Brevet FR2920216A1 — publié le 20090227

B08-2238FR Au nom de : GENERAL ELECTRIC COMPANY Joints de machines rotatives Invention de : BERBERICH Nathan Robert Priorité d'une demande de brevet déposée aux États-Unis d'Amérique le 22 août 2007 sous le n 11/843.420 -2- Joints de machines rotatives Cette invention concerne de façon générale le domaine des joints de déflecteurs d'huile pour arbres rotatifs et plus particulièrement, un système déflecteur d'huile incluant un joint qui diminue l'écoulement de gaz autour d'un arbre rotatif pour empêcher l'entrée d'humidité et de contaminants dans un système d'huile de graissage de paliers. Au moins certaines grandes turbines à vapeur connues font l'objet d'une contamination du système d'huile de lubrification de palier par la poussière et l'humidité. Si cette contamination n'est pas corrigée, elle peut influer défavorablement sur les performances ainsi que sur les systèmes interfacés avec le système d'huile de graissage tels que, mais sans y être limité, les systèmes de contrôle. Les turbines à gaz à carburant fossile sont particulièrement soumises au problème car elles fonctionnent fréquemment dans un environnement contaminé par la poussière de charbon et les cendres volantes. Un chemin d'entrée des contaminants dans le système d'huile de lubrification peut exister par l'aspiration à travers les joints d'huile de paliers ainsi que l'air atmosphérique qui est nécessaire pour la ventilation du réservoir d'huile du système et pour le refroidissement des joints d'huile. Les joints d'huile de palier appelés couramment déflecteurs d'huile sont des agencements de joints en labyrinthe qui empêchent une fuite d'huile de lubrification du palier associé. De l'air contaminé est extrait à travers le joint par l'aspiration du système d'huile de lubrification, pénétrant à travers les espaces formés par les bagues (dents) du déflecteur d'huile et l'arbre. Une telle ingestion de contaminants peut boucher les dents du déflecteur et dans certains cas, la poussière déposée a été carbonisée par de hautes températures, ce qui a pour conséquence un endommagement de l'arbre. Une tentative connue pour empêcher de tels effets de la contamination comporte la fourniture aux joints du labyrinthe de joints d'un fluide gazeux pressurisé. Des systèmes de joints de vapeur, des compresseurs et autres équipements rotatifs sont par exemple dotés de joints adaptés à recevoir (et parfois extraire) un gaz pressurisé. Ces dispositifs contiennent habituellement des cavités multiples disposées le long de l'arbre et utilisent des passages relativement petits prévus dans le boîtier du joint, ou cavités, pour injecter le fluide dans la zone des dents. En raison des vitesses d'injection d'air élevées pour ces configurations, une pression élevée et une puissance d'écoulement d'une importance correspondante sont nécessaires pour réaliser un joint autour de l'arbre. Toutefois, les espaces proches finissent par s'ouvrir, réduisant le -3-rendement du joint et l'équipement supplémentaire nécessite également de s'assurer d'une maintenance périodique. Dans un mode de réalisation, un système pour diminuer l'écoulement d'air ambiant dans un système d'huile de lubrification de palier comporte un couvercle de palier d'huile de lubrification immobile par rapport au palier, dans lequel est configuré le palier pour supporter une partie d'un arbre rotatif d'une machine. Le couvercle comporte un premier recouvrement d'extrémité s'étendant radialement vers l'intérieur vers l'arbre, de sorte qu'une cavité entourant le palier est formée par le couvercle et le premier recouvrement d'extrémité et un ensemble de bagues d'étanchéité positionnées sensiblement de manière concentrique avec l'arbre et formant un joint contre l'écoulement d'huile de lubrification. Les bagues d'étanchéité comportent une pluralité de soies s'étendant radialement vers l'intérieur depuis le recouvrement d'extrémité, où les soies sont configurées de manière à s'étendre sur une surface de l'arbre lorsqu'elles sont assemblées et les soies sont configurées de manière à présenter un trajet d'écoulement tortueux au