Brevet FR3036154A1 — publié le 20161118

Dispositif de transmission de couple pour une machine tournante, ensemble d'un tel dispositif et d'une turbine, d'un compresseur et/ou d'une pompe, et système comprenant un tel ensemble L'invention concerne un dispositif de transmission de couple pour une machine tournante, notamment pour une machine tournante destinée à être intégrée dans un système thermodynamique. L'invention concerne aussi un ensemble d'un tel dispositif et d'une turbine, d'un compresseur et/ou d'une pompe. L'invention concerne encore un système mettant en oeuvre un cycle thermodynamique de Rankine comprenant un tel ensemble. L'étanchéité vers l'extérieur est un problème récurrent pour les machines tournantes de l'art antérieur. Ce problème se pose d'autant plus quand la machine présente un carter qui est coupé, par exemple horizontalement, afin de répondre à des contraintes de fabrication et/ou d'assemblage. Plus précisément, l'étanchéité vers l'extérieur doit être réalisée à la fois de manière statique, au niveau du plan de coupe du carter, et de manière dynamique, à l'endroit de la sortie de l'arbre de la machine. Les étanchéités statique et dynamique sont alors difficiles à assurer, en particulier lorsque l'arbre de la machine se trouve au niveau du plan de coupe. Un objectif de la présente invention est d'assurer une étanchéité statique et une étanchéité dynamique efficaces pour une machine tournante qui présente un carter coupé, par exemple horizontalement. Ainsi l'invention concerne un dispositif de transmission de couple pour une machine tournante, notamment pour une machine tournante destinée à être intégrée dans un système thermodynamique, ledit dispositif comprenant un carter, un arbre principal et un arbre de sortie, ledit arbre principal étant confiné à l'intérieur dudit carter, ledit arbre de sortie débouchant à l'extérieur dudit carter, ledit carter présentant une surface de joint entre deux parties dudit carter. 3036154 2 Selon l'invention ledit dispositif comprend en outre un moyen d'étanchéité agencé pour assurer une étanchéité dynamique au niveau de l'arbre de sortie, ledit dispositif comprenant aussi un moyen de transmission mécanique entre l'arbre principal et l'arbre de sortie, ledit moyen de transmission mécanique étant intégré à 5 l'intérieur dudit carter et, l'arbre de sortie étant désaxé par rapport à la surface de joint. Dans le cas d'un carter coupé, par exemple horizontalement, le désaxage de l'arbre de sortie par rapport à la surface de joint permet de prévoir un moyen 10 d'étanchéité, au niveau de l'arbre de sortie, qui est distant de la surface de joint. Ainsi, le dispositif selon l'invention permet d'assurer une étanchéité statique et une étanchéité dynamique efficaces pour une machine tournante qui présente un tel carter ; l'étanchéité au niveau du plan de joint étant l'étanchéité statique et l'étanchéité au niveau de l'arbre de sortie étant l'étanchéité dynamique, lesdites deux 15 étanchéités étant réalisées efficacement car, indépendantes l'une de l'autre. D'autre part, la présence d'un moyen de transmission mécanique entre l'arbre principal et l'arbre de sortie, intégré à l'intérieur du carter, présente l'avantage de limiter la vitesse de rotation de l'arbre de sortie, par exemple, et facilite ainsi la réalisation de l'étanchéité dynamique. 20 Selon différents modes de réalisation de l'invention, qui pourront être pris ensemble ou séparément : - ledit moyen d'étanchéité est un joint d'étanchéité dynamique, situé au niveau de l'arbre de sortie, 25 - la surface de joint est un plan de joint, - le dispositif selon l'invention comprend un joint d'étanchéité statique situé au niveau dudit plan de joint, - ledit arbre principal est situé au niveau du plan de joint, - l'arbre principal est monté en rotation sur ledit carter, 30 - ledit carter présente un axe d'extension longitudinal suivant ledit arbre principal, - ledit arbre de sortie et ledit arbre principal sont parallèles, - le dispositif de l'invention est configuré de manière à occuper deux positions, une première position, dite position de fonctionnement, dans 3036154 3 laquelle ledit carter est fermé de manière étanche, et une seconde position, dite position de repos, dans laquelle ledit carter est ouvert et dans laquelle l'arbre principal est apte à être déposé hors dudit carter, - ledit moyen de transmission mécanique est un réducteur, 5 - ledit carter comprend différents compartiments le long dudit arbre principal, - ledit réducteur étant situé à l'intérieur d'un premier desdits compartiments, - le carter est configuré pour que la pression ne soit pas la même dans 10 lesdits compartiments, - le carter est configuré pour que la pression dans le compartiment dans lequel est situé le réducteur soit inférieure à celle dans le, ou les autres compartiments. 