Brevet FR3071281A1 — publié le 20190322

Machine tournante comprenant un système d'amortissement d'un joint d'étanchéité Le domaine de l'invention concerne les machines tournantes, par exemple les compresseurs centrifuges, et notamment les joints d'étanchéité pour de tels compresseurs. De manière générale, un compresseur centrifuge à plusieurs étages de compression comprend une pluralité de roues à aubes portées par un arbre mené couplé à un rotor entraîné par un moteur ou une turbine. Chaque roue à aubes comprend une pluralité d'ailettes radiales permettant d'aspirer le gaz axialement par rapport au rotor. Afin de limiter les fuites de gaz entre les étages de compression diminuant le rendement de la machine tournante, il est connu d'intégrer des joints tels que des labyrinthes ou nid d'abeille, notamment entre le rotor et la partie statorique, sans contact entre le rotor et ladite partie statorique. Toutefois, dans le cas des compresseurs centrifuges, lorsque ceux-ci fonctionnent à haute pression, les coefficients dynamiques des joints altèrent la stabilité dynamique du rotor qui se trouve affecté par des vibrations. En effet, lorsque la pression augmente, la densité du gaz augmente ce qui a pour conséquence d'augmenter l'instabilité de la machine tournante en augmentant l'interaction entre le rotor et le stator au niveau du joint d'étanchéité. Dans un certain cas, les vibrations dépassent les normes imposées par la norme « API617 ». Plusieurs méthodes connues permettent de limiter les vibrations, telles que, par exemple en augmentant le jeu radial entre le joint et le rotor. Toutefois, l'efficacité du compresseur se trouve fortement réduite. On pourra par ailleurs se référer au document WO 2014 038 079 - Al qui décrit une turbomachine comprenant une roue rotative, un stator et un joint labyrinthe comprenant une pluralité de dents délimitant une chambre entre chaque dent. Un élément 2 d'absorption de la pression est disposé dans chacune des chambres et se déplace radialement dans ladite chambre afin de réduire ou d'augmenter son volume dans le but de réduire la pression appliquée localement dans ladite chambre. Une telle solution est particulièrement 5 complexe et ne permet pas de modifier les propriétés mécaniques du joint labyrinthe. Il est également connu de modifier les coefficients des joints dynamiques en jouant sur l'aérodynamique des joints des compresseurs, par exemple en modifiant la géométrie du joint, par 10 exemple en utilisant un joint de structure alvéolaire en nid d'abeille. On peut également placer des lames en amont du joint labyrinthe afin de rediriger le gaz dans le sens d'écoulement de la fuite ou injecter du gaz en amont du joint, perpendiculairement au joint d'étanchéité afin de modifier l'écoulement du gaz en vue de modifier le coefficient 15 d' étanchéité. Toutefois, de telles solutions affectent l'efficacité du compresseur. Un des avantages apporté par les modes de réalisation de l'invention est de pouvoir jouer sur l'aspect mécanique et vibratoire 20 des joints labyrinthe afin de modifier leurs caractéristiques en termes de raideur et d'amortissement afin d'augmenter la stabilité des machines tournantes, de réduire les vibrations et de permettre la fabrication de compresseurs à haute pression. L'invention a pour objet une machine tournante comprenant un 25 rotor monté à rotation dans un carter et portant au moins une pluralité de roues à aubes, ladite machine comprenant au moins un joint d'étanchéité disposé radialement entre le rotor et le carter et monté mobile radialement dans un support de joint solidaire du carter. La machine tournante comprend un système d'amortissement 30 dudit joint d'étanchéité disposé entre le joint d'étanchéité et le support de joint, le système d'amortissement étant configuré pour amortir mécaniquement le joint, au niveau de sa fixation sur son support. Ainsi, le système d'amortissement peut garantir une absorption de l'énergie d'une éventuelle perturbation venant de l'écoulement de 3 gaz, dans le but de stabiliser le rotor et d'augmenter l'efficacité des compresseurs centrifuges fonctionnant sous haute pression. On a ainsi un seul système d'amortissement par joint d' étanchéité. 