Brevet FR2927140A1 — publié le 20090807

B 09/0013 FR 1 Société dite : GENERAL ELECTRIC COMPANY JOINTS D'ETANCHEITE A PLAQUES SOUPLES RETRACTABLES Invention de : TURNQUIST Norman Arnold BAILY Frederick G. COUTURE Bernard Arthur MORTZHEIM Jason P. FEENY Sean Douglas ADIS William Edward AWTAR Shorya VERMA Nikhil Kumar Priorité d'une demande de brevet déposée aux Etats- Unis d'Amérique le 4 février 2008 sous le N° 12/025.097 2 JOINTS D'ETANCHEITE A PLAQUES SOUPLES RETRACTABLES La présente invention concerne des joints d'étanchéité à plaques souples rétractables. En particulier, la présente invention concerne des joints d'étanchéité à plaques souples rétractables destinés à être utilisés dans des machines à turbine. Des joints d'étanchéité à plaques souples sont utilisés pour assurer une étanchéité dynamique entre un rotor, par exemple un arbre rotatif, et un stator, par exemple une enceinte, un carter ou un boîtier statiques. Des joints d'étanchéité à plaques souples sont utilisés dans des machines à turbine pour assurer une bonne étanchéité, un fonctionnement sans contact et une capacité de pression élevée. Des exemples de joints d'étanchéité à plaques souples sont décrits, par exemple, dans les brevets US 6 343 792 et 6 976 680. Dans la configuration de joint d'étanchéité à lames décrite ci-dessus, la géométrie nécessite que, si les lames sont étroitement réunies aux pointes, des espaces demeurent entre les lames à proximité de la racine du joint d'étanchéité. Ces espaces présentent un trajet de fuite accru du côté haute pression au côté basse pression du joint d'étanchéité. On sait également positionner radialement des segments de joint d'étanchéité en un groupement circonférentiel entre le rotor et le carter environnant de la turbine pour minimiser les fuites. Des bagues d'assemblage à labyrinthe et des ressorts supportant les segments radialement vers l'intérieur contre des surfaces sur le carter pour établir un espacement radial entre le joint d'étanchéité et le rotor sont utilisés, de façon classique, pour permettre à des segments de se déplacer radialement vers l'extérieur dans le cas d'un contact de rotor. Cependant, les performances du joint d'étanchéité à labyrinthe se dégradent au cours du temps en résultat d'évènements 3 transitoires dans lesquels les composants fixes et rotatifs interfèrent, frottant les dents du labyrinthe et ouvrant de façon permanente l'espacement de joint d'étanchéité. On sait réduire la dégradation due au frottement par l'emploi d'assemblages à labyrinthe à espacement variable "à pression positive", dans lesquelles des ressorts sont utilisés pour maintenir ouverts les segments de bague d'assemblage dans les conditions sans écoulement ou de faible écoulement, lorsque ce frottement est le plus susceptible de se produire. Des forces de pression ambiante contrecarrent les ressorts à des charges plus élevées, agissant de façon à fermer les bagues à une position de fonctionnement fermée. Ces assemblages à pression positive à espacement variable sont décrits, par exemple, dans les brevets US 6 715 766 et 6 695 316. On connaît également des joints d'étanchéité réglables qui utilisent une série d'actionneurs fluidiques à haute pression pour éloigner les segments de joint d'étanchéité du rotor dans le cas d'un frottement joint d'étanchéité/rotor imminent. Il est procuré un système de commande et d'alimentation en air haute pression externe qui délivre un fluide d'actionnement haute pression dans les actionneurs. Les actionneurs sont disposés entre le stator, par exemple, le carter d'assemblage, et les segments de joint d'étanchéité, par exemple, les segments de bague d'assemblage, de telle sorte que la pressurisation des actionneurs produise l'ouverture ou la rétraction des segments de joint d'étanchéité. En l'absence d'une pressurisation des actionneurs, la pression ambiante dans la machine force les segments de joint d'étanchéité à se fermer. Des exemples de ces joints d'étanchéité réglables comprennent, par exemple, les brevets US 6 502 823 et 6 786 487. Pendant des périodes de démarrage et d'arrêt de la turbine, il y a une chute de pression minimale, voire 4 nulle, à travers le joint d'étanchéité, et les joints d'étanchéité à plaques souples doivent s'appuyer sur un soulèvement hydrodynamique pour un fonctionnement sans contact. Un contact entre le joint d'étanchéité souple et le rotor provoque une usure du joint d'étanchéité et du rotor, une génération de chaleur, et des instabilités dynamiques du