Brevet FR2945095A1 — publié le 20101105

L'invention concerne un joint tournant ainsi qu'une turbine ou un compresseur ou tout autre appareil comprenant également un tel joint. Le document WO 2008/132315 décrit un joint tournant comportant une première et une seconde parties mobiles l'une par rapport à l'autre autour d'un axe de rotation, les première et seconde parties comportent chacune une zone d'interface présentant une pluralité d'éléments en saillie et en retrait de formes complémentaires, les éléments en saillie et en retrait de l'une des parties s'imbriquant avec les éléments en saillie et en retrait de l'autre partie de manière à former des chambres de décompression à volume croissant à partir d'un milieu de forte pression vers un milieu de faible pression, les zones d'interfaces entre les éléments en saillie et en retrait de chacune des parties étant situées à distance l'une de l'autre sans frottement entre elles. Le joint sépare deux milieux distincts dont l'un au moins comprend un gaz. L'un des deux milieux présente une pression supérieure au second milieu. Les chambres de décompression présentent un volume croissant à partir du milieu de pression supérieure vers le milieu de pression inférieure. Les gaz sous haute pression ont tendance à s'échapper dans l'espace délimité par les deux zones d'interfaces des parties mobiles. Les éléments en retrait et en saillie de chacune des deux zones d'interfaces forment des chambres de décompression de volume croissant visant à créer des pertes de charge singulières dépendant des profils choisis. Le débit de fuite des gaz s'échappant par l'ensemble des chambres de décompression est ainsi réduit de manière substantielle. Afin de diminuer, voire d'annuler ce débit de fuite, le document WO 2008/132315 propose d'ajouter à au moins une des deux parties du joint, des moyens d'injection de gaz sous pression débouchant dans l'espace délimité par les deux zones d'interface. L'injection de gaz sous pression permet de réaliser une contre-pression limitant encore la fuite de gaz sous pression. Ce joint tournant a donné satisfaction dans des dispositifs dont la pression différentielle entre les deux milieux était très importante. Ce joint permet ainsi d'augmenter le rendement du dispositif équipé de ce joint, tout en diminuant les coûts de fabrication et de maintenance. Cependant, il est à noter que malgré sa tenue à de hautes pressions, un problème d'étanchéité ou de maintien d'une fuite de débit contrôlé se pose dans d'autres applications de joints tournants comme pour des turbines ou des compresseurs comprenant un arbre mobile traversant la paroi d'une enceinte délimitant deux milieux de pression distinctes, et en particulier pour des applications dans le domaine du nucléaire où le milieu de pression supérieur peut être occupé par un gaz radioactif. Dans ce cas, il importe que le gaz occupant le milieu de plus forte pression ne parvienne jamais à atteindre le milieu de plus faible pression, généralement représenté par l'environnement. L'invention vise à résoudre ce problème technique en proposant un joint tournant amélioré permettant une étanchéité totale et une récupération de la fuite du gaz provenant du milieu se trouvant soumis à de fortes pressions. A cet effet, l'invention concerne un joint tournant, destiné à séparer un premier milieu de forte pression et un second milieu de faible pression comportant une première et une seconde parties mobiles l'une par rapport à l'autre autour d'un axe de rotation, les première et seconde parties comportent chacune une zone d'interface présentant une pluralité d'éléments en saillie et en retrait de formes complémentaires, les éléments en saillie et en retrait de l'une des parties s'imbriquant avec les éléments en saillie et en retrait de l'autre partie de manière à former une ou plusieurs successions de chambres de décompression à volume croissant à partir du milieu de forte pression vers le milieu de faible pression, les zones d'interfaces étant situées à distance l'une de l'autre sans frottement entre elles et comportant des moyens d'injection de gaz sous pression débouchant dans la zone d'interface caractérisé en ce que des moyens d'évacuation sont disposés en amont des moyens d'injection de gaz sous pression dans le sens de circulation du gaz allant du premier milieu de forte pression vers le second milieu de faible pression.. Cette disposition permet d'empêcher qu'une partie du gaz se trouvant dans le milieu de forte pression ne se retrouve dans le milieu de faible pression. Le gaz injecté par des moyens d'injection s'étend dans les zones d'interfaces