gaz s'infiltrant dans la cavité. Dans un autre mode de réalisation, une turbine à vapeur comporte un arbre rotatif supporté au moins partiellement par un palier lubrifié par de l'huile, un déflecteur d'huile pour empêcher une fuite d'huile de lubrification provenant du palier, caractérisé en ce que le déflecteur d'huile est configuré de manière à faciliter la prévention de l'écoulement d'air atmosphérique vers le système d'huile de lubrification de palier, et un boîtier de déflecteur d'huile entourant une partie de l'arbre et du palier. La turbine à vapeur comporte également une bague de déflecteur d'huile couplée au boîtier de manière sensiblement concentrique avec l'arbre afin de former un joint intérieur en labyrinthe s'opposant aux fuites d'huile, caractérisé en ce que la bague de déflecteur d'huile est positionnée à proximité du palier sur l'axe longitudinal de l'arbre et un joint à brosse couplé au boîtier, sensiblement concentrique avec l'arbre et s'étendant sur une surface de l'arbre afin de former un joint extérieur s'opposant aux fuites d'huile et aux infiltrations d'air atmosphérique et caractérisé en ce que le joint à brosse est espacé du déflecteur d'huile le long de l'axe de l'arbre. Dans encore un autre mode de réalisation, un procédé d'étanchéification d'un arbre rotatif de machine comporte la formation d'une cavité entourant une partie de la machine à étanchéifier et, le maintien d'une première pression à l'intérieur de la cavité, qui est inférieure à une deuxième pression à l'extérieur de la cavité, et le positionnement d'un joint incluant une pluralité de segments de fils entre un bord de la cavité et l'arbre afin de diminuer l'écoulement d'infiltration d'air atmosphérique le -4- long de l'arbre par le joint dans la cavité, caractérisé en ce qu'une extrémité libre des segments de fils est en contact avec une surface de l'arbre. La figure 1 est une vue en perspective partiellement découpée d'un exemple de turbine à vapeur selon un mode de réalisation de la présente invention ; la figure 2 est une partie agrandie de la turbine représentée sur la figure 1 illustrant un système de palier lubrifié par de l'huile selon un mode de réalisation de la présente invention ; et la figure 3 est une autre partie agrandie de la turbine représentée sur la figure 1 illustrant un système de palier lubrifié par de l'huile selon un autre mode de réalisation de la présente invention. La description détaillée qui suit illustre l'invention à titre d'exemple et non de façon limitative. La description permet facilement à un homme de l'art de réaliser et d'utiliser l'invention, décrit plusieurs modes de réalisation, adaptations, variantes, alternatives et utilisations de l'invention, incluant ce que l'on suppose actuellement être le meilleur mode de réalisation de l'invention. L'invention est décrite, appliquée à un mode de réalisation préféré, à savoir la réduction de l'écoulement d'air ambiant dans un système d'huile de lubrification de palier. On envisage toutefois que cette invention présente une application générale à l'étanchéification d'espaces entre des cavités dans un équipement rotatif dans des applications industrielles, commerciales et résidentielles. La figure 1 est une vue en perspective partiellement découpée d'un exemple de turbine à vapeur 10 incluant un rotor 12 qui comporte un arbre 14 et une pluralité d'étages de turbine 16. Le rotor de turbine 12 comporte une pluralité de roues de rotor axialement espacées 18. Une pluralité de compartiments 20 sont couplés mécaniquement à chaque roue de rotor 18. De façon plus spécifique, les compartiments 20 sont agencés en rangées s'étendant circonférentiellement autour de chaque roue de rotor 18. Une pluralité de tuyères immobiles 22 s'étendent circonférentiellement autour de l'arbre 14 et sont positionnées axialement entre les rangées adjacentes de compartiments 20. Les tuyères 22 coopèrent avec les compartiments 20 pour former chaque étage de turbine 16 et pour définir une partie d'un chemin d'écoulement de vapeur à travers la turbine 10. Un arbre 14 est supporté et guidé en rotation par une pluralité de