 d'anneaux de garniture. 35 Chaque segment 32 d'anneau de garniture a une surface d'étanchéité 34 à dents saillantes radiales 36 servant à arrêter partiellement la vapeur circulant de la région 28 à haute pression à la région 30 à basse pression. L'enveloppe 14, brièvement évoquée plus haut, comporte une gorge annulaire 42 globalement en forme de queue d'aronde. La gorge annulaire 42 est ménagée le long des parties radialement les plus internes de l'enveloppe 14, définies par une paire d'épaulements de positionnement 44 qui s'étendent axialement l'un vers l'autre en définissant entre eux une rainure 46. Un étranglement 48 de chaque segment 32 relie les crochets de positionnement 40 à la surface d'étanchéité 34 et s'étend à travers la rainure 46. Il est entendu que les segments 32 peuvent consister en segments d'anneaux de garniture à espacement variable qui sont mobiles entre des positions de grand espacement, et des positions de petit espacement, à étanchéité, par rapport à l'organe tournant 12. Dans un anneau de garniture à espacement variable classique, un élément de sollicitation (non représenté) tel qu'un ressort peut se trouver entre au moins un des épaulements de positionnement 44 de l'enveloppe 14 et les crochets 40 des anneaux de garniture 18, 20 et 22. L'installation de l'élément de sollicitation entre ces pièces peut être difficile, surtout dans les dispositifs de turbines plus petits, et risque de nécessiter, pour être efficace des crochets trop grands et encombrants. On va maintenant examiner un agencement 100 d'anneau de garniture à espacement variable qui permet la mise en place d'un élément de sollicitation à distance de la position évoquée plus haut entre les épaulements de positionnement 44 et les crochets 40 d'anneaux de garniture. En référence aux figures 2, 3 et 4, l'agencement 100 d'anneaux de garniture à espacement variable qui y est représenté comprend une pluralité de segments arqués 102a-f d'anneaux de garniture et une enveloppe 104, chacun étant destiné à servir dans une machine tournante. Les segments 102a-f sont disposés les uns à la suite des autres pour former un volume annulaire 105, chaque segment comportant une partie d'étanchéité 106, un étranglement 108 et une tête 110. La tête 110 peut être disposée dans une gorge annulaire 112 définie par l'enveloppe 104, qui comporte un premier épaulement de positionnement 114, un second épaulement de positionnement 116 et une surface 118 d'un élément de sollicitation. En outre, l'agencement 100 comprend au moins un élément de sollicitation 120a-f, qui peut associer au moins un des différents segments 102a-f d'anneaux de garniture à la surface 118 d'éléments de sollicitation de l'enveloppe 104, comme représenté sur la Fig. 2. Dans un exemple de forme de réalisation, la tête 110 de chaque segment 102a-f d'anneau de garniture définit au moins une interface 121 d'éléments de sollicitation, comportant une cavité 122a-b pour ressort et au moins un bossage 124a-b pour ressort. Les cavités pour ressorts et les bossages pour ressorts se combinent pour former une pluralité de structures en T 125, comme représenté sur la Fig. 2. Les cavités 122a-b pour ressorts de chaque tête 110 sont conçues de manière à pouvoir s'associer avec une première extrémité 126 d'anneau ou une seconde extrémité 128 d'anneau de chacun des éléments de sollicitation 120a-f. Les premières extrémités 126 d'anneaux et les secondes extrémités 128 d'anneaux des éléments de sollicitation 120a-f peuvent être disposées dans les cavités 122a-b pour ressorts de façon à permettre une proximité au moins partielle par rapport aux bossages 124a-b pour ressorts. Sur la Fig. 2, cette proximité est illustrée entre les extrémités 126 et 128 d'anneau et une surface 130 de cavité des bossages 124a-b pour ressorts. Comme représenté également sur la Fig. 2, en plus d'associer chaque segment à la surface 118 d'élément de sollicitation de l'enveloppe 104, les éléments de sollicitation 120a-f associent également les uns aux autres les segments adjacents 102a-f d'anneaux