Brevet FR3000167A1 — publié le 20140627

FR 12 03520 ENSEMBLE JOINT D'ÉTANCHÉITÉ À GAZ POUR POMPES À LIQUIDE CRYOGÉNIQUE La présente invention concerne des joints d' étanchéité à gaz sec utilisés par exemple dans des turbines et des compresseurs. Des joints d'étanchéité à gaz sec sont utilisés dans des turbomachines (turbines et compresseurs) pour étanchéifier des arbres. Un joint d'étanchéité à gaz sec minimise la 5 quantité de gaz d'étanchéité nécessaire pour isoler le gaz dilaté ou comprimé de composants de machinerie internes tels que des paliers, ces derniers contenant normalement de l'huile ou de la graisse. Ceci est réalisé par une paire de bagues sans contact, à savoir une bague montée sur un arbre rotatif et une autre bague montée sur un composant stationnaire de la turbomachine. Les deux bagues sont séparées par un espace à 10 jeu réduit à travers lequel le gaz d'étanchéité s'écoule. Ce type d'étanchéité a été utilisé dans des pompes verticales cryogéniques pour minimiser la quantité de gaz d'étanchéité (également appelé gaz de purge) utilisé. Le gaz d'étanchéité peut être le gaz de transformation lui-même, qui est vaporisé à partir du liquide cryogénique pompé. Dans certaines pompes verticales cryogéniques, des joints 15 d'étanchéité à gaz sec sont positionnés dans la partie supérieure de l'arbre de pompe, cet emplacement permettant aux composants de joint d'étanchéité de rester dans une atmosphère gazeuse. Donc, aucune vaporisation n'est nécessaire pour le fluide s'écoulant entre les bagues d'étanchéité. Cependant, dans des pompes horizontales cryogéniques où le joint d'étanchéité est positionné sur le côté aspiration de la pompe, le liquide sous-refroidi 20 doit être chauffé jusqu'à une température près de son point d'ébullition pour se vaporiser entre des faces des joints d'étanchéité respectifs. L'utilisation de joints d'étanchéité à gaz sec dans un environnement liquide cryogénique, sans gaz de purge externe, nécessite que le fluide d'étanchéité soit vaporisé lorsqu'il s'écoule à travers le joint d'étanchéité à gaz sec. La chaleur de frottement 25 absorbée par le fluide lorsqu'il s'écoule entre des faces d'étanchéité sans contact doit être suffisamment importante pour vaporiser le liquide et créer le film gazeux entre les faces d'étanchéité. Un film gazeux stable est en effet nécessaire pour minimiser le jeu d'étanchéité et donc minimiser l'écoulement de fuite de gaz à travers le joint d'étanchéité. Le refroidissement de fluide à partir d'échange de chaleur avec des composants de joint 30 d'étanchéité à gaz sec peut faire en sorte que le liquide reste trop froid (et trop éloigné de FR 12 03520 son point d'ébullition) pour se vaporiser. Par conséquent, des fuites d'écoulement gazeux erratiques et excessives peuvent être observées dans certaines pompes horizontales, où le joint d'étanchéité est dans un environnement liquide sous-refroidi cryogénique direct. Ces écoulements gazeux erratiques et excessifs doivent être éliminés. Par exemple, en faisant référence aux figures 1 et 2, une pompe horizontale cryogénique connue est indiquée généralement par le numéro de référence 10 qui comprend un côté aspiration 12 et un côté refoulement 14 d'un corps 15 ou logement de la pompe. La pompe 10 est utilisée pour déplacer ou transférer un fluide cryogénique, tel qu'un liquide cryogénique, à travers celle-ci. Le fluide cryogénique peut être sélectionné parmi le gaz naturel liquide (GNL), l'azote liquide (LIN), l'oxygène liquide (LOX), l'argon liquide (LAR), le CO2 liquide et l'air liquide. Sur le côté aspiration 12, un joint d'étanchéité à gaz sec est fourni, tel que celui représenté sur la figure 2. Le joint d'étanchéité à gaz sec comprend une partie bague rotative 16 et une partie bague stationnaire 18 qui agissent conjointement pour isoler un gaz vaporisé du liquide cryogénique s'écoulant à travers la pompe 10. En faisant référence à la figure 2, l'agencement d'étanchéité a pour résultat un écoulement de gaz d'étanchéité excessif F, typiquement environ 5 à 10 NI/min. L'écoulement de gaz d'étanchéité excessif est un résultat de la vaporisation du liquide cryogénique entre les parties de joint d'étanchéité pour fournir le gaz sec pour le joint d'étanchéité, ce qui est problématique en ce qu'il a pour résultat une quantité excessive de fuites du gaz sec à partir du joint d'étanchéité. L'agencement de joint d'étanchéité connu comprend un arbre de pompe 20 autour duquel une chambre d'entrée de pompe 22 