rotor. Dans une réalisation de l'invention, un dispositif de joint d'étanchéité pour sceller de façon étanche l'espace entre un élément rotatif et un élément fixe comprend un boîtier de joint d'étanchéité à plaques souples supporté de façon réglable dans le stator, le boîtier de joint d'étanchéité à plaques souples supportant un joint d'étanchéité à plaques souples ; et un système de ressort disposé entre le boîtier de joint d'étanchéité à plaques souples et l'élément fixe de façon à solliciter le boîtier de joint d'étanchéité à plaques souples dans une direction d'éloignement vis-à-vis d'une surface de l'élément rotatif. Dans une autre réalisation de l'invention, un dispositif de joint d'étanchéité pour sceller de façon étanche l'espace entre un élément rotatif et un élément fixe comprend un boîtier de joint d'étanchéité à plaques souples supporté de façon réglable dans l'élément fixe, le boîtier de joint d'étanchéité à plaques souples supportant un joint d'étanchéité à plaques souples ; et un actionneur disposé entre le boîtier de joint d'étanchéité à plaques souples et l'élément fixe de façon à déplacer le boîtier de joint d'étanchéité à plaques souples dans une direction d'éloignement vis-à-vis d'une surface de l'élément rotatif dans le cas d'une interférence joint d'étanchéité/rotor imminente. La présente invention sera mieux comprise à la lecture de la description détaillée suivante, faite en référence aux dessins joints, dans lesquels : la figure 1 représente un joint d'étanchéité à plaques souples rétractable selon une réalisation de l'invention dans la position fermée ; la figure 2 représente le joint d'étanchéité à plaques 5 souples rétractable de la figure 1 dans la position ouverte ; la figure 3 représente un joint d'étanchéité à plaques souples rétractable selon une autre réalisation de l'invention ; la figure 4 représente un joint d'étanchéité à plaques souples rétractable selon une autre réalisation de l'invention ; la figure 5 représente un joint d'étanchéité à plaques souples rétractable selon une autre réalisation de l'invention ; la figure 6 représente un joint d'étanchéité à plaques souples rétractable selon une autre réalisation de l'invention ; la figure 7 représente un joint d'étanchéité à plaques souples rétractable selon une autre réalisation de l'invention ; la figure 8 représente un joint d'étanchéité à plaques souples rétractable selon une autre réalisation de l'invention ; la figure 9 représente un joint d'étanchéité à plaques souples rétractable selon une autre réalisation de l'invention ; la figure 10 représente un joint d'étanchéité à plaques souples rétractable selon une autre réalisation de l'invention ; et la figure 11 représente un joint d'étanchéité à plaques souples rétractable selon une autre réalisation de l'invention. Si l'on se réfère aux figures 1 et 2, une machine à turbine peut comprendre un rotor 2 et un stator 4 qui 6 supporte en rotation le rotor 2. Un boîtier de joint d'étanchéité à plaques souples 6 est supporté dans le stator 4 dans une position réglable par un système de ressort 10. Le boîtier de joint d'étanchéité à plaques souples 6 supporte un joint d'étanchéité à plaques souples 8, qui peut être, par exemple, un joint d'étanchéité à éclisses. Comme représenté en figure 2, le joint d'étanchéité à plaques souples rétractable est dans la position ouverte, et le système de ressort 10 sollicite le boîtier de joint d'étanchéité à plaques souples 6 de façon à l'éloigner du rotor 2, de telle sorte que le joint d'étanchéité à plaques souples 8 ne vienne pas en contact avec le rotor 2. Durant le démarrage et l'arrêt de la machine à turbine, la pression de fluide à l'intérieur de la machine est insuffisante pour vaincre la force de ressort radialement vers l'extérieur du système de ressort 10, ce qui maintient les joints d'étanchéité ouverts. Comme le joint d'étanchéité à plaques souples 8 est le plus susceptible de venir en contact avec le rotor 2 durant ces périodes transitoires, la rétraction du joint à plaques souples 8 produit un grand espacement radial entre le joint d'étanchéité à plaques souples 8 et le rotor 2, de façon à éliminer ainsi la possibilité de contact. Le défaut de contact entre le joint d'étanchéité 8 et le rotor 2 empêche lui-même une usure du joint d'étanchéité, une génération de chaleur et des problèmes dynamiques du rotor. Durant le fonctionnement à l'état stable, la pression ambiante dans la machine s'accumule de façon à être suffisamment élevée pour générer