5 De manière générale, le système d'amortissement est configuré pour permettre un déplacement faible du joint labyrinthe, par exemple de l'ordre de quelques 1001è's de millimètres afin de permettre un amortisseur mécanique derrière le joint, au niveau de sa fixation sur son support et ainsi garantir une absorption de l'énergie d'une 10 éventuelle perturbation venant de l'écoulement de gaz, dans le but de stabiliser le rotor et d'augmenter l'efficacité des compresseurs centrifuges fonctionnant sous haute pression. Le système d'amortissement permet de procurer un amortissement du joint labyrinthe et ainsi modifier le coefficient du 15 joint en termes de raideur et d'amortissement. Avantageusement, le joint d'étanchéité est annulaire ou semiannulaire et peut comprendre une partie de fixation dans le support de joint solidaire du carter et une partie en dents de peigne s'étendant radialement vers le rotor. 20 La partie de fixation est, par exemple, retenue radialement dans un logement annulaire prévu dans le carter tout en étant mobile radialement dans ledit logement, ledit système d'amortissement étant disposé dans le logement de réception du joint radialement entre la partie de fixation du joint et le carter. 25 Selon un mode de réalisation, le système d'amortissement est un ruban annulaire ondulé configuré pour se déformer lorsque la pression augmente et ainsi amortir le joint labyrinthe en absorbant l'énergie lors de sa déformation. Le ruban annulaire ondulé est, par exemple, réalisé en matériau métallique, tel que de l'acier. 30 Selon un mode de réalisation, le système d'amortissement est une rondelle comprenant une pluralité de fibres tressées en contact entre la partie de fixation du joint et le support du joint. La rondelle est configurée pour amortir le joint labyrinthe en absorbant l'énergie lors de la déformation de chacune des fibres. La rondelle est, par 4 exemple, réalisée en matériau métallique, telle que de l'acier ou du cuivre. Selon un mode de réalisation, le système d'amortissement est un film de compression encapsulé dans une cavité étanche d'un 5 segment contenant de l'huile. La machine tournante peut être un compresseur centrifuge à multi-étages. D'autres buts, caractéristiques et avantages des modes de réalisations de l'invention apparaîtront à la lecture de la description 10 suivante, donnée uniquement à titre d'exemple non limitatif, et faite en référence aux dessins annexés sur lesquels : - la figure 1 représente très schématiquement une machine tournante comprenant un système d'amortissement selon l'invention ; - la figure 2 est une vue de détails de la figure 1 ; et 15 - les figures 3, 4 et 5 représentent trois exemples de réalisation d'un système d'amortissement selon l'invention. La figure 1 illustre de manière très schématique une machine tournante, référencée 10 dans son ensemble et comprenant un carter ou une partie statorique 14 du carter et un rotor 12 destiné à être entraîné 20 en rotation par l'intermédiaire d'un moteur (non représenté) monté dans ledit carter 14. Le rotor 12 porte une pluralité de roues à aubes 16 dont une seule est représentée sur la figure 1. Tel qu'illustré, le rotor 12 est supporté par un palier 18 dans le carter 14. La machine tournante 10 peut être un compresseur centrifuge 25 multi-étages ou une turbine à gaz ou toute autre machine tournante. Des joints d'étanchéité 20 de type labyrinthe sont disposés de part et d'autre de chacune des roues à aubes. Chaque joint 20 est annulaire ou semi-annulaire et comprend une partie de fixation 22 dans un support de joint solidaire du carter 14 de la machine tournante et 30 une partie en dents de peigne 24 s'étendant radialement vers le rotor 12. Tel qu'illustré en détails sur la figure 2, la partie de fixation 22 est retenue radialement dans un logement annulaire 26 prévu dans le carter 14 tout en étant mobile radialement dans ledit logement 26. 5 Un système d'amortissement 28 est disposé dans ledit logement entre le carter 14 et la partie de fixation 22 du joint labyrinthe 20. De manière générale, le système d'amortissement 28 est configuré pour permettre un déplacement faible du joint labyrinthe, 5 par exemple de l'ordre de quelques 1001èmes de millimètres afin de permettre un amortissement mécanique derrière le joint, au niveau de sa fixation sur son support et ainsi garantir une absorption de l'énergie d'une éventuelle perturbation venant de l'écoulement de gaz, dans le but de stabiliser le rotor et d'augmenter l'efficacité des compresseurs 10 centrifuges fonctionnant sous haute pression. En d'autres termes, le système d'amortissement 28 ne permet pas un grand déplacement du joint labyrinthe et permet ainsi d'éviter que le joint labyrinthe ne s'écarte lors d'une pression importante générant un écoulement important. 