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-RENVOI D'HUILE POUR SCELLEMENT D'ARBRE, AVEC VENTILATION FORCEE.-
La présente invention est relative aux scellements à huile pour les paliers des rotors à grande vitesse et éléments si- milaires, et, plus particulièrement, à un assemblage à renvoi
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d'huile pour un palier de turbine à vaeur dans lequel est incorporé un système de ventilation forcée pour éviter le transfert au palier de la chaleur venant des parties adjacentes à haute température, et pour "pressuriser" le scellement à huile afin de s'opposer aux fuite. d'huile et de vapeur d'huile vers l'extérieur.
Comme les températures utilisées dans les turbines à va- peur ont augmenté progressivement jusque 370 C. il est devenu très important d'isoler les paliers de.l'arbre de la chaleur venant des parties adjacentes à haute température de l'enveloppe de la turbine.- Sans une telle protection, la chaleur conduite et rayonnée par les parties chaudes de la turbine provoque la carbonisation de l'huile lubrifiante et le dépôt du carbone résultant sur les parties rota- tives coopérantes, à un degré tel que des parties peuvent être rayées mécaniquement et les caractéristiques d'éptilibre du rotor sérieuse- ment compromises.
Par conséquent, un objet de la présente invention est de présenter un assemblage perfectionné à renvoi d'huile constituant écran pour la chaleur, pour un scellement à huile des paliers d'ar- bre, avec des moyens spéciaux pour créer une zone de pression posi- tive afin de s'opposer aux fuites d'huile vers l'extérieure et aussi, enlever la chaleur de l'arbre et des parties-coopérantes avant qu'el- le ait atteint le,-palier et le réservoir d'huile, certaines parties du système de ventilation forcée formant aussi un écran au rayonne- ment, servant d'écran pour la chaleur entre le palier et les parties chaudes adjacentes de la turbine.
L'invention'sera d'ailleurs mieux comprise en se réfé-, rant à la description suivante et aux dessins qui l' accompagnent, donnés à titre d'exemple'non limitatif et dans lesquels : -la fig.l est une coupe longitudinale faite dans un assemblage de palier d'arbre et de scellement à huile, dans une tur- bine à hautetempérature, dans lequel est incorporé le dispositif suivant l'invention; -la fig.2 est une coupe partielle, illustrant des détail:
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du système de ventilation forcée; -la fig.3 est une coupe partielle illustrant des détails de construction d'un assemblage à renvoi d'huile,ventilé, dans le- quel est incorporé le dispositif suivant l'invention.
L'invention est réalisée en, prévoyant un écran multiple pour le rayonnement, entre le scellement à.huile et les parties chou des adjacentes, avec un souffleur centrifuge pour faire circuler de l'air de refroidissement sur les écrans et créer une zone de pression à la face extérieure du scellement à huile.
En se référant maintenant plus particulièrement à la fig.l, l'invention est illustrée par son application à une turbine à vapeur, dont seulement une partie de.l'enveloppe à haute température est représentée en 1, un assemblage 2 à garniture, de construction habituelle, étant boulonné à cette enveloppe,,Une petite partie du palier conventionnel est représenté en 3. On remarquera que ce pa- lier 3 est supporté par un socle 4 qui est séparé mécaniquement et thermiquement de l'enveloppe 1 de turbine à haute température pour éviter la propagation de la chaleur de la turbine, à travers le so- cle, vers le palier.
L'assemblage spécial, refroidi par air, à ren- voi d'huile, auquel se rapporte plus particulièrement l'invention, est représenté en 5. ,
Le rotor de turbine possède une partie -terminale 6 de l'arbre supporté dans le palier 3, un épaulement 6a de diamètre un peu plus grand, et un épaulement 6b encore plus large immédiatement adjacent aux gorges 2a de scellement. L'assemblage ventilé du scel- lement à huile comprend un ânneau tournant 7 de scellement, un anneau stationnaire 8 de scellement supporté dans le palier 4, et un écran multiple contre le rayonnement indiqué dans son ensemble par le n 9 de'référence.