des forces qui rapprochent radialement le joint d'étanchéité à plaques souples 8 du rotor 2. Ceci minimise l'espacement entre le joint d'étanchéité à plaques souples 8 et le rotor 2, produisant en résultat de bonnes caractéristiques d'étanchéité durant le fonctionnement à l'état stable de 7 la machine, et, par conséquent, un rendement thermodynamique amélioré de la machine. Comme représenté en figure 3, dans une autre réalisation de l'invention, le boîtier de joint d'étanchéité à plaques souples 6 supporte le joint d'étanchéité à plaques souples 8. Le joint d'étanchéité à plaques souples 8 comprend des éléments de restriction d'écoulement axial 12 pour restreindre l'écoulement dans la direction axiale de la machine à turbine. Si l'on se réfère à la figure 4, dans une autre réalisation de l'invention, le boîtier de joint d'étanchéité à plaques souples 6 supporte le joint d'étanchéité à plaques souples 8, et des éléments de restriction d'écoulement radial 14 sont disposés dans le boîtier de joint d'étanchéité à plaques souples 6 de façon à restreindre l'écoulement radial dans la machine à turbine. Selon une autre réalisation de l'invention, représentée en figure 5, le boîtier de joint d'étanchéité à plaques souples 6 est muni d'un joint d'étanchéité à labyrinthe rétractable 16. Le joint d'étanchéité à plaques souples 8 est supporté par le joint d'étanchéité à labyrinthe rétractable 16. Le joint d'étanchéité à labyrinthe rétractable 16 comprend des dents de labyrinthe hautes-basses 18 qui sont opposées à la surface du rotor. La surface du rotor peut comprendre une série de zones hautes et basses 20 de façon à créer un passage d'écoulement en labyrinthe entre le joint d'étanchéité et le rotor 2. Comme représenté en figure 6, selon une autre réalisation de l'invention, le boîtier de joint d'étanchéité à plaques souples 6 peut comprendre un joint d'étanchéité pouvant être abrasé rétractable 22 qui supporte le joint d'étanchéité à plaques souples 8. Le joint d'étanchéité pouvant être abrasé rétractable 22 8 comprend des dents de labyrinthe hautes-basses 18 qui sont opposées aux zones 20 disposées sur le rotor 2. Un revêtement pouvant être abrasé 24 peut être disposé sur les zones 20 du rotor 2. Si l'on se réfère à la figure 7, dans une autre réalisation de l'invention, le joint d'étanchéité pouvant être abrasé rétractable 22 du boîtier de joint d'étanchéité à plaques souples 6 peut être muni d'un revêtement pouvant être abrasé 26 entre les dents de labyrinthe 18. Le revêtement pouvant être abrasé 26 sur le joint d'étanchéité pouvant être abrasé rétractable 22 est disposé à l'opposé des dents de labyrinthe 21 disposées sur le rotor 2. Le revêtement pouvant être abrasé 24 disposé sur le rotor 2 est opposé aux dents de labyrinthe 18 disposées sur le joint d'étanchéité pouvant être abrasé rétractable 22. On devra apprécier le fait que le rotor 2 peut ne pas comprendre un revêtement pouvant être abrasé. Comme représenté en figure 8, le rotor 2 peut comprendre une face axiale de rotor 2a qui est opposée au joint d'étanchéité à plaques souples 8 supporté dans le boîtier de joint d'étanchéité à plaques souples 6. Le système de ressort 10 est configuré de façon à solliciter le boîtier de joint d'étanchéité à plaques souples 6 de façon à l'éloigner de la face axiale de rotor 2a, le long de la direction axiale de la machine à turbine. Comme représenté en figure 9, dans une autre réalisation de l'invention, le boîtier de joint d'étanchéité à plaques souples 6 peut être réglé de façon radiale par un actionneur 30 de façon à régler l'espacement entre un joint d'étanchéité à labyrinthe réglable 28 du boîtier de joint d'étanchéité à plaques souples 6 et le rotor 2. Le joint d'étanchéité à labyrinthe réglable 28 comprend des dents de labyrinthe 18 qui sont opposées à des zones 20 disposées sur le rotor 2. L'actionneur 30 peut être un actionneur pneumatique mis 9 sous pression extérieurement, par exemple, susceptible de maintenir ouvert le joint d'étanchéité à plaques souples 8 à chaque fois que c'est nécessaire. De plus, on devra apprécier le fait que l'actionneur peut être une combinaison d'un système de ressort et d'un actionneur, par exemple un actionneur fluidique. On devra également apprécier le fait que le joint d'étanchéité 28 peut ne pas comprendre de dents de labyrinthe et que le joint d'étanchéité 28 peut fonctionner uniquement en joint d'étanchéité souple actionné. Si l'on se réfère à la figure 10, le boîtier de joint d'étanchéité à