de garniture. Par exemple, l'élément de sollicitation 120a associe le segment 102a d'anneau de garniture au segment 102b d'anneau de garniture, tout en associant également les deux segments 102a et 102b d'anneaux de garniture à la surface 118 d'élément de sollicitation de l'enveloppe 104 au niveau du point d'association 132. De même, l'élément de sollicitation 120f associe le segment 102a d'anneau de garniture au segment 102f d'anneau de garniture tout en associant les deux segments 102a et 102f d'anneau de garniture à la surface 118 d'élément de sollicitation de l'enveloppe 104 au niveau du point d'association 132. Ainsi, le segment 102a d'anneau de garniture est associé à chaque segment (102b et 102f) auquel il est adjacent, tout en étant également associé à la surface 118 d'élément de sollicitation de l'enveloppe 104 par l'intermédiaire d'au moins un élément de sollicitation, dans ce cas les éléments de sollicitation 120a et 120f. Il faut souligner que les éléments de sollicitation 120a-f peuvent être n'importe quel type de ressorts, par exemple des ressorts de tension (incluant des ressorts de torsion ou plats), qui servent à solliciter les structures d'anneaux de garniture 102a-f vers la surface 118 d'éléments de sollicitation de l'enveloppe 104 (ce qui sera examiné plus en détail par la suite), et à les écarter de l'organe tournant 133. Il faut également souligner que, bien que les figures représentent six segments 102a-f d'anneau de garniture constituant l'ensemble annulaire 105, l'ensemble annulaire 105 peut comporter n'importe quel nombre de segments supérieur ou égal à deux. Considérant en particulier les figures 3 et 4, on va maintenant examiner la manière dont fonctionne le dispositif 100. Sur la Fig. 3, le segment 102a d'anneau de garniture est représenté en position d'ouverture ou d'espacement 134, ce qui se produit alors que la machine tournante est dans un état transitoire. Le segment 102a est "tiré" jusque dans cette position 134 par l'intermédiaire des éléments de sollicitation 120a et 120f. Bien que seul l'élément de sollicitation 120a soit représenté sur les figures 3 et 4, l'élément de sollicitation 120f, ainsi que les autres éléments de sollicitation 120b-e, coopéreront avec les segments 102a-f auxquels ils s'associent de la même manière que l'élément de sollicitation 120a coopère avec le segment 102a sur les figures 3 et 4. Dans un exemple de forme de réalisation, l'élément de sollicitation 120a tire le segment 102a vers la surface 118 d'élément de sollicitation de l'enveloppe 104 (et l'écarte de l'organe tournant 133) du fait de son association avec la cavité 122b pour ressort et le bossage 124b pour ressort du segment 102a, et de son association avec la cavité 122a pour ressort et le bossage 124b pour ressort du segment 102a (l'association avec le segment 102b n'étant représentée que sur la Fig. 2). Considérant la Fig. 2, l'élément de sollicitation 120a (ainsi que le reste des éléments de sollicitation 120b-f) se présente sous la forme d'un ressort de tension plat dont les extrémités 126 et 128 ont été repoussées ou "écartées" d'une position de repos à plat en direction de l'ensemble annulaire 105. Pendant qu'elle est en position "écartée" (comme représenté sur la Fig. 2), la première extrémité 126 d'anneau peut être disposée dans la cavité 122b pour ressort (au voisinage immédiat du bossage 124b pour ressort) du segment 102a, et la seconde extrémité 128 d'anneau peut être disposée dans la cavité 122a pour ressort (au voisinage immédiat du bossage 124a pour ressort) du segment 102b. Puisque les extrémités 126 et 128 de l'élément de sollicitation/ressort 120a ont tendance à reculer vers la position de repos à plat (en direction de la surface 118 de l'élément de sollicitation), il en résulte une force 136 appliquée par la première extrémité 126 de l'anneau et la seconde extrémité 128 de l'anneau sur les bossages respectifs 124b et 124a respectifs pour ressort. Cette force créée 136 tire les segments 102a et 102b (comme représenté en référence à 102a sur la