paliers 23 et 24. Durant le fonctionnement, la vapeur 25 entre par une entrée 26 de la turbine 10 et elle est canalisée à travers les tuyères 22. Les tuyères 22 dirigent la vapeur 25 vers l'aval contre les compartiments 20. La vapeur 25 traverse les étages restants 16, communiquant une certaine force aux compartiments 20, provoquant la rotation du -5- rotor 12. Au moins une extrémité de la turbine 10 peut s'étendre axialement en s'éloignant du rotor 12 et elle peut être fixée à une charge ou à une machine (non représentée), telle que, mais sans y être limité, un générateur et/ou une autre turbine. En conséquence, une grande unité de turbine à vapeur peut en fait inclure plusieurs turbines qui sont couplées de manière coaxiale au même arbre 14. Une telle unité peut inclure par exemple, une turbine haute pression (HP) couplée à une turbine à pression intermédiaire (IP), qui est couplée à une turbine basse pression (LP). Dans un mode de réalisation, la turbine à vapeur 10 est disponible dans le commerce auprès de General Electric Power Systems, Schenectady, New York. La figure 2 est une partie agrandie de la turbine 10 (représentée sur la figure 1) illustrant un système de palier lubrifié par de l'huile 200 selon un mode de réalisation de la présente invention. L'exemple de mode de réalisation de l'invention convient pour être utilisé en combinaison avec une grande turbine à vapeur pour empêcher une fuite d'huile de lubrification de palier et pour empêcher l'écoulement d'entrée d'air atmosphérique non filtré dans le système d'huile de lubrification de palier. L'arbre 14 porte les compartiments rotatifs d'une turbine à gaz et il est lui-même supporté par des paliers de portée 23 et 24 disposés sur sa longueur. L'arbre 14 est représenté se projetant depuis l'extrémité de la turbine 10 avec un boîtier de paliers 202 entourant sensiblement les paliers de portée 23 et 24. Les paliers de portée 23 et 24 sont alimentés en continu par de l'huile de lubrification de sorte que la partie de l'arbre 14 située à l'intérieur d'un boîtier de paliers 202 est exposée en continu à un environnement chargé d'huile. L'huile de lubrification est délivrée à des branches d'alimentation d'huile 204 et 206 par l'intermédiaire d'un collecteur d'alimentation 208 depuis une pompe d'huile de lubrification 210. La pompe 210 effectue une aspiration depuis une cuve d'huile de lubrification 212, qui recueille respectivement l'huile des paliers 23 et 24 par gravitation à travers des conduites de récupération 214 et 216. Un extracteur de vapeur tel qu'un ventilateur centrifuge 218 élimine les gaz de l'huile résidant dans la cuvette 212 et à travers les conduites de récupération 214 et 216, maintient une pression négative dans le boîtier de paliers 202 par rapport à la pression de l'air atmosphérique. La pression négative à l'intérieur du boîtier de paliers 202 facilite la réduction des fuites d'huile du boîtier de paliers 202, toutefois, la pression négative entraîne également un écoulement d'air provenant de l'atmosphère entourant le boîtier de paliers 202 dans le boîtier de paliers 202 à travers un espace 220 entre l'arbre 14 et le boîtier de paliers 202. Un espace 220 est formé entre l'arbre 14 et un bord 222 de l'arbre 14 entourant le boîtier de paliers. L'air d'infiltration est finalement éliminé du -6- système de palier lubrifié par de l'huile 200 par l'intermédiaire d'un ventilateur 200, toutefois, l'air d'infiltration transporte également de l'humidité et des contaminants fortement abrasifs tels que de la poussière de charbon et/ou des cendres volantes, qui ne sont pas facilement éliminés du système de palier lubrifié par de l'huile 200. On a utilisé des déflecteurs d'huile comprenant des chemins en labyrinthe pour tenter de diminuer l'écoulement d'air à travers l'espace 220. Toutefois, de tels joints sont sans contact et peuvent se déformer durant des transitoires lorsque l'espace 220 est fermé en raison par exemple d'une dilatation différentielle induite par la température de l'arbre et des composants des paliers. Dans l'exemple de mode de réalisation, un joint à brosse 224 est couplé