L'élément stationnaire 8 de scellement soopère avec l'anneau tournant 7 pour former le scellement à huile principal, l'é- cran multiple 9 constitue une barrière au transfert de la. chaleur de l'enveloppe chaude de la turbine au palier 4, et l'élément 7 à une*
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forme telle qu'il pompe l'air de refroidissement à travers l'écran contre le rayonnement et fait naître une pression à la face exté- rieure du scellement de l'arbre pour éviter les fuites d'huile vers l'extérieur.
La façon dont ses fonctions sont réalisées seront exa- winéps plus en détails dans la suite.
L'élément 7 est un anneau continu pressé sur l'épaule- ment 6a. On voit que cet anneau comprend en réalité un moyau 7a, un bras 7b relativement mince, et un bord 7c. La partie principale du bord 7c définit une surface corconférentielle de longueur axiale sensible et adaptée pour coopérer avec la denture multiple 8a de scellement, définie par les gorges circonférentieel 8b réalisées dans l'élément stationnaire 8. Il est évident que 1'. élément 8 peut être réalisé en deux segments ou plus.qui sont supportés dans le palier 4 par un joint circonférentiel 8c à rainure]et languette.
La denture 8a définit des espaces libres circonférentiels avec la surface extérieure du bord.70, ces espaces étant aussi petits que l'on peut le réaliser avec lespocédésde fabrication actuels . La partie terminale extérieure du bord 7c est fabriquée de manière à définir des aubes 7d de pompe centrifuge.
La forme de l'anneau 7 est spécialement adaptée pour réduire le transfert de chaleur, se propageant par conduction le' long de l'arbre,des parties chauffées du rotor de turbine vers l'é- lément 8 de scellement. Il apparaît en examinant la fig.l qu'une' dilàtation thermique excessive de l'anneau 7 tendrait à fermer les espaces libres définis avec la denture 8a et à créer du danger de frottement. Toute usure résultante de la denture 8a tendrait à agrandir les espaces libres et à augmenter les fuites d'huile. Par conséquent, le maintien de l'anneau.7 à une température relativement basse facilite le maintien d'espaces libres très réduits entre le bord 7c et la denture 8a, de manjère à 'minimiser les fuites d'huile.
Il est aussi évident que si la température de l'anneau 7 pouvait atteindre une valeur suffisante pour provoquer la carbonisation de
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l'huile fuyant le long de la surface extérieure du bord 7c, le car- bons résultant se déposant dans les espaces libres définis avec la denture 8a et provoquerait l'éraflement de la surface extérieure du bord 7c. Un tel éraflement augmenterait évidemment, le chemin de fui- te pour l'huile et pourrait éventuellement détruire l'équilibre très précis requis pour le rotor de turbine.
Les caractéristiques.de construction qui empêchent la propagation de la chaleur de l'arbre à l'élément 8, sont les sui- vantes : en premier lieu, on observera que la périphérie intérieure du moyeu 7a est découpée pour définir une partie rentrante 7e avec .l'arbre. Cette partie rentrante annulaire réduit le contact métal- métal entre le moyeu 7a et la partie 6a de l'arbre, laissant seule- ment en contact les trois parties annulaires relativement petites désignées par le n 7f de référence. Par conséquent, la conduction de la chaleur de l'arbre du rotor à l'anneau 7 est maintenue à une valeur minimum. De-plus, le bras 7b possède'1'épaisseur axiale mi- nimum requise pour supporter les tensions mécaniques imposées en raison de la force rentrifuge agissant sur le bord 7c.
On voit, d'après la fig.l, que ce bras 7b est'relativement mince par rapport à la longueur axiale du moyeu et du bord. Ce bras mince constitue un chemin de transfert minimum de la chaleur entre le moyeu 7a et le bord 7c.
Outre la fixation par pression du moyeu 7a à la par= tie 6a de l'arbre, l'anneau 7 peut être fixé par tout moyen conve- nable, par exemple à l'aide d'un goujon radial représenté en 10, la partie ressortante du goujon s'engageant dans une rainure 10a pratiquée dans le moyeu 7a.