entre la première et la seconde parties mobiles en direction du milieu de forte pression afin de s'opposer à la fuite de gaz se propageant à travers le joint tournant mais également en direction du milieu de faible pression, les moyens d'évacuation situés en amont des moyens d'injection contribuant à emprisonner dans une enceinte extérieure étanche un mélange comprenant la totalité du gaz issu de la fuite du milieu de forte pression et une partie du gaz injecté. Selon un mode de réalisation, les moyens d'évacuation de gaz et les moyens d'injection de gaz sous pression se situent sur une même succession de chambres de décompression à volume croissant. Cette disposition permet de limiter la perte de charge que subirait 5 le gaz injecté s'il était injecté dans une chambre de plus petit volume. Avantageusement, les moyens d'évacuation sont des moyens d'aspiration créant une dépression. L'invention concerne en outre une turbine ou un compresseur comprenant un joint tournant tel que décrit ci-dessus, mais également un joint 10 de confinement pour centrifugeuses d'enrichissement ou bien des réacteurs chimiques ou pharmaceutiques. Grâce aux dispositions selon l'invention, le gaz sous forte pression utilisé pour entrainer en rotation la turbine à vapeur d'une centrale nucléaire ne peut s'échapper dans l'environnement. 15 De toute façon, l'invention sera bien comprise à l'aide de la description qui suit, en référence au dessin schématique annexé représentant, à titre d'exemple non limitatif, plusieurs formes d'exécution de ce joint tournant. La figure 1 est une vue en coupe schématique d'une turbine à gaz comprenant des joints selon l'invention, en coupe partielle au dessus de l'axe 20 de rotation de l'arbre de la turbine; La figure 2 est une vue de détail du joint équipant la turbine de la figure 1 selon l'invention ; La figure 3 est une vue schématique du profil possible d'une ailette, en coupe selon un plan comprenant l'axe de rotation du joint ; 25 La figure 4 est une vue de détail d'un joint tournant selon un autre mode de réalisation; La figure 5 est une vue de détail schématique du joint de la figure 4. La figure 6 est une autre vue en coupe longitudinale d'un joint 30 tournant selon l'invention. La figure 7 est une représentation comparative des pressions s'exerçant dans une succession de chambre du joint tournant illustré à la figure 6 en fonction de la position dans cette succession de chambre. La turbine 1 illustrée à la figure 1 comprend un arbre mobile 2 en 35 rotation autour d'un axe A, l'arbre 2 étant partiellement logé dans une enceinte 3. L'arbre 2 comprend un ensemble de pales 4, les pales 4 étant destinées à être entrainées en rotation par un gaz sous pression entrant dans l'enceinte 3 par une première ouverture 5 dans l'enceinte 3 et sortant par une seconde ouverture 6 dans l'enceinte 3. Entre les pales 4 sont disposées des organes de guidage du flux 7 de gaz fixes par rapport à l'enceinte 3, ces organes de guidage de flux 7 présentant des fentes 8 destinées à limiter les turbulences du flux de gaz. Deux joints 9 selon l'invention sont disposés au niveau de la liaison entre l'enceinte 3 et l'arbre mobile 2. Ces deux joints comprennent chacun deux peignes 13, 14 : le premier peigne 13 est solidaire des organes de guidage de flux 7 fixés sur l'enceinte 3, et le second peigne 14 est solidaire de l'arbre 2 de la turbine 1. Ces joints 9 sont reliés à des moyens d'injection de gaz 11 et à des moyens d'évacuation de gaz 12. Des moyens de liaison mécanique, constitués par exemple par des roulements 22, permettent de reprendre les efforts mécaniques et d'assurer la rotation entre l'arbre 2 et l'enceinte 3 avec une tolérance de mouvement axial très faible. Afin d'éviter le passage du gaz entre les organes de guidage de flux 7 et l'arbre mobile 2 en dehors des fentes de guidage 8, des joints 10 selon un mode de réalisation de l'invention sont disposés entre les organes de guidage de flux 7 et l'arbre 2 de la turbine 1. Ainsi que représenté de manière plus détaillée sur la figure 2, un joint 9 selon l'invention comprend des successions 16 de chambres à volume croissant formés par les deux peignes 13, 14 comprenant alternativement des ailettes 17 et des rainures 18, imbriqués et mobiles l'un par rapport à l'autre, la zone d'interface 19 définie par ces peignes 13, 14 s'étendant de façon parallèle à l'axe de rotation A. Un jeu 20 est ménagé entre le bord des ailettes 17 et le fond des rainures 18 en vue de permettre une dilatation longitudinale des ailettes 17. Avantageusement, entre deux ensembles 16 de chambres à volume croissant