circonférentiellement le long du bord 222 de sorte que l'espace 220 est sensiblement bloqué par le joint à brosse 224. Dans un autre mode de réalisation, des joints à brosse sont installés en plus des bagues de déflecteur existantes, de manière à former un joint d'huile tandem comprenant au moins une bague de déflecteur d'huile et au moins un joint à brosse, en alignement d'écoulement en série. Les bagues de déflecteur d'huile et les joints à brosse peuvent être installés ensemble sur un support unique et couplés au boîtier 202 le long du bord 222. À titre de variante, les joints à brosse peuvent être adaptés à un boîtier existant 202, espacés axialement des bagues de déflecteur d'huile existantes. La figure 3 est une autre partie agrandie de la turbine 10 (représentée sur la figure 1) illustrant un système de palier lubrifié par de l'huile 300 selon un mode de réalisation de la présente invention. L'exemple de mode de réalisation de l'invention convient pour être utilisé en combinaison avec une grande turbine à vapeur pour empêcher une fuite d'huile de lubrification de palier et pour empêcher l'écoulement d'entrée d'air atmosphérique non filtré dans le système d'huile de lubrification de palier. Un arbre 301 porte les composants rotatifs d'une turbine à vapeur et il est lui-même supporté par un palier de portée 303 disposé sur sa longueur. L'arbre 301 est représenté se projetant depuis l'extrémité de la turbine 10, un boîtier de paliers 302 entourant sensiblement le palier de portée 303. Le palier de portée 303 est alimenté en continu par de l'huile de lubrification de sorte que la partie de l'arbre 301 située à l'intérieur du boîtier de paliers 302 est exposée en continu à un environnement chargé d'huile. Un extracteur de vapeur (non représenté sur la figure 3) élimine les gaz du boîtier 302 par l'intermédiaire de conduites de récupération d'huile (non représentées sur la figure 3) et maintient dans le boîtier de paliers 302 une pression négative par rapport à la pression d'air atmosphérique. La pression négative à l'intérieur du boîtier de paliers 302 facilite la réduction des fuites d'huile du boîtier de paliers 302, toutefois, la pression négative -7- entraîne également un écoulement d'air provenant de l'atmosphère entourant le boîtier de paliers 302 dans le boîtier de paliers 302 à travers un espace 320 entre l'arbre 301 et le boîtier de paliers 302. Des déflecteurs d'huile 322 comprenant des chemins en labyrinthe sont positionnés entre le boîtier 302 et l'arbre 301 pour faciliter la réduction de l'écoulement de fuite d'huile depuis l'intérieur du boîtier 302 vers l'espace extérieur du boîtier 302. De plus, un joint à brosse 324 est couplé circonférentiellement le long de l'espace 320, qui est sensiblement bloqué par le joint à brosse 224. Les procédés et les systèmes décrits ci-dessus, qui facilitent la réduction de l'écoulement d'air ambiant dans un système d'huile de lubrification de palier sont économiques et extrêmement fiables. Les procédés et les systèmes facilitent l'étanchéification des cavités intérieures des machines rotatives vis-à-vis de l'infiltration d'air et de la contamination des systèmes d'huile de lubrification, tout en permettant au joint d'huile de maintenir un haut niveau de performances de collecte et d'étanchéité d'huile. En conséquence, les procédés et les systèmes décrits ci-dessus facilitent le fonctionnement et la maintenance des machines rotatives lubrifiées par de l'huile, d'une manière économique et fiable. Bien que l'invention ait été décrite en termes de divers modes de réalisation spécifiques, on comprendra que l'invention peut être mise en pratique avec des modifications appartenant à l'esprit et à la portée des revendications. REVENDICATIONS 1. Système de joint d'huile caractérisé par le fait qu'il comprend : un couvercle de palier d'huile de lubrification (202) immobile par rapport à un palier (23, 24) dans lequel est configuré le palier pour supporter une partie d'un arbre rotatif d'une machine (14), ledit couvercle comprenant un premier recouvrement d'extrémité s'étendant radialement vers l'intérieur vers