15 L'invention concerne aussi un ensemble d'un dispositif tel que décrit ci-dessus et d'une turbine, d'un compresseur et/ou d'une pompe, ensemble dans lequel l'arbre principal définit un arbre de ladite turbine, dudit compresseur et/ou de ladite pompe. 20 Avantageusement, ledit ensemble comprend en outre un fluide de travail circulant au sein dudit carter. L'invention concerne encore un système mettant en oeuvre un cycle thermodynamique de Rankine et comprenant un tel ensemble. 25 L'invention sera mieux comprise, et d'autres buts, détails, caractéristiques et avantages de celle-ci apparaîtront plus clairement au cours de la description explicative détaillée qui va suivre, d'au moins un mode de réalisation de l'invention 30 donné à titre d'exemple purement illustratif et non limitatif, en référence aux dessins schématiques annexés suivants : - la figure 1 est une représentation isométrique, légèrement inclinée, d'un exemple de réalisation de dispositif selon l'invention, 3036154 4 - la figure 2 est une vue en coupe longitudinale du dispositif représenté à la figure 1. 5 Comme illustré sur les figures 1 et 2, l'invention concerne un dispositif de transmission de couple 10 pour une machine tournante, notamment pour une machine tournante destinée à être intégrée dans un système thermodynamique. Un tel système thermodynamique n'est pas illustré en détails ici. Ce système pourra être un système mettant en oeuvre un cycle thermodynamique de Rankine, ou tout autre 10 cycle thermodynamique connu, ceci sans sortir du cadre de l'invention. Le dispositif selon l'invention comprend un carter 21, 22 et un arbre de sortie 31, ledit arbre de sortie 31 débouchant à l'extérieur dudit carter 21, 22. Le carter 21, 22 sera destiné à accueillir des éléments dudit système thermodynamique, 15 notamment de façon étanche. Autrement dit, lesdits éléments dudit système thermodynamique seront protégés de l'extérieur par ledit carter 21, 22 et les fluides destinés à être utilisés par lesdits éléments seront maintenus dans ledit carter 21, 22, en limitant leur fuite vers l'extérieur. Considérant que lesdits éléments dudit système sont avantageusement configurés pour fonctionner avec un fluide de travail circulant 20 au sein dudit système, le milieu extérieur sera ainsi protégé de toute fuite dudit fluide de travail vers l'extérieur. L'arbre de sortie 31 présente un axe, repéré X sur les figures. Cet axe X sera dit, axe de sortie X par la suite. 25 D'autre part, il est visible sur les figures 1 et 2 que le carter 21, 22 présente une surface de joint 23 entre deux parties 21, 22 dudit carter. On entend par deux parties 21, 22, deux zones distinctes qui forment une cavité interne lorsqu'elles sont réunies, ou encore lorsqu'elles sont jointes l'une à l'autre. Ici, les deux parties du carter 21, 22 sont jointes via un plan de joint P23. 30 Ce plan de joint P23 est ici représenté rectiligne, notamment parallèle à l'axe de sortie X. Cette représentation n'est pas limitative et ce plan de joint P23, en particulier pour des contraintes d'encapsulage de différents éléments, par exemple d'éléments de commande, pourra suivre une courbe linéaire, voire une courbe suivant des lignes brisées. Autrement dit, ledit carter sera réalisé en deux parties 21, 3036154 5 22 qui seront jointes au niveau d'une surface de joint 23 et ladite surface de joint 23 suivra la forme, même étagée, du carter 21, 22. Encore autrement dit, ladite surface de joint 23 permettra d'assurer la liaison étanche entre deux parties 21, 22 d'un carter 21, 22 coupé le long d'une ligne rectiligne ou courbe, ceci à l'aide d'un joint 5 statique (non représenté ici). En effet, le dispositif 10 selon l'invention comprendra avantageusement un joint d'étanchéité statique situé au niveau dudit plan de joint P23. Ledit joint d'étanchéité statique permettra une fermeture étanche du carter 10 21, 22. L'étanchéité de cette fermeture, ou encore de ladite surface de joint 23, sera efficace car elle ne comprendra aucune pièce mobile. Autrement dit, l'arbre de sortie 31, mobile en rotation autour de son axe de sortie X, ne sera pas compris dans ladite surface de joint 23. Encore autrement dit, ladite surface de joint 23 ne comprendra aucune ouverture vers le milieu extérieur. 