successifs est disposée une chambre intermédiaire 15 dont le volume est très supérieur à celui des chambres situées de façon adjacente à la chambre intermédiaire et appartenant aux deux ensembles l'entourant. Avantageusement, les ailettes 17 peuvent présenter un bord de forme biseautée, de façon à ce que la distance entre le bord de l'ailette 17 et le fond de la rainure 18 en regard diminue en s'éloignant de l'axe de rotation A, ainsi que représenté sur la figure 3. Cette disposition permet d'augmenter la perte de charge lors du passage d'une chambre de décompression C à la chambre de décompression 5 C' adjacente. Ces ailettes 17 peuvent également présenter un profil en spirale ou toute autre forme destinée à augmenter la perte de charge. Les zones d'interfaces 19 s'étendent concentriquement à l'axe de rotation A et perpendiculairement à ce même axe de rotation A et forment ainsi 10 des chicanes ou joint labyrinthe 9 comportant une zone proximale, c'est-à-dire située à proximité de l'axe de rotation A, et une zone distale périphérique. Les chambres de décompression délimitées par les ailettes 17 et les rainures 18 présentent un volume croissant à partir de l'axe de rotation A vers l'extérieur des zones d'interfaces 19, car elles occupent une circonférence de diamètre 15 croissant. Ces chambres de décompression sont toutes concentriques par rapport à l'axe de rotation A du peigne mobile 14 du joint 9. Un joint tournant 9 selon l'invention comprend donc plusieurs successions 16 de chambres de décompression à volume croissant à partir du milieu de forte pression M1 vers le milieu de faible pression M2. 20 Le peigne fixe 13 est équipé de buses d'injection de gaz sous pression 11, reliées à une source autonome de gaz (non illustrée) et débouchant dans l'espace délimité par les deux chambres de décompression adjacentes C et C' formant la zone d'interface 19, de préférence celles présentant le plus grand volume d'une même succession 16 de chambres de 25 décompression, les buses d'injection 11 étant disposées en périphérie de la zone d'interface 19 correspondante. Les buses d'injection 11 débouchent dans une gorge, non représentée au dessin, ménagée dans la paroi de la zone d'interface 19 et s'étendant sur une circonférence autour de l'axe de rotation A. 30 Selon une variante de réalisation, les buses d'injection 11 peuvent être réglables en fonction de la pression qui s'exerce dans le milieu M1 renfermé par les parois de l'enceinte 3. Toujours selon l'invention, des moyens d'évacuation 12 sont agencés en amont des buses d'injection 11 et débouchent dans l'espace 35 délimité par deux chambres de décompression adjacentes C et C' formant une zone d'interface 19, sur la même succession 16 de chambres de décompression que celle où sont agencées les buses d'injection 11. Tout comme pour les buses d'injection 11, ces moyens d'évacuation 12 débouchent dans une gorge, non représentée au dessin, ménagée dans la paroi de la zone d'interface 19 et s'étendant sur une circonférence autour de l'axe de rotation A. Dans ce mode de réalisation, Ces moyens d'évacuation 12 relient le joint tournant 9 et une réserve de stockage étanche (non représentée) du milieu extérieur M2 par l'intermédiaire d'une conduite de soutirage 21. Ainsi que représenté sur la figure 4, un joint selon un second mode de réalisation comprend deux peignes 13, 14 comprenant des alternances d'ailettes 17 et de rainures 18. Ces peignes 13, 14 sont imbriqués et mobiles l'un par rapport à l'autre de façon à former des chambres à volume croissant. La zone d'interface 19 définie par ces peignes 13, 14 s'étendant de façon perpendiculaire à l'axe de rotation A. Dans ce mode de réalisation, le joint comprend deux chambres intermédiaires 15, positionnées au niveau sensiblement du tiers et des deux tiers de la succession 16 de chambres de décompression, en considérant la dimension radiale du joint 9. Ces chambres intermédiaires 15 communiquent en amont et en aval avec les chambres de décompression. Ces deux chambres intermédiaires ne sont pas visibles sur la figure 4. Il est possible de les réaliser par exemple comme indiqué sur la figure 5 en supprimant simplement une ailette 17 d'un des peignes 13, 14. La figure 5 est une figure schématique dans laquelle les dimensions réelles ne sont pas respectées. Les chambres intermédiaires 15 permettent une décompression du gaz dans un rapport important, correspondant sensiblement au rapport des volumes entre la chambre de décompression précédant la chambre intermédiaire 15 et cette dernière. Selon l'invention, il est réalisé au niveau d'une première