Fig. 3) vers la surface 118 d'élément de sollicitation de l'enveloppe 104, en éloignant la partie d'étanchéité 106 des segments 102a et 102b par rapport à l'organe tournant 133. Les segments 102a et 102b sont tirés dans cette direction jusqu'à ce que les parties d'étanchéité 106 des segments 102a et 102b (seul 102a étant représenté sur la Fig. 3) viennent au contact d'une surface inférieure correspondante 138 des épaulements de positionnement 114 et 116 de l'enveloppe 104. Ainsi, comme illustré sur la Fig. 3, le segment 102a peut être maintenu dans la position d'ouverture 134 pendant des états transitoires de la machine tournante. On notera que, bien que seul 102a soit représenté sur la Fig. 3, dans un exemple de forme de réalisation, chaque segment 102a-f sera maintenu dans cette position d'ouverture 134 pendant des états transitoires de la machine tournante. Considérant maintenant la Fig. 4, sous l'effet de conditions de fonctionnement de la machine tournante, un agent fluide (tel que de la vapeur) pénètre dans la gorge annulaire 112, en créant une force 140 de pression de vapeur agissant sur la tête 110 du segment 102a (ainsi que des autres segments 102b-f), la force 140 de pression de vapeur étant opposée à la force résultante 136 créée par l'élément de sollicitation 102a. La force 140 de pression de vapeur surpasse la force résultante 136 et "pousse" le segment 102a vers l'organe tournant 133 en permettant à la partie d'étanchéité 106 du segment 102a de créer une étanchéité avec les organes tournants, et en plaçant en position de fermeture 142 le segment 102a (ainsi que le reste des segments 102b-f). Lorsque survient l'état transitoire suivant de la machine tournante, la pression de vapeur se dissipe et les éléments de sollicitation 120a-f font à nouveau venir les segments 102a-f dans la position d'ouverture 134. En référence à la Fig. 5, on notera que les éléments de sollicitation 120a-f peuvent associer les uns aux autres les segments adjacents 102a-f d'anneaux de garniture sans également toucher l'enveloppe 104. Comme représenté sur cette figure, les éléments de sollicitation 120a-f peuvent écarter les segments 102a-f par rapport à l'organe tournant 133 (non représenté sur la Fig. 5) sans associer les segments 102a-f à l'enveloppe 104. Comme ci-dessus et dans un exemple de forme de réalisation, les éléments de sollicitation 120a-f peuvent être des ressorts plats qui sont "écartés" de la position de repos. En référence à la Fig. 6, un procédé 200 pour actionner un agencement d'anneaux de garniture à espacement variable est illustré et comprend une étape consistant à solliciter au moins un segment 102a-f d'anneau de garniture vers une position d'espacement 134 en direction d'une surface 118 d'élément de sollicitation d'une enveloppe 104, par l'intermédiaire d'au moins un élément de sollicitation 120a- f, comme illustré par le bloc opérationnel 202, au moins un des segments 102a-f d'anneaux de garniture pouvant être maintenu dans la position d'espacement 134 pendant des états transitoires de la machine tournante. Les éléments de sollicitation 120a-f peuvent exécuter cette sollicitation du fait de l'association entre une extrémité 110 de cavité d'au moins un des segments 102a-f d'anneaux de garniture et la surface 118 d'élément de sollicitation de l'enveloppe 104, et/ou l'association de segments adjacents 102a-f d'anneaux de garniture (dans un ensemble annulaire 105 constitué par les segments 102a-f) les uns avec les autres. Le procédé 200 comprend également une étape consistant à solliciter au moins un segment parmi plusieurs segments arqués 102a-f d'anneaux de garniture vers une position d'espacement 134 par l'intermédiaire d'un élément de sollicitation 120a-f coopérant avec au moins un des différents segments arqués 102a-f d'anneaux de garniture et d'un segment adjacent parmi les différents segments arqués 102a-f d'anneaux de garniture, comme illustré par le bloc opérationnel 202. Il faut souligner que les éléments de sollicitation 120a-f peuvent maintenir les segments 102a-f