15 Dans le mode de réalisation illustré sur la figure 3, le système d'amortissement 28 est un ruban annulaire ondulé, par exemple en acier, disposé dans le logement 26 de réception du joint 20 entre la partie de fixation 22 du joint 20 et le carter 14 et configuré pour se déformer lorsque la pression augmente et ainsi d'amortir le joint 20 labyrinthe en absorbant l'énergie lors de sa déformation. Dans le mode de réalisation illustré sur la figure 4, le système d'amortissement 28 est une rondelle comprenant une pluralité de fibres tressées et disposée dans le logement 26 de réception du joint 20 en contact entre la partie de fixation 22 du joint 20 et le carter 14 et 25 configurée pour amortir le joint labyrinthe en absorbant l'énergie lors de la déformation de chacune des fibres. La rondelle est, par exemple réalisée en matériau métallique, telle que de l'acier ou du cuivre. Le déplacement du joint est alors limité par des butées mécaniques. Dans le mode de réalisation illustré sur la figure 5, le système 30 d'amortissement 28 est un film de compression 30 encapsulé dans une cavité étanche 32 d'un segment 34 contenant de l'huile. Le déplacement du joint entraîne la déformation du support. L'amortissement est alors apporté par l'écrasement du film d'huile contenu dans l'interstice 30. 6 De manière générale, le système d'amortissement 28 permet de procurer un amortissement du joint labyrinthe et ainsi modifier le coefficient du joint en termes de raideur et d'amortissement. Comme on le conçoit, les modes de réalisation de l'invention 5 permettent de placer un amortisseur mécanique derrière le joint, contrairement aux enseignements courants dans l'état de la technique connu, dans lesquels les joints labyrinthes sont rigidement montés dans le carter du compresseur. Ici, grâce au système d'amortissement mécanique selon les 10 modes de réalisation de l'invention, on peut absorber l'énergie de perturbation venant de l'écoulement de gaz et stabiliser le rotor. De plus, les modes de réalisation de l'invention peuvent être facilement employés pour améliorer les compresseurs existants permettant de réduire leur coût de revient et d'entretien. 15 Enfin, les modes de réalisation de l'invention REVENDICATIONS1. Machine tournante comprenant un rotor (12) monté à rotation dans un carter (14) et portant au moins une pluralité de roues à aubes, ladite machine comprenant au moins un joint d'étanchéité (20) disposé radialement entre le rotor et le carter (14) et monté mobile radialement dans un support de joint solidaire du carter (14), caractérisée en ce qu'elle comprend un système d'amortissement (28) dudit joint d'étanchéité disposé radialement entre le joint d'étanchéité et le support de joint, le système d'amortissement étant configuré pour amortir le joint. 2. Machine tournante selon la revendication 1, dans laquelle le joint d'étanchéité (20) comprend une partie de fixation (22) dans le support de joint solidaire du carter (14) et une partie en dents de peigne (24) s'étendant radialement vers le rotor (12). 3. Machine tournante selon la revendication 2, dans laquelle la partie de fixation (22) est retenue radialement dans un logement annulaire (26) prévu dans le carter (14) tout en étant mobile radialement dans ledit logement (26), ledit système d'amortissement (28) étant disposé dans le logement (26) de réception du joint (20) radialement entre la partie de fixation (22) du joint (20) et le carter (14). 4. Machine tournante selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans laquelle le système d'amortissement (28) est un ruban annulaire ondulé configuré pour se déformer lorsque la pression mécanique augmente. 5. Machine tournante selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, dans laquelle le système d'amortissement (28) est une rondelle comprenant une pluralité de fibres tressées en contact entre la partie de fixation (22) du joint (20) et le support du joint. 6. Machine tournante selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, dans laquelle le système d'amortissement (28) est 8 un film de compression (30) encapsulé dans une cavité étanche (32) d'un segment (34) contenant de l'huile. 7. Machine tournante selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans laquelle la machine tournante (10) 5 est un compresseur centrifuge à multi-étages.