chambre intermédiaire 15 une régulation de pression, notamment par des moyens d'évacuation 12, pour permettre de réaliser l'évacuation d'une fuite résiduelle et au niveau d'une seconde chambre intermédiaire 15 en aval de la première, une injection de gaz afin de s'assurer que le gaz présent à l'intérieur de l'enceinte 3 n'atteint pas le milieu extérieur M2 et afin de guider la fuite de gaz à travers les moyens d'évacuation 12. En se référant à la figure 6, un exemple est illustré en supposant que la pression à l'extérieur de l'enceinte est P5 et que la pression dans l'enceinte de la turbine est PO avec PO supérieur à P5. Selon un exemple de réalisation, le joint comprend trois successions 16 de chambre de décompression avec pour chacune d'elles environ 200 chambres de décompression d'un volume d'environ 7 cm3 à environ 80 cm3. Deux chambres intermédiaires d'un volume 10 fois supérieur aux chambres adjacentes sont ménagées au niveau de la moitié et des neuf dixième de la succession centrale 16 de chambres de décompression. La figure 7 représente l'évolution comparative de la pression dans les différentes chambres de cette succession 16 de chambres de décompression pour laquelle sont installés les moyens d'évacuation 12 et les moyens d'injection 11 qui débouchent respectivement au niveau de la première et de la deuxième chambre intermédiaire. La pression au point P1 est inférieure à la pression PO se trouvant dans l'enceinte 3. A partir de ce point P1, la pression continue de décroitre par perte de charge à travers la succession de chambres rencontrées. Au point P2, la pression chute à son minimum du fait de la présence des moyens d'évacuation 12 en ce point. Au point P3, la pression est maximale du fait de la présence des moyens d'injection 11 en ce point, cependant la pression est exercée en ce point uniquement par le gaz injecté et non par le gaz de fuite. Au point P4, la pression est légèrement inférieure au point P3 du fait de la décompression du gaz injecté dans la chambre de plus grand volume de la première chambre de la succession 16 de chambre suivante. La pression décroit ensuite dans le joint jusqu'au point P5 où le gaz injecté rejoint le milieu extérieur M2. Il suffit donc de maintenir par une évacuation la dépression au niveau de la première chambre intermédiaire pour assurer une pression inférieure à la fois à la pression extérieure dans le milieu M2 et à la pression intérieure dans le milieu M1, et de maintenir une injection de gaz au niveau de la seconde chambre intermédiaire afin qu'il s'oppose à la fuite de gaz résiduelle. Dans ces conditions, il existe une isolation totale entre le gaz se trouvant dans le milieu M1 à l'intérieur de l'enceinte 3 et le milieu extérieur M2 à l'enceinte 3. De plus, seul un débit de fuite à faible pression au niveau de la première chambre intermédiaire est à retraiter. Ces dispositions sont particulièrement avantageuses dans le cas d'une machine tournante, par exemple une turbine 1 ou compresseur fonctionnant avec un gaz radioactif, car il convient qu'aucune fuite dans le milieu extérieur M2 ne soit engendrée. Il est à noter que la régulation de la pression par une évacuation de la fuite résiduelle n'est pas obligatoirement réalisée au niveau d'une chambre intermédiaire. Ce choix est toutefois avantageux étant donnée la dimension de cette chambre. I l est à noter que le positionnement des chambres intermédiaires ainsi que leur nombre peut être modifié pour s'adapter à chaque application. Bien entendu, les modes de réalisation des joints sont décrits en 10 référence à des applications particulières, mais peuvent être utilisés pour d'autres applications. Les principales applications de l'invention concernent, outre les turbines comme illustré en référence aux figures, les réacteurs chimiques et pharmaceutiques, les moteurs à air comprimé, les turbocompresseurs, les 15 compresseurs et les pompes dans lesquels doit être réalisée une étanchéité et/ou une récupération de fuite. De même, les joints peuvent être utilisés dans une centrifugeuse par exemple pour les isotopes d'uranium ou de tout autre produit gazeux, pour éviter les pollutions extérieures. Les joints peuvent être utilisés dans les 20 machines outils, par exemple un poste de soudure à argon comprenant un arbre rotatif, fonctionnant sous atmosphère contrôlée, en particulier dans des salles blanches, pour éviter une contamination de cette atmosphère contrôlée. Lorsque la pression du milieu M1 est supérieure à celle du milieu M2, une partie des gaz traverse les premières zones d'interface 19 se trouvant 25 à proximité du milieu M1. Ces