dans la position d'espacement 134 pendant des états transitoires d'une machine tournante. Sauf indication contraire, toute utilisation des termes premier, second, etc. ne signifie aucun ordre d'importance, mais au contraire les termes premier, second, etc. servent à distinguer un élément d'un autre. LISTE DES REPERES 10 Partie d'une machine tournante 12 Organe tournant 14 Enveloppe 16 Joint labyrinthe à plusieurs étages 18, 20, Pluralité d'anneaux de garniture 22 28 Zone de haute pression 30 Zone de basse pression 32 Segment arqué d'anneau de garniture 34 Surface d'étanchéité 36 Dents radiales saillantes 40 Crochets de positionnement 42 Gorge annulaire 44 Epaulements de positionnement 46 Encoche 48 Etranglement 100 Agencement d'anneaux de garniture 102a-f Pluralité de segments d'anneaux de garniture 104 Enveloppe 105 Ensemble annulaire 106 Partie d'étanchéité 108 Etranglement 110 Tête 112 Gorge annulaire 114 Premier épaulement de positionnement 116 Second épaulement de positionnement 118 Surface d'élément de sollicitation 120a-f Eléments de sollicitation 121 Interface d'éléments de sollicitation 122a-b Cavités pour ressorts 124a-b Epaulements pour ressorts 125 Structures en T 126 Première extrémité d'anneau 128 Seconde extrémité d'anneau 1301 Surface de cavité 132 Point d'association 133 Organe tournant 134 Position d'ouverture ou d'espacement 136 Force résultante 138 Surface inférieure correspondante 140 Force de pression de vapeur 142 Position fermée 200 Procédé pour actionner un agencement d'anneaux de garniture à espacement variable 202 Bloc opérationnel Revendications 1. Anneau de garniture à espacement variable, comprenant : une pluralité de segments arqués (102a-f) d'anneaux de garniture disposés les uns après les autres ; une pluralité d'interfaces (121) d'éléments de sollicitation définies par ladite pluralité de segments arqués (102a-f) d'anneaux d'étanchéité ; et un élément de sollicitation coopérant avec une interface de ladite pluralité d'interfaces (121) sur un segment parmi ladite pluralité de segments arqués (102a-f) et avec une interface de ladite pluralité d'interfaces (121) sur un segment adjacent appartenant à ladite pluralité de segments arqués (102a-f). 2. Dispositif selon la revendication 1, dans lequel chaque segment de ladite pluralité de segments arqués (102a-f) d'anneaux de garniture définit deux interfaces (121) d'éléments de sollicitation. 3. Dispositif selon la revendication 2, dans lequel ledit élément de sollicitation comprend une pluralité d'éléments de sollicitation (120a-f), deux de ladite pluralité d'éléments de sollicitation coopérant avec chaque segment de ladite pluralité de segments arqués (102a-f) d'anneaux de garniture par l'intermédiaire desdites deux interfaces (121) d'éléments de sollicitation définies par chaque segment de ladite pluralité de segments arqués (102a-f). 4. Dispositif selon la revendication 3, dans lequel chaque segment de ladite pluralité de segments arqués (102a-f) d'anneaux de garniture est associé avec chaque segment arqué adjacent (32) d'anneau de garniture par l'intermédiaire de ladite pluralité d'éléments de sollicitation (120a-f). 5. Dispositif selon la revendication 1, dans lequel ledit élément de sollicitation (120a-f) est un ressort de tension. 6. Procédé pour actionner un anneau de garniture (200) à espacement variable, dans lequel on sollicite au moins un segment parmi une pluralité de segments arqués (102a-f) d'anneaux de garniture jusqu'à une position d'espacement (134) par l'intermédiaire d'un élément de sollicitation (120a-f) coopérant avec ledit au moins un segment appartenant à ladite pluralité de segments arqués (102a-f) d'anneaux de garniture et un segment adjacent parmi ladite pluralité de segments arqués (102a-f) d'anneaux de garniture. 7. Procédé (200) selon la revendication 5, dans lequel on maintient ledit au moins un segment parmi ladite pluralité de segments arqués (102a- f) d'anneaux de garniture dans ladite position d'espacement (134) pendant des états transitoires d'une machine tournante.5