est disposée pour recevoir un liquide cryogénique. Le liquide cryogénique est d'habitude à -196°C et 1 barg. La partie bague stationnaire 18 du joint d'étanchéité est montée sur le siège de joint d'étanchéité 24, et la partie bague rotative 16 du joint d'étanchéité est montée sur l'arbre de pompe 20. La chambre d'entrée de pompe 22 fournit le liquide cryogénique à partir duquel le gaz évaporé pour le joint d'étanchéité à gaz sec doit être fourni. Ce qui est nécessaire cependant est un ensemble joint d'étanchéité à gaz qui 30 fournisse le liquide cryogénique à une pression et une température aussi proches que possible du point d'ébullition (phase vapeur) du liquide au niveau de l'entrée des bagues de joint d'étanchéité à gaz. FR 12 03520 Les présents modes de réalisation proposent un appareil d'étanchéité à sec pour une machine, comprenant un joint d'étanchéité comportant une partie stationnaire et une partie rotative ; un espace disposé entre les parties stationnaire et rotative ; un élément de sollicitation disposé à proximité de la partie stationnaire et en contact avec celle-ci pour appliquer une force sur la partie stationnaire ; et un labyrinthe à proximité de la partie rotative et construit et agencé pour recevoir un liquide destiné à être vaporisé avant d'entrer dans l'espace entre les parties stationnaire et rotative du joint d'étanchéité. Les présents modes de réalisation proposent un procédé d'étanchéisation à sec d'un joint d'étanchéité dans une machine, comprenant la fourniture d'une partie stationnaire et 10 d'une partie rotative espacée de la partie stationnaire ; l'exercice d'une force contre la partie stationnaire pour contrôler une taille d'un espace entre les parties stationnaire et rotative ; l'introduction d'un liquide dilatable dans un labyrinthe à proximité de la partie rotative pour exposer ledit liquide dilatable à une température plus chaude du labyrinthe et de la partie rotative ; et la vaporisation du liquide dilatable pour fournir un gaz destiné à 15 être introduit dans l'espace. Pour une compréhension plus complète des présents modes de réalisation, on peut se référer à la description suivante prise conjointement aux figures des dessins, sur lesquels : la figure 1 représente une vue en perspective de dessus d'une pompe horizontale 20 cryogénique connue dans laquelle un appareil d'étanchéité à gaz peut être utilisé ; la figure 2 représente une vue latérale en coupe transversale d'un appareil d'étanchéité à gaz connu pour la pompe de la figure 1; la figure 3 représente une vue latérale en coupe transversale d'un mode de réalisation d'appareil d'étanchéité à gaz de la présente invention qui peut être utilisé dans 25 la pompe de la figure 1; et la figure 4 représente une vue latérale en coupe transversale agrandie de l'appareil d'étanchéité à gaz mode de réalisation de la figure 3. Un appareil d'étanchéité à sec pour une turbomachine est proposé et comprend un joint d'étanchéité comportant une partie stationnaire et une partie rotative ; un espace 30 disposé entre les parties stationnaire et rotative ; un élément de sollicitation disposé à proximité de la partie stationnaire et en contact avec celle-ci pour appliquer une force sur la partie stationnaire ; et un labyrinthe à proximité de la partie rotative et construit et FR 12 03520 agencé pour recevoir un liquide destiné à être vaporisé avant d'entrer dans l'espace entre les parties stationnaire et rotative du joint d'étanchéité. Un procédé d'étanchéisation à sec d'un joint d'étanchéité dans une turbomachine est proposé et comprend la fourniture d'une partie stationnaire et d'une partie rotative espacée de la partie stationnaire ; l'exercice d'une force contre la partie stationnaire pour contrôler une taille d'un espace entre les parties stationnaire et rotative ; l'introduction d'un liquide dilatable dans un labyrinthe à proximité de la partie rotative pour exposer ledit liquide dilatable à une température plus chaude du labyrinthe et de la partie rotative ; et la vaporisation du liquide dilatable pour fournir un gaz destiné à être introduit dans l'espace. En faisant référence aux figures 3 et 4, un appareil d'étanchéité à gaz des présents modes de réalisation est indiqué généralement par le numéro de référence 30 destiné à être utilisé dans une turbomachine 10. La turbomachine 10 peut être, par exemple, une turbine ou un compresseur, ou une machine rotative 10, telle qu'une pompe. L'appareil 30 peut agir sur du LNG ou de