zones en forme de chicane ou de labyrinthe créent des pertes de charge singulières par détente dans les chambres de décompression dont le volume augmente en s'éloignant de l'axe de rotation A et à l'intérieur desquelles la pression diminue en s'éloignant de l'axe, ce qui permet de réduire le débit de fuite des gaz. 30 Ce gaz rencontre le gaz injecté par l'intermédiaire des buses d'injection 11 juste avant son arrivée devant les moyens d'évacuation 12, la pression d'injection de gaz par les buses d'injection 11 étant calculée en fonction de la pression s'exerçant dans la zone d'interface 19 juste en amont du lieu d'agencement des moyens d'évacuation 12 et en fonction de la 35 dépression créée dans la zone d'interface 19 par les moyens d'évacuation 12. La fuite de gaz provenant du milieu M1 se dilue localement dans le gaz injecté par les buses 11 en amont des moyens d'évacuation 12 qui canalisent alors ce mélange vers la réserve de stockage étanche. Cette canalisation est en outre améliorée par la force centrifuge s'exerçant sur les gaz lors de la rotation du peigne mobile 14 du joint tournant 9. Dans l'exemple de la turbine 1 présenté à la figure 2, un gaz est injecté à une pression légèrement supérieure à la pression du milieu basse pression M2. Ce gaz se répand en direction du milieu M1 mais aussi en direction du milieu M2 dans lequel il importe peu qu'il se répande. Au point de soutirage, le gaz injecté arrive à une pression théorique supérieure à celle du gaz de fuite provenant du milieu M1. La totalité du débit de fuite est ainsi canalisée dans la conduite de soutirage 21. Idéalement le gaz injecté peut être de même nature que le gaz se trouvant dans l'enceinte 3, comme par exemple de l'hélium non radioactif qui s'opposerait à la fuite d'hélium radioactif, ou bien le gaz injecté peut être un gaz inerte tel l'azote qui préviendra les risques d'explosion du gaz de fuite tel l'hydrogène. Avantageusement, ce joint peut être équipé d'une sécurité passive avec un réservoir de gaz d'injection sous pression d'une capacité suffisante pour maintenir l'injection de gaz pendant une durée correspondant au délai d'intervention ou d'arrêt de mise en sécurité en cas de panne. Comme il va de soi, l'invention ne se limite pas aux seules formes d'exécution de ce joint 9, décrites ci-dessus à titre d'exemple, mais elle en embrasse au contraire toutes les variantes.25 REVENDICATIONS1. Joint tournant (9), destiné à séparer un premier milieu (Ml) de forte pression et un second milieu (M2) de faible pression comportant une première et une seconde parties (13, 14) mobiles l'une par rapport à l'autre autour d'un axe de rotation (A), les première et seconde parties (13, 14) comportent chacune une zone d'interface (19) présentant une pluralité d'éléments (17, 18) en saillie et en retrait de formes complémentaires, les éléments (17, 18) en saillie et en retrait de l'une des parties (13, 14) s'imbriquant avec les éléments en saillie et en retrait de l'autre partie de manière à former une ou plusieurs successions (16) de chambres de décompression à volume croissant à partir du milieu (M1) de forte pression vers le milieu (M2) de faible pression, les zones d'interfaces (19) étant situées à distance l'une de l'autre sans frottement entre elles et comportant des moyens d'injection (11) de gaz sous pression débouchant dans la zone d'interface (19) caractérisé en ce que des moyens d'évacuation (12) sont disposés en amont des moyens d'injection (11) de gaz sous pression dans le sens de circulation du gaz allant du premier milieu (M1) de forte pression vers le second milieu (M2) de faible pression. 2. Joint tournant (9) selon la revendication 1 dans lequel les moyens d'évacuation (12) de gaz et les moyens d'injection (11) de gaz sous pression se situent sur une même succession (16) de chambres de décompression à volumes croissants. 3. Joint tournant (9) selon l'une des revendications précédentes, comprenant un réservoir de gaz d'injection sous pression d'une capacité suffisante pour maintenir l'injection de gaz pendant une durée correspondant au délai d'intervention ou d'arrêt de mise en sécurité en cas de panne. 4. Joint tournant (9) selon l'une des revendications précédentes dans lequel les moyens d'évacuation (12) sont des moyens d'aspiration créant une dépression. 5. Turbine (1) ou compresseur comprenant un joint tournant (9) selon l'une des revendications 1 à 4. 6. Centrifugeuses comprenant un joint tournant (9) selon l'une des 35 revendications 1 à 4. 7. Réacteurs chimiques ou pharmaceutiques comprenant un joint tournant (9) selon l'une des revendications 1 à 4.