l'arbre, de sorte qu'une cavité entourant le palier est formée par ledit couvercle et ledit premier recouvrement d'extrémité ; et un ensemble de bagues d'étanchéité sensiblement concentriques avec l'arbre et formant un joint contre l'écoulement d'huile de lubrification, lesdites bagues d'étanchéité comprenant une pluralité de soies s'étendant radialement vers l'intérieur depuis ledit recouvrement d'extrémité, lesdites soies étant configurées de manière à s'étendre sur une surface de l'arbre lorsqu'elles sont assemblées, lesdites soies étant configurées de manière à présenter un trajet d'écoulement tortueux au gaz s'infiltrant dans la cavité. 2. Joint d'huile selon la revendication 1, caractérisé en ce que ledit ensemble de bagues d'étanchéité est configuré pour empêcher une fuite d'huile de lubrification provenant des paliers de l'arbre (14) lorsque l'arbre est en train de tourner. 3. Joint d'huile selon la revendication 1, caractérisé en ce que ladite pression intérieure à ladite cavité est inférieure à une pression extérieure à ladite cavité. 4. Joint d'huile selon la revendication 3, caractérisé en ce que ladite pression intérieure est réduite en utilisant un extracteur de vapeur couplé en communication par écoulement avec ladite cavité. 5. Joint d'huile selon la revendication 4, caractérisé en ce que ladite pression intérieure est réduite en utilisant un extracteur de vapeur couplé en communication par écoulement avec ladite cavité par l'intermédiaire d'une conduite de récupération d'huile de lubrification (214, 216). 6. Joint d'huile selon la revendication 1, caractérisé en ce que ledit couvercle comprend un deuxième recouvrement d'extrémité s'étendant radialement vers l'intérieur vers l'arbre de sorte qu'une cavité entourant le palier (23, 24) est formée par ledit couvercle (202), ledit premier recouvrement d'extrémité et ledit deuxième recouvrement d'extrémité. 7. Joint d'huile selon la revendication 6, comprenant en outre un ensemble de joints d'huile annulaires associé audit deuxième recouvrement d'extrémité, leditensemble de joints d'huile annulaires étant sensiblement concentrique avec l'arbre (14) et formant un joint en labyrinthe contre l'écoulement d'huile de lubrification, ledit ensemble de joints d'huile annulaires comprenant une pluralité de soies s'étendant radialement vers l'intérieur depuis ledit deuxième recouvrement d'extrémité, lesdites soies étant configurées de manière à s'étendre sur une surface de l'arbre après assemblage, lesdites soies étant configurées pour présenter un trajet d'écoulement tortueux au gaz s'infiltrant dans la cavité. 8. Joint d'huile selon la revendication 1, caractérisé en ce que ladite pluralité de soies sont inclinées par rapport auxdits rayons associés de l'arbre (14). 9. Joint d'huile selon la revendication 1, caractérisé en ce que ladite pluralité de soies comprennent chacune une première partie sensiblement rectiligne et une deuxième partie sensiblement rectiligne, lesdites première et deuxième parties étant inclinées l'une par rapport à l'autre. 10. Turbine à vapeur (10) comprenant : un arbre rotatif (14) supporté au moins partiellement par un palier lubrifié par de l'huile (23, 24) ; un déflecteur d'huile pour empêcher une fuite d'huile de lubrification du palier, ledit déflecteur d'huile étant configuré de manière à faciliter la prévention de l'écoulement d'air atmosphérique vers le système d'huile de lubrification de palier ; un boîtier de déflecteur d'huile entourant une partie de l'arbre et du palier ; une bague de déflecteur d'huile couplée au boîtier de manière sensiblement concentrique avec l'arbre afin de former un joint intérieur en labyrinthe s'opposant aux fuites d'huile, ladite bague de déflecteur d'huile étant positionnée à proximité du palier sur l'axe longitudinal de l'arbre ; et un joint à brosse (224) couplé au boîtier, sensiblement concentrique avec l'arbre et s'étendant sur une surface de l'arbre afin de former un joint extérieur s'opposant aux fuites d'huile et aux infiltrations d'air atmosphérique, ledit joint à brosse étant espacé du déflecteur d'huile le long de l'axe de l'arbre.