l'azote liquide (LIN), par exemple. L'appareil 30 comprend un agencement d'étanchéité d'arbre qui réduit un écoulement de gaz « G » au niveau du joint d'étanchéité. Ceci est réalisé en sollicitant ou forçant des éléments cartouches de joint d'étanchéité à gaz 38, 40, 42 (décrits davantage ci-dessus) pour les éloigner d'une chambre d'entrée de pompe et comprenant une partie intermédiaire avec un labyrinthe servant de vaporisateur. Lorsque le fluide cryogénique se déplace jusqu'aux parties bagues 38, 40 du joint d'étanchéité, le fluide cryogénique s'écoule à travers une cavité ou un labyrinthe 36 où son enthalpie respective est réduite. En outre, le positionnement de la cartouche de gaz d'étanchéité augmente la température des composants de joint d'étanchéité à gaz sec, les rendant ainsi plus chauds que ce qui se produit dans l'agencement d'étanchéité connu de la figure 2. Le passage étroit à travers la cavité 36 et le repositionnement de la cartouche de gaz d'étanchéité dans la zone plus chaude de la machine entraînent tous les deux la vaporisation du liquide cryogénique avant son écoulement entre les parties bagues 38, 40 du joint d'étanchéité. En d'autres termes, le présent mode de réalisation permet à un écoulement de gaz cryogénique G d'atteindre les bagues d'étanchéité, et non l'écoulement de gaz d'étanchéité de liquide cryogénique « F » qui se produit dans l'agencement d'étanchéité connu des figures 1 et 2. Donc, avec le mode de réalisation de l'appareil 30 de la présente invention, un film de gaz stable est établi entre les parties bagues de joint d'étanchéité 38, 40 qui réduit et stabilise de quelconques fuites de gaz d'étanchéité. FR 12 03520 Plus particulièrement et toujours en faisant référence aux figures 3 et 4, l'appareil d'étanchéité à gaz 30 comprend une chambre d'entrée de pompe 32 ou zone de pompe d'aspiration à travers laquelle un arbre de pompe 34 est disposé. Un liquide cryogénique est présent dans la chambre d'entrée de pompe 32. La cavité 36 d'une bague à 5 labyrinthe 37 s'étend axialement autour de l'arbre de pompe 34 et est séparée de, mais en communication avec, la chambre d'entrée de pompe 32. Un joint d'étanchéité à sec comprend une partie rotative 38 et une partie stationnaire 40, entre lesquelles une pression du liquide cryogénique diminue et le liquide se dilate, ce qui entraîne une augmentation de température du liquide cryogénique. Cependant, le liquide cryogénique est toujours en 10 phase liquide dans la cavité 36, tel qu'il est dans la chambre d'entrée de pompe 32. Les parties rotative et stationnaire 38, 40 du joint d'étanchéité à sec peuvent être construites sous forme de bagues qui s'étendent axialement autour de l'arbre de pompe 34. Un élément de sollicitation 42 tel que, par exemple, un ressort est monté sur le logement de joint d'étanchéité à gaz sec. Le ressort 42 peut être préalablement chargé, à 15 savoir le ressort fournit une quantité prédéterminée de pression ou force contre la partie bague stationnaire 40 du joint d'étanchéité à sec. La force exercée par le ressort 42 sur la partie bague stationnaire 40 du joint d'étanchéité à sec contrôle une taille et donc un volume d'un espace 44 entre les parties rotative et stationnaire 38, 40. Le liquide cryogénique peut donc s'écouler à partir de la chambre d'entrée de 20 pompe 32 dans la cavité 36 après quoi il commence à se vaporiser pour qu'un gaz cryogénique seul soit fourni à l'espace 44. Un passage ou une voie de passage 46 pour que l'écoulement du liquide cryogénique devienne le gaz cryogénique pour l'espace 44 est représenté sur la figure 3 (passage de labyrinthe). En effet, le liquide cryogénique est vaporisé avant qu'il entre dans l'espace 44, ce qui est différent de l'appareil connu qui 25 permet au liquide cryogénique de s'écouler à travers l'espace à partir duquel le gaz cryogénique est produit. Le ressort 42 non seulement contrôle la taille de l'espace 44, mais fournit une contre-force au gaz cryogénique se dilatant dans l'espace entre les parties rotative et stationnaire 38, 40. En effet, le ressort 42 maintient l'équilibre pour que l'espace 44 30 maintienne un volume continu pour la quantité de vapeur cryogénique qui provient du liquide cryogénique entrant à partir de la chambre d'entrée de pompe 32 dans la cavité 36. Le liquide cryogénique positionné dans la chambre d'entrée de pompe 32 s'écoule à travers le passage de labyrinthe 46 entre la bague à labyrinthe 37 et la partie bague FR 12 03520 rotative 38 et entre dans la cavité 36 devant l'appareil d'étanchéité 38, 40 à une pression inférieure et proche de son point d'ébullition (phase vapeur). Une vapeur partielle est donc présente pour que, lorsque le liquide cryogénique restant entre dans l'espace 44, il soit immédiatement vaporisé par l'effet de frottement entre la partie 38 tournant contre la partie 40. Le petit espace 44 permet seulement des fuites très faibles de gaz cryogénique vers le côté refoulement 14. L'appareil 30 des présents modes de réalisation utilise efficacement des joints d'étanchéité à gaz sec et pompes cryogéniques sans utiliser de gaz de purge externe. L'arbre 34 de l'appareil 30 chauffe le liquide cryogénique jusqu'à son point d'ébullition (phase vapeur) avant qu'il atteigne les bagues d'étanchéité 38, 40 pour que seulement le gaz soit introduit entre les bagues d'étanchéité. Ceci évite la nécessité d'utiliser un gaz de purge externe. Il faut entendre que les modes de réalisation décrits dans les présentes sont simplement illustratifs, et que l'homme du métier peut apporter des variations et des modifications sans s'éloigner de l'esprit et de la portée de l'invention. Toutes ces variations et modifications sont prévues pour être incluses au sein de la portée de l'invention telle qu'elle est décrite et revendiquée dans les présentes. En outre, tous les modes de réalisation décrits ne sont pas nécessairement des solutions alternatives, car divers modes de réalisation de l'invention peuvent être combinés pour fournir le résultat souhaité. REVENDICATIONS1. Appareil d'étanchéité à sec pour une machine, comprenant : un joint d'étanchéité comportant une partie stationnaire (40) et une partie rotative (38) ; un espace (44) disposé entre les parties stationnaire et rotative ; un élément de sollicitation (42) disposé à proximité de la partie stationnaire (40) et en contact avec celle-ci pour appliquer une force sur la partie stationnaire (40) ; et un labyrinthe (37) à proximité de la partie rotative (38) et construit et agencé pour recevoir un liquide destiné à être vaporisé avant d'entrer dans l'espace (44) entre les parties stationnaire et rotative du joint d'étanchéité. 2. Appareil selon la revendication 1, dans lequel la partie rotative (38) est en amont de la partie stationnaire(40). 3. Appareil selon la revendication 1, dans lequel l'élément de sollicitation (42) comprend un ressort. 4. Appareil selon la revendication 1, comprenant en outre une chambre d'entrée (22) pour la machine, la chambre d'entrée étant disposée en amont du, et en communication avec le, labyrinthe (37) pour recevoir le liquide. 5. Appareil selon la revendication 4, comprenant en outre une voie de passage pour la communication entre la chambre d'entrée et le joint d'étanchéité. 6. Appareil selon la revendication 1, dans lequel la machine est sélectionnée parmi le groupe constitué d'une pompe, d'une turbine et d'un compresseur. 7. Appareil selon la revendication 6, dans lequel la machine comprend une pompe et l'appareil est disposé au niveau d'un arbre (34) de la pompe. 8. Procédé d' étanchéisation à sec d'un joint d'étanchéité dans une machine, comprenant : 30 la fourniture d'une partie stationnaire (40) et d'une partie rotative (38) espacée de la partie stationnaire ;FR 12 03520 l'exercice d'une force contre la partie stationnaire (40) pour contrôler une taille d'un espace (44) entre les parties stationnaire et rotative ; l'introduction d'un liquide dilatable dans un labyrinthe (37) à proximité de la partie rotative (38) pour exposer ledit liquide dilatable à une température plus chaude du 5 labyrinthe et de la partie rotative (38) ; et la vaporisation du liquide dilatable pour fournir un gaz destiné à être introduit dans l'espace. 9. Procédé selon la revendication 8, comprenant en outre le positionnement de la partie 10 rotative (38) en amont de la partie stationnaire (40). 10. Procédé selon la revendication 8, comprenant en outre l'écoulement du gaz à partir du labyrinthe (37) dans l'espace (44) entre les parties stationnaire et rotative (40, 38). 15 11. Procédé selon la revendication 8, dans lequel le liquide dilatable est sélectionné parmi le groupe constitué du gaz naturel liquide (GNL), de l'azote liquide (LIN), de l'oxygène liquide (LOX), de l'argon liquide (LAR), du CO2 liquide et de l'air liquide. 12. Procédé selon la revendication 8, dans lequel la machine est sélectionnée parmi le 20 groupe constitué d'une pompe, d'une turbine et d'un compresseur.