L'écran multiple 9 comprend une première plaque annu- laire 9a espacée axialement d'une seconde plaque annulaire 9b pour définir un passage 9c d'entrée de l'air de refroidissement. On voit que la périphérie intérieure de la plaque 9b définit un es- pace libre annulaire minimum avec la partie 6b de l'arbre, tandis que la plaque 9a définit un espace libre annulaire relativement grand désigné par le n 9d de référence. On voit aussi que la parue
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interne radialement de la plaque 9a coopère avec le bras adjacent de l'anneau 7 pour définir une chambre annulaire 11, dans laquelle l'air de refroidissement est admis par 1' entrée annulaire 9d.
En comparant les fig. 1 et 2, on voit que les plaques 9a et 9b sont fabriquées en deux sections au moins et fixées à l'élément 8 par plusieurs fixations filetées 12. Un élément d'espa- cement convenable 12a maintient l'espacement désiré entre les pla- ques 9a et 9b. Une seconde rangée circonférentielle de fixations filetées 13, maintient ensemble les parties circonférentielles ex- térieures des plaques Sa et 9b, avec entre-elles, un élément d'es- pacement convenable 13a. Les sections respectives des plaques sont maintenues ensemble par un élément allongé séparé représenté en 139 à la fig.2, disposé pour surmonter le joint entre les sections de plaque.
Comme représenté dans la partie inférieure de la fig.l, les éléments de fixation 12 sont reçus par filetage dans l'anneau 8 qui possède des protubérances axiales 8d servant d'éléments d'es- pacement pour supporter l'assemblage des plaques Sa, 9b, de manière à définir le passage 14 de sortie de l'air de refroidissement. En se référant à la fig.2, on observe que les protubérances Sd présen- tent un contour''-extérieur de'forme telle qu'elles définissent des passages 8a de diffusion de l'air de refroidissement fourni par les aubes 7d du souffleur centrifuge. La direction de rotation du souffleur centrifuge ést indiquée par la flèche à la fig.2.
L'huile coulant le long de la surface du bord 7c est introduite dans les chambres, annulaires 8b définies par la denture 8a, et est amenée dans le logmenet de palier, par une série de trous de drainage communiquant l'un avec l'acre, désignés dans leur ensemble par le numéro 8f de référence, comme indiqué par les flèches dans la moitié inférieure de la fig.l.
Pour éviter que l'assemblage comprenant l'anneau 8 et les plaques 9a et 9b ne tourne dans le joint 8c à rainure et lan- guette, un goujon 15 est fixé dans la partie adjacente du palier 4-
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et se prolonge librement à travers des ouvertures dans les plaques ainsi qu'il ressort des fig.l et 2.
Le flux d'air de refroidissement à travers le passage denté annulaire 9c, l'entrée annulaire 9d dans la chambre 11 et de là à travers le passage de décharge 14, est indiqué par des flèches dans la fig.l. On notera que les aubes motrices'7d font 'naître une pression fortement positive dans 'la chambre annulaire 14a logée immédiatement près de l'extrémité extérieure du chemin de fuite le long de la circonférence du bord 7c. Cette pression positive tend à créer un petit flux d'air vers l'intérieur, après la denture 8a, comme indiqué par les petites flèches dans la moitié supérieure de la fig.l. Ce petit flux d'air empêche les fuites vers 1' extérieur de l'huile et de la vapeur d'huile.
On verra maintenant comment cette disposition à venti- lati.on forcée limite le transfert de la chaleur des parties chaudes de la turbine aux éléments 7, 8. Les plaques 9a, 9b, définissent un double écran empêchant le transfert de la chaleur par rayonne- ment de l'enveloppe chaude 1 de turbine aux anneaux 7, 8 et au pa- lier 4. La chaleur rayonnée par l'enveloppe vers la plaque 9b est enlevée par le flux d'air de refroidissement sur ses deux surfaces, et en raison de ce flux d'air de refroidissