Brevet FR2916826A1 — publié le 20081205

B08-1595FR 1 Société dite : GENERAL ELECTRIC COMPANY Garniture d'étanchéité à système de queue d'aronde Invention de : CHEVRETTE Richard AMIRTHARAJAH Jeyaruban Priorité d'une demande de brevet déposé aux Etat-Unis d'Amérique le 30 mai 2007 sous le n 11/807.754 2 Garniture d'étanchéité à système de queue d'aronde La présente demande concerne de façon générale les moteurs à turbines à plusieurs étages. Plus particulièrement, mais de manière nullement limitative, la présente demande est relative aux garnitures d'étanchéité installées entre les étages respectifs afin de limiter le plus possible les fuites de fluide d'un étage au suivant. Dans les turbines, le rendement de la turbine est en partie affecté par l'aptitude à empêcher les fuites de fluide de travail d'un étage au suivant. Dans ce but, une ou plusieurs garnitures d'étanchéité peuvent être installées à l'interface entre étages, et entre les étages les plus externes de la turbine et l'atmosphère. Les garnitures constituent un joint longitudinal entre les étages de façon que le fluide de travail soit convenablement enfermé à l'intérieur d'un étage. La ou les garnitures d'étanchéité formant le joint comportent une pluralité de segments (ordinairement de 4 à 12) de garniture. Ceux-ci ont une forme courbe ou arquée et sont assemblés bout à bout les uns contre les autres pour former la garniture. Chaque segment de garniture comporte des ensembles de dents qui s'étendent d'un côté à l'autre d'une face interne du segment. Ces dents sont en interface avec l'arbre pour créer un trajet ou labyrinthe à convolutions suffisantes pour limiter le plus possible les fuites d'un étage au suivant, ou vers l'atmosphère. De ce fait, un joint efficace est créé. Il est entendu pour les spécialistes de la technique que les garnitures d'étanchéité fonctionnent dans un environnement à haute température et que, par conséquent, les segments de garniture subissent une dilatation et une contraction thermiques. Ces effets doivent être pris en compte lors de l'assemblage de la garniture d'étanchéité de façon qu'un intervalle d'aboutement, créé entre des segments de garniture adjacents, soit suffisamment grand pour absorber les variations provoquées par les caractéristiques thermiques. Cependant, si l'intervalle est trop grand, un espace résiduel persiste alors entre les segments après leur dilatation thermique et il se crée un trajet de fuite. D'autre part, si l'intervalle est trop petit, lorsque les segments se dilatent, ceux-ci butent alors les uns contre les autres et se dilatent en acquérant un plus grand diamètre, ce qui accroît le jeu radial entre la garniture d'étanchéité et l'arbre du rotor de turbine. Là encore, il se crée un plus grand trajet de fuite. Par conséquent, il devient essentiel de prévoir l'intervalle d'aboutement approprié. Cependant, l'environnement variable de la turbine ainsi que d'autres 3 imprécisions associées à la prévision de la dilatation et de la contraction thermiques des garnitures d'étanchéité signifient généralement que les marges pour l'intervalle d'aboutement sont rarement précises. Cet état conduit à une accentuation des fuites entre étages. Par ailleurs, les mesures correctrices visant à remédier aux imprécisions de l'intervalle d'aboutement occasionnent un plus long temps d'arrêt pour la turbine. On comprendra qu'il existe un besoin d'une conception perfectionnée des segments de garniture qui atténue ces problèmes. Ainsi, la présente demande concerne une garniture d'étanchéité d'une turbine l0 à plusieurs étages, qui comprend deux segments de garniture réunis par un système de queue d'aronde. Dans certaines formes de réalisation, le système de queue d'aronde peut comporter une configuration mâle/femelle. Dans d'autres formes de réalisation, le système de queue d'aronde peut comporter une configuration du type tenon et mortaise. Le tenon de la configuration du type tenon et mortaise peut 15 comporter une saillie qui s'étend depuis une surface approximativement plane d'une extrémité d'un des segments de garniture. La mortaise de la configuration du type à tenon et mortaise peut