plaques souples 6 peut supporter un joint d'étanchéité à plaques souples 8 qui comprend une pluralité d'éléments de restriction d'écoulement radial et axial 32 et 33, respectivement, configurés de façon à restreindre les fuites de fluide haute pression du côté haute pression au côté basse pression dans la machine à turbine. Si l'on se réfère à la figure 11, dans une autre réalisation de l'invention, le boîtier de joint d'étanchéité à plaques souples 6 peut supporter le joint d'étanchéité à plaques souples 8 comportant une pluralité d'éléments de restriction d'écoulement radial et axial 32 et 33, respectivement. Le rotor 32 peut être muni de bandes matées 34 qui sont opposées au boîtier de joint d'étanchéité à plaques souples 6. Le boîtier de joint d'étanchéité à plaques souples 6 peut comprendre un joint d'étanchéité revêtu pouvant être abrasé 36 qui est opposé aux bandes matées 34 du rotor 2. Dans les réalisations décrites ci-dessus, le joint d'étanchéité à plaques souples 8 peut être constitué par des plaques souples axialement étagées, désignées sous le nom d'éclisses, qui empêchent l'écoulement de fuite. Les éléments de restriction d'écoulement axial peuvent incorporer des éléments de restriction d'écoulement axial, 10 tels que des plaques ou des anneaux intermédiaires, qui forcent les fuites à suivre un trajet tortueux lorsqu'elles s'écoulent axialement le long du joint d'étanchéité, de façon à améliorer ainsi les performances d'étanchéité. Les éléments de restriction d'écoulement radial décrits dans les réalisations ci-dessus peuvent être incorporés à l'intérieur des plaques latérales ou des plaques intermédiaires du joint d'étanchéité, qui font suivre aux fuites un trajet tortueux lorsqu'elles s'écoulent radialement le long de ces plaques, de façon à améliorer ainsi également les performances d'étanchéité. Dans chacune des réalisations décrites ci-dessus, l'utilisation du système de ressort et/ou de l'actionneur éloigne les segments de joint d'étanchéité du rotor, en particulier lors des périodes de démarrage et d'arrêt, de façon à réduire, ou à éliminer, la possibilité de contact entre les pointes du joint d'étanchéité souple et le rotor. Les réalisations décrites ci-dessus produisent par conséquent une durée de vie améliorée du joint d'étanchéité, ainsi que des performances et une fiabilité améliorées de la machine. Les réalisations décrites ci-dessus peuvent être intégrées à un joint d'étanchéité standard existant tel qu'un labyrinthe (par exemple, haut-bas), une dent inclinée, des dents mutuellement verrouillées, ou des bagues d'assemblage Vernier. On devra également apprécier le fait que les réalisations de joint d'étanchéité à plaques souples selon l'invention décrites ci-dessus peuvent être incorporées à l'intérieur d'un joint d'étanchéité pouvant être abrasé ou à labyrinthe ou que les joints d'étanchéité à plaques souples des réalisations décrites ci-dessus peuvent êtres réalisées pour une machine à turbine sous une configuration autonome. Les réalisations décrites ci-dessus sont applicables à tous les types de joints d'étanchéité à plaques souples, y 11 compris, mais sans y être limitées, un joint d'étanchéité à éclisses, un joint d'étanchéité souple avec des éléments de restriction d'écoulement axial, des joints d'étanchéité à plaques souples avec des éléments de restriction d'écoulement radial, et des joints d'étanchéité à plaques souples effilés. Les réalisations décrites ci-dessus sont également applicables à des configurations d'étanchéité radiales aussi bien qu'axiales. De plus, dans une configuration d'étanchéité axiale, les réalisations décrites ci-dessus sont également applicables à des joints d'étanchéité segmentés comme à des joints d'étanchéité non segmentés. Les réalisations décrites ci-dessus peuvent également être mises en oeuvre en tout emplacement d'étanchéité où des parties fixes et rotatives sont à proximité étroite, y compris, mais sans y être limitées, des assemblages d'extrémité, un scellement étanche de rotor inter-étages, un scellement étanche de pointe de carénage/auge, et un scellement étanche de racine de stator/buse. On devra également apprécier le fait que les réalisations décrites ci-dessus sont applicables à toutes les machines à turbine, telles que des turbines à vapeur et à gaz, des compresseurs, et des moteurs d'avion. Dans le cas où des techniques à pression positive à espacement variable sont utilisées pour fermer radialement les joints d'étanchéité à plaques souples, les