15 L'étanchéité statique le long de la surface de joint 23 pourra alors être obtenue, par exemple à l'aide d'un joint d'étanchéité statique de type classique, notamment un joint élastomère comprimé de façon adéquate entre lesdites deux parties 21, 22 du carter. 20 Selon l'invention ledit dispositif 10 comprend, en outre, un moyen d'étanchéité 40 agencé pour assurer une étanchéité dynamique au niveau dudit arbre de sortie 31 - voir les figures pour le positionnement dudit moyen d'étanchéité 40, ledit moyen d'étanchéité 40 n'étant pas illustré en détails. Ledit arbre de sortie 31 est désaxé par rapport à la surface de joint 23. 25 Ledit moyen d'étanchéité 40 est donc situé au niveau de l'arbre de sortie 31, autour de l'axe de sortie X, entre la cavité interne d'une partie dudit carter 21 et le milieu extérieur, à distance de ladite surface de joint 23. Ici l'arbre de sortie 31 se situe en partie haute de l'exemple illustré. On entend par « partie haute », une des deux parties du carter 21 qui se trouve au-30 dessus du plan de joint P23. L'invention n'est pas limitée à cet exemple. L'arbre de sortie 31, et l'étanchéité dynamique associée, pourront être prévus dans la partie basse 22 du carter - partie qui se trouve au-dessous du plan de joint P23 - notamment pour faciliter l'enlèvement de la partie haute 21 pendant une opération de maintenance, 3036154 6 partie haute 21 qui comprendrait alors moins d'éléments à emporter lors de son enlèvement. L'étanchéité dynamique au niveau de l'arbre de sortie 31 pourra être 5 obtenue, par exemple à l'aide d'un joint dynamique de type classique, notamment de type rondelle à faible coefficient de frottement. Cette étanchéité dynamique sera d'autant plus efficace qu'elle sera la seule étanchéité au niveau dudit arbre de sortie 31. En effet, l'arbre de sortie 31 est désaxé par rapport à ladite surface de joint 23. Cela signifie que l'étanchéité dynamique à 10 prévoir au niveau de l'arbre de sortie 31 n'entre pas en interférence avec l'étanchéité statique à prévoir au niveau de la surface de joint 23. D'autre part, le dispositif 10 selon l'invention comprend, encore, un arbre principal 32, confiné à l'intérieur dudit carter 21, 22. Cet arbre 32 est notamment 15 monté en rotation sur ledit carter 21, 22, en particulier au niveau dudit plan de joint P23 mais sans interférer avec ledit joint statique. Il présente un axe, dit axe principal, qui est repéré Y sur les figures. Le plan de joint P23 comprend ledit axe principal Y. Par « confiné » on entend compris intégralement à l'intérieur dudit carter 21, 22. Autrement dit, l'arbre principal 32 ne s'étend pas vers l'extérieur du carter 21, 22. 20 Ledit carter 21, 22 comprendra avantageusement des paliers d'articulation 35-37 dudit arbre principal 32. Ces paliers, de type classique permettront audit arbre principal 32 d'être animé d'un mouvement de rotation autour dudit axe principal Y, notamment lorsqu'il est entraîné en rotation par exemple par une turbine prévue à son niveau. A titre d'exemples non limitatifs, lesdits paliers d'articulation 35-37 25 pourront être hydrodynamiques, voire magnétiques. Ici, ledit carter 21, 22 présente un axe d'extension longitudinal suivant ledit arbre principal 32. Autrement dit, le carter 21, 22 présente, ici, une forme qui s'étend le long d'un axe d'extension longitudinal qui, lui-même, est confondu avec l'axe 30 principal Y. En particulier, le carter 21, 22 présente, ici, une forme cylindrique. Ladite forme cylindrique comprend deux parties demi-cylindriques 21, 22 qui se joignent le long du plan de joint P23, ledit plan de joint P23 les séparant en deux parties sensiblement symétriques. Cependant, cette représentation n'est pas limitative et le carter 21, 22 pourra être réalisé à partir de deux parties 21, 22 de 3036154 7 forme non symétriques. Ainsi le carter 21, 22 pourra être obtenu à partir de toutes autres formes données aux deux parties qui se joignent le long de la surface de joint 23. 5 Le dispositif selon l'invention comprend, en outre, un moyen de transmission mécanique 33, 34, ou réducteur 33, 34, entre l'arbre principal 32 et l'arbre de sortie 31. Ledit réducteur 33, 34 est intégré à l'intérieur dudit carter 21, 22. Ledit réducteur 33, 34 sera formé par au moins deux roues dentées 33, 34. Dans l'exemple illustré ici, ledit réducteur comprend une première roue dentée 34 liée à l'arbre principal 32 10 et une seconde 33 liée à l'arbre de sortie 31. Lesdites deux roues dentées 33, 34 sont en prise l'une avec l'autre et peuvent permettre de réduire la vitesse de rotation de l'arbre de sortie 31 par rapport à celle de l'arbre principal 32. La présence de ce réducteur 33, 34 présente alors l'avantage de prévoir une étanchéité dynamique qui est d'autant plus aisée à réaliser que la vitesse de rotation 15 de l'arbre de sortie 31 est faible. Dans un mode de réalisation alternatif, et ceci sans sortir du cadre de l'invention, ledit moyen de transmission mécanique 33, 34 pourra être utilisé pour augmenter la vitesse de rotation dudit arbre de sortie 31. 20 D'autre part, il est à noter que l'axe principal Y et l'axe de sortie X sont parallèles entre eux, en particulier pour assurer un fonctionnement optimal dudit réducteur 33, 34. De plus, comme l'arbre principal 32, ledit arbre de sortie 31 est articulé à l'intérieur du carter 21, 22, en particulier sur une cloison de séparation 26 25 du carter 21, 22, notamment à l'aide d'un palier référencé 38 sur les figures. En effet, ledit carter 21, 22 pourra comprendre différents compartiments 24, 25 le long dudit arbre principal 32, c'est-à-dire le long dudit axe principal Y. Le réducteur 33, 34 sera avantageusement situé à l'intérieur d'un premier 30 desdits compartiments 25. Cela présentera l'avantage de l'isoler du reste du carter 21, 22, notamment de la partie de l'arbre principal 32 qui est destiné à définir un arbre d'éléments tels qu'une turbine, un compresseur et/ou une pompe. Ces derniers éléments appartiendront, avantageusement, au système thermodynamique, voire constitueront ce système thermodynamique. 3036 154 8 Avantageusement, le carter 21, 22 sera configuré pour que la pression ne soit pas la même dans les différents compartiments 24, 25. Par exemple, la pression dans le compartiment 25 dans lequel est situé le réducteur 33, 34 pourrait être 5 prévue inférieure à celle dans les autres compartiments, notamment à celle dans le compartiment 24 destiné à comprendre ladite turbine, ledit compresseur et/ou ladite pompe. Cela présente l'avantage de prévoir une étanchéité dynamique, au niveau de l'arbre de sortie 31, entre le compartiment 25 qui le contient et l'extérieur, qui sera d'autant plus aisée à réaliser que la pression qui y règne sera proche de la pression 10 du milieu extérieur, la pression du milieu extérieur étant souvent la pression atmosphérique. En effet, un faible gradient de pression entre le compartiment 25 du réducteur 33, 34 et l'extérieur diminue les contraintes mécaniques sur le joint dynamique et favorise son étanchéité. 15 Dans un mode de réalisation alternatif, et ceci sans sortir du cadre de l'invention, la pression dans le compartiment 25 dans lequel est situé le réducteur 33, 34 pourrait être prévue supérieure à celle dans les autres compartiments, notamment à celle dans le compartiment 24 destiné à comprendre ladite turbine, ledit 20 compresseur et/ou ladite pompe. Ainsi, le dispositif 10 de l'invention est configuré de manière à occuper deux positions, une première position, dite position de fonctionnement, dans laquelle ledit carter 21, 22 est fermé de manière étanche (voir figures 1 et 2), et une seconde 25 position, dite position de repos, dans laquelle ledit carter 21, 22 est ouvert et dans laquelle l'arbre principal 32 est apte à être déposé hors dudit carter 21, 22 (non illustrée ici). L'invention concerne aussi un ensemble d'un dispositif 10 tel que décrit ci- 30 dessus et de la turbine, du compresseur et/ou de la pompe introduits ci-dessus ; ensemble dans lequel l'arbre principal 32 est destiné à définir un arbre de ladite turbine, dudit compresseur et/ou de ladite pompe. 3036154 9 L'ensemble est donc aisément amovible. On entend par là que l'ensemble peut être facilement déposé, sans démontage d'un nombre de pièces mécaniques élevé. Autrement dit, l'ouverture du carter 21, 22 autorise l'extraction, en un unique bloc, de l'arbre principal 32 et des éléments qui y sont liés, par exemple ladite 5 turbine, ledit compresseur et/ou ladite pompe. Cela présente l'avantage d'économiser le nombre de roulements à monter/démonter lors d'opérations de maintenance par exemple. L'ensemble de l'invention présente donc l'avantage supplémentaire de limiter les pertes dues aux roulements, notamment en diminuant leur nombre. 10 L'invention qui vient d'être décrite trouve une application particulière pour les machines tournantes qui présentent un carter coupé, par exemple horizontalement, afin de répondre à des contraintes de fabrication et/ou d'assemblage de ladite turbine, dudit compresseur et/ou de ladite pompe à l'intérieur dudit carter 21, 22. En 15 effet, l'invention, en proposant un joint statique qui fait le tour de la surface plane 23 de contact des deux moitiés du carter 21, 22, et un joint dynamique à l'endroit de la sortie de l'arbre de la machine 31, résout le problème d'étanchéité qui se pose lorsque l'axe de l'arbre de la machine se trouve sur la surface de contact. Le dispositif de l'invention permet de résoudre ce problème en déportant 20 l'axe de sortie grâce au réducteur 33, 34. Il est à noter, d'ailleurs, que le réducteur sera configuré pour baigner dans le fluide de travail du système thermodynamique. 25 Il est à noter aussi que la géométrie réelle du carter 21, 22 pourra être plus complexe que la simple représentation qui en est faite sur les figures 1 et 2. Il est à noter également que le dispositif 10 décrit ci-dessus trouvera une application particulière pour des turbomachines comprenant une étape de détente 30 d'un flux gazeux. Il est aussi à noter encore que des variantes de réalisation sont bien sûr possibles. Notamment il est aussi envisageable, dans un exemple de réalisation non illustré ici, que le carter soit réalisé en plus de deux parties, toutes jointes par des 3036154 10 surfaces de joint munies de joints d'étanchéité statique, lesdites surfaces de joint ne présentant, à leur niveau, pas de sortie pour l'arbre de la machine tournante. REVENDICATIONS1. Dispositif de transmission de couple (10) pour une machine tournante, notamment pour une machine tournante destinée à être intégrée dans un système thermodynamique, ledit dispositif (10) comprenant un carter (21, 22), un arbre principal (32) et un arbre de sortie (31), ledit arbre principal (32) étant confiné à l'intérieur dudit carter (21, 22), ledit arbre de sortie (31) débouchant à l'extérieur dudit carter (21, 22), ledit carter (21, 22) présentant une surface de joint (23) entre deux parties dudit carter (21, 22), ledit dispositif (10) comprenant en outre un moyen d'étanchéité (40) agencé pour assurer une étanchéité dynamique au niveau de l'arbre de sortie (31), ledit dispositif (10) comprenant aussi un moyen de transmission mécanique (33, 34) entre l'arbre principal (32) et l'arbre de sortie (31), ledit moyen de transmission mécanique (33, 34) étant intégré à l'intérieur dudit carter (21, 22) et, l'arbre de sortie (31) étant désaxé par rapport à la surface de joint (23). 2. Dispositif (10) selon la revendication précédente, dans lequel la surface de joint (23) est un plan de joint (P23). 3. Dispositif (10) selon la revendication précédente, dans lequel ledit arbre principal (32) est situé au niveau du plan de joint (P23). 4. Dispositif (10) selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel l'arbre principal (32) est monté en rotation sur ledit carter (21, 22). 5. Dispositif (10) selon l'une quelconque des revendications précédentes, configuré de manière à occuper deux positions, une première position, dite position de fonctionnement, dans laquelle ledit carter (21, 22) est fermé de manière étanche, et une seconde position, dite position de repos, dans laquelle ledit carter (21, 22) est ouvert et dans laquelle l'arbre principal (32) est apte à être déposé hors dudit carter (21, 22). 3036154 12 6. Dispositif (10) selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel ledit moyen de transmission mécanique (33, 34) est un réducteur (33, 34). 7. Dispositif (10) selon la revendication précédente, dans lequel ledit carter (21, 22) comprend différents compartiments (24, 25) le long dudit arbre principal (32), ledit réducteur (33, 34) étant situé à l'intérieur d'un premier (25) desdits compartiments (24, 25). 8. Ensemble d'un dispositif (10) selon l'une quelconque des revendications précédentes et d'une turbine, d'un compresseur et/ou d'une pompe, ensemble dans lequel l'arbre principal (32) définit un arbre de ladite turbine, dudit compresseur et/ou de ladite pompe. 9. Ensemble selon la revendication précédente, comprenant en outre un fluide de travail circulant au sein dudit carter (21, 22). 10.Système mettant en oeuvre un cycle thermodynamique de Rankine 20 comprenant l'ensemble selon l'une quelconque des revendications 8 ou 9. 5 10 15