comporter une entaille dans une surface approximativement plane d'une extrémité d'un des segments de garniture. Le tenon de la configuration du type tenon et mortaise et la mortaise de la configuration du type tenon et mortaise 20 peuvent être de dimensions similaires de façon que le tenon s'ajuste parfaitement dans la mortaise. Dans certaines formes de réalisation, le tenon de la configuration du type à tenon et mortaise peut comporter une saillie rectangulaire placée à l'extrémité d'un segment de garniture. La longueur du tenon peut traverser l'épaisseur radiale du 25 segment de garniture. Dans certaines formes de réalisation, la mortaise de la configuration du type à tenon et mortaise peut comporter un creux rectangulaire placé à l'extrémité d'un segment de garniture. La longueur de la mortaise traverse l'épaisseur radiale du segment de garniture. 30 La présente demande concerne en outre une garniture d'étanchéité dans une turbine à plusieurs étages, qui comprend un segment de garniture comportant un tenon à une extrémité, et un segment de garniture comportant une mortaise à une extrémité. Le tenon et la mortaise peuvent avoir des dimensions telles que le tenon puisse s'engager dans la mortaise. 4 La face radiale extérieure de chacun des segments de garniture peut comporter un système d'engagement afin que les segments de garniture puissent recevoir une face radiale intérieure d'un carter de turbine et que la face radiale intérieure de chacun des segments de garniture puisse comporter des dents. Le tenon peut comporter une saillie qui s'étend depuis une surface approximativement plane d'une extrémité d'un des segments de garniture. La mortaise peut comporter une entaille dans une surface approximativement plane d'une extrémité d'un des segments de garniture. Le tenon et la mortaise peuvent avoir des dimensions similaires afin que le tenon s'ajuste parfaitement dans la mortaise. Dans certaines formes de réalisation, le tenon de la configuration du type à tenon et mortaise peut comporter une saillie rectangulaire placée à l'extrémité d'un segment de garniture. La longueur du tenon peut traverser l'épaisseur radiale du segment de garniture. Dans certaines formes de réalisation, la mortaise peut comporter un creux rectangulaire placé à l'extrémité du segment de garniture. La longueur de la mortaise peut traverser l'épaisseur radiale du segment de garniture. 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 en perspective de deux segments de garniture selon la technique antérieure ; la Fig. 2 est une vue en perspective de deux segments de garniture selon un exemple de forme de réalisation de la présente invention ; la Fig. 3 est une vue en perspective d'un segment de garniture selon un exemple de forme de réalisation de la présente invention ; la Fig. 4 est une vue en perspective d'un segment de garniture selon un exemple de forme de réalisation de la présente invention ; et la Fig. 5 est une vue en perspective d'un intervalle d'aboutement de segments de garniture selon un exemple de forme de réalisation de la présente invention. Considérant maintenant les figures, sur lesquelles les divers repères désignent sur toutes les différentes vues des éléments identiques, la Fig. 1 présente deux segments 4, 6 de garniture selon la technique antérieure, pouvant servir à former des garnitures d'étanchéité dans une turbine à plusieurs étages. Il est entendu que d'autres segments de garniture peuvent être utilisés avec les segments 4, 6 de garniture de manière à compléter une garniture d'étanchéité de 180 . La garniture d'étanchéité complète peut constituer un joint longitudinal entre des étages d'une turbine de façon que le fluide de travail soit convenablement enfermé à l'intérieur 5 d'un étage. Comme représenté, la face extérieure radiale des segments 4, 6 de garniture peut avoir un système d'engagement 8 de façon que les segments de garniture puissent recevoir une face intérieure radiale d'un carter de turbine. De la sorte, les segments de garniture peuvent être réunis bout à bout pour enfermer un étage à l'intérieur d'une turbine à gaz ou à vapeur. Il est entendu que les segments 4, 6 de garniture peuvent comporter plusieurs dents 10 qui s'étendent d'un côté à l'autre d'une face intérieure radiale du segment 4, 6 de garniture. Ces dents 10 peuvent être en regard de l'arbre (non représenté) afin de créer un trajet ou un labyrinthe à convolutions suffisantes pour limiter le plus possible les fuites d'un étage au suivant, ou vers l'atmosphère. Ordinairement, les segments 4, 6 de garniture peuvent être réalisés en bronze, en acier ou autres matières similaires. Comme représenté, entre le segment 4 de garniture et le segment 6 de garniture peut être maintenu un intervalle d'aboutement 12. L'intervalle d'aboutement 12 est un intervalle entre des segments de garniture qui permet la dilatation thermique lorsque les segments 4, 6 de garniture sont exposés aux hautes températures de la turbine en fonctionnement. Dans l'idéal, l'intervalle d'aboutement 4, 6 a des dimensions telles qu'il permet une dilatation tout en maintenant une bonne étanchéité entre les étages. Si l'intervalle d'aboutement est trop grand, un espace résiduel persiste alors entre les segments 4, 6 de garniture après leur dilatation thermique. Des flèches 16 indiquent globalement la direction de l'écoulement du fluide de travail dans la turbine par rapport aux segments 4, 6 de garniture. Compte tenu de cet écoulement, si un espace résiduel persiste entre le segment 4 et le segment 6 après la dilatation thermique, un trajet de fuite se forme alors puisque du fluide de travail passera entre eux. D'autre part, si l'intervalle d'aboutement 12 est trop petit, lorsque les segments 4, 6 de garniture se dilateront, ils viendront alors en butée l'un contre l'autre et se dilateront en prenant un diamètre plus grand. Cela agrandira le jeu radial entre les dents 10 du segment 4, 6 de garniture et l'arbre du rotor de turbine. Là encore, un trajet de fuite sera créé et le rendement global de la turbine sera amoindri. 6 La Fig. 2 représente des segments 20, 22 de garniture selon un exemple de forme de réalisation de la présente invention. Comme représenté, l'interface entre le segment 20 de garniture et le segment 22 de garniture peut comporter un système de queue d'aronde 23. Au sens de la présente description, on définit un système de queue d'aronde comme couvrant toute interface incluant une configuration mâle/femelle ou du type à tenon et mortaise. Ainsi, en chaque extrémité, le segment 20 de garniture peut comporter un tenon 24. Au sens de la présente description, on peut définir un tenon comme comportant toute saillie s'étendant depuis une surface approximativement plane. En chacune de ces extrémités, le segment 22 de garniture peut comporter une mortaise 26. Au sens de la présente description, on peut définir une mortaise comme incluant tout creux ou entaille dans une surface approximativement plane. Comme illustré, le tenon 24 et la mortaise 26 peuvent avoir des dimensions similaires de façon que le tenon 24 s'ajuste parfaitement dans la mortaise 26. La Fig. 3 représente une vue en perspective plus détaillée du tenon 24. Comme illustré, le tenon 24 peut comporter une saillie rectangulaire placée à l'extrémité du segment 20 de garniture. La longueur du tenon 24 peut traverser l'épaisseur radiale du segment 20 de garniture. Ainsi, à l'extrémité radiale la plus interne du tenon 24, le tenon 24 peut comporter les dents 10. En outre, l'extrémité radiale la plus externe du tenon 24 peut s'étendre à travers le système d'engagement 8 du segment 20 de garniture. Les spécialistes ordinaires de la technique comprendront que d'autres formes peuvent être employées pour le tenon 24. La Fig. 4 représente une vue en perspective plus détaillée de la mortaise 26. Comme illustré, la mortaise 26 peut être un creux ou une entaille rectangulaire située à l'extrémité du segment 22 de garniture. La longueur de la mortaise 26 peut traverser l'épaisseur radiale du segment 22 de garniture. Ainsi, la mortaise 26 peut traverser l'extrémité du segment 22 de garniture depuis les dents 10 à travers le système d'engagement 8. Les spécialistes ordinaires de la technique comprendront que d'autres formes peuvent être employées pour la mortaise 26. Il est entendu pour les spécialistes de la technique que le tenon 24 et la mortaise 26 ont une forme et des dimensions telles que le tenon 24 puisse s'ajuster parfaitement dans la mortaise 26. Ainsi, la largeur de la mortaise 26 peut être un peu plus grande que la largeur du tenon 24. En fonctionnement, comme illustré sur la Fig. 5, la configuration du type à tenon 24 et mortaise 26 peut permettre que l'intervalle d'aboutement 12 ait des 7 dimensions telles qu'une étanchéité efficace soit maintenue même si, avec une dilatation thermique complète, il reste un intervalle entre les deux segments 20, 22 de garniture. Comme représenté sur la Fig. 5, un espace reste dans l'intervalle d'aboutement 12. Dans la conception classique, l'intervalle aurait permis l'écoulement axial de fluide de travail par celui-ci, ce qui aurait amoindri le rendement de la turbine. Cependant, dans des formes de réalisation de la présente invention, un écoulement axial par l'intervalle d'aboutement 12 est empêché par le tenon 24. En particulier, le tenon 24 traverse l'intervalle d'aboutement 12 et s'engage dans la mortaise 26 en empêchant efficacement l'écoulement axial de fluide de travail par l'intervalle d'aboutement 12. Ainsi, comme illustré sur la Fig. 5, le système de queue d'aronde 23, c'est-à-dire la configuration du type à tenon 24 et mortaise 26, permet une plus grande marge d'erreur dans le dimensionnement de l'intervalle d'aboutement 12. En particulier, une bonne étanchéité peut être maintenue même si l'intervalle d'aboutement 12 entre les segments de garniture a des dimensions telles qu'il persiste un intervalle avec une dilatation thermique complète des segments de garniture. De cette manière, on peut éviter le risque d'avoir un intervalle d'aboutement 12 trop étroit (ce qui amènerait les extrémités des segments de garniture à buter l'une contre l'autre et à se dilater en prenant un plus grand diamètre, ce qui créerait un trajet de fuite). Légende des figures Segments de garniture selon la technique antérieure 4, 6 Système d'engagement 8 Dents 10 Intervalle d'aboutement 12 Flèches 16 Segments de garniture 20, 22 Système de queue d'aronde 23 Tenon 24 Mortaise 26 REVENDICATIONS 1. Garniture d'étanchéité dans une turbine à plusieurs étages, comprenant deux segments (20, 22) de garniture réunis par un système de queue d'aronde (23). 2. Garniture d'étanchéité selon la revendication 1, dans laquelle le système de queue d'aronde (23) comporte une configuration mâle/femelle. 3. Garniture d'étanchéité selon la revendication 1, dans laquelle le système de queue d'aronde (23) comporte une configuration du type à tenon et mortaise. 4. Garniture d'étanchéité selon la revendication 3, dans laquelle le tenon (24) de la configuration du type à tenon et mortaise comporte une saillie qui s'étend depuis une surface approximativement plane d'une extrémité d'un des segments (20) de garniture. 5. Garniture d'étanchéité selon la revendication 3, dans laquelle la mortaise (26) de la configuration du type à tenon et mortaise comporte une rainure dans une surface approximativement plane d'une extrémité d'un des segments (22) de garniture. 6. Garniture d'étanchéité selon la revendication 3, dans laquelle le tenon (24) de la configuration à tenon et mortaise et la mortaise (26) de la configuration à tenon et mortaise ont des dimensions similaires de façon que le tenon (24) s'ajuste parfaitement dans la mortaise (26). 7. Garniture d'étanchéité selon la revendication 3, dans laquelle le tenon (24) de la configuration à tenon et mortaise comporte une saillie rectangulaire disposée à l'extrémité du segment (20) de garniture. 8. Garniture d'étanchéité selon la revendication 7, dans laquelle la longueur du tenon (24) traverse l'épaisseur radiale du segment (20) de garniture. 9. Garniture d'étanchéité selon la revendication 7, dans laquelle la mortaise (26) de la configuration à tenon et mortaise comporte un creux rectangulaire disposé à l'extrémité du segment (22) de garniture. 10. Garniture d'étanchéité selon la revendication 9, dans lequel la longueur de la mortaise (26) traverse l'épaisseur radiale du segment (22) de garniture.