réalisations de l'invention décrites ci-dessus peuvent également incorporer des trous de communication qui assurent que la haute pression, en amont du joint d'étanchéité, agit sur le boîtier de joint d'étanchéité de façon à fermer celui-ci. 12 LISTE DES PARTIES Rotor 2 Face axiale de rotor 2a Stator 4 Boîtier de joint d'étanchéité à plaques souples 6 Joint d'étanchéité à plaques souples 8 Système de ressort 10 Eléments de restriction d'écoulement axial 12 Eléments de restriction d'écoulement radial 14 Joint d'étanchéité à labyrinthe rétractable 16 Dents de labyrinthe hautes- basses (joint d'étanchéité) 18 Zones/dents hautes et basses 20 Dents de labyrinthe (rotor) 21 Joint d'étanchéité pouvant être abrasé rétractable 22 Revêtement pouvant être abrasé (rotor) 24 Revêtement pouvant être abrasé (joint d'étanchéité) 26 Joint d'étanchéité à labyrinthe réglable 28 Actionneur 30 Eléments de restriction d'écoulement radial 32 Eléments de restriction d'écoulement axial 33 Bandes matées 34 Ecoulement de vapeur EV Joint d'étanchéité revêtu pouvant être abrasé rétractable 36 REVENDICATIONS 1. Dispositif de joint d'étanchéité pour sceller de façon étanche l'espace entre un élément rotatif (2) et un élément fixe (4), le dispositif de joint d'étanchéité étant caractérisé en ce qu'il comprend : un boîtier de joint d'étanchéité à plaques souples (6) supporté de façon réglable dans l'élément fixe (4), le boîtier de joint d'étanchéité à plaques souples (6) supportant un joint d'étanchéité à plaques souples (8) ; et un système de ressort (10) disposé entre le boîtier de joint d'étanchéité à plaques souples (6) et l'élément fixe (4) de façon à solliciter le boîtier de joint d'étanchéité à plaques souples (6) dans une direction d'éloignement vis-à-vis d'une surface de l'élément rotatif (2). 2. Dispositif de joint d'étanchéité selon la revendication 1, caractérisé en ce que le joint d'étanchéité à plaques souples (8) comprend des éléments de restriction d'écoulement axial (33) et/ou des éléments de restriction d'écoulement radial (32). 3. Dispositif de joint d'étanchéité selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que le boîtier de joint d'étanchéité à plaques souples (6) comprend des éléments de restriction d'écoulement radial (14) disposés entre le boîtier de joint d'étanchéité à plaques souples (6) et le joint d'étanchéité à plaques souples (8). 4. Dispositif de joint d'étanchéité selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que le boîtier de joint d'étanchéité à plaques souples (6) comprend de plus un joint à labyrinthe (16). 5. Dispositif de joint d'étanchéité selon la revendication 4, caractérisé en ce que le joint à labyrinthe (16) du boîtier de joint d'étanchéité à plaques souples (6) comprend des dents de labyrinthe hautes et basses (18) qui sont opposées à des zones hautes et basses 14 (20) ou à des dents de labyrinthes disposées sur l'élément rotatif (2). 6. Dispositif de joint d'étanchéité selon la revendication 5, caractérisé en ce que les zones hautes et basses (20) de l'élément rotatif (2) et/ou du joint à labyrinthe (16) comprennent un revêtement pouvant être abrasé (24, 26). 7. Dispositif de joint d'étanchéité selon l'une quelconque des revendication 1 à 6, caractérisé en ce que le joint d'étanchéité à plaques souples est opposé à une face axiale de l'élément rotatif. 8. Dispositif de joint d'étanchéité pour sceller de façon étanche l'espace entre un élément rotatif (2) et un élément fixe (4), la configuration de joint d'étanchéité étant caractérisé en ce qu'il comprend : un boîtier de joint d'étanchéité à plaques souples (6) supporté de façon réglable dans l'élément fixe (4), le boîtier de joint d'étanchéité à plaques souples (6) supportant un joint d'étanchéité à plaques souples (8) ; et un ou plusieurs actionneurs (30) disposés entre le boîtier de joint d'étanchéité à plaques souples (6) et l'élément fixe (4), de façon à déplacer le boîtier de joint d'étanchéité à plaques souples (6) dans une direction d'éloignement vis-à-vis d'une surface de l'élément rotatif (2). 9. Dispositif de joint d'étanchéité selon la revendication 8, caractérisé en ce que les actionneurs au nombre d'un ou de plusieurs (30) comprennent un actionneur pneumatique, un actionneur hydraulique, et/ou un ressort. 10. Dispositif de joint d'étanchéité selon la revendication 8 ou la revendication 9, caractérisé en ce que le joint d'étanchéité à plaques souples (8) est opposé à une face axiale (2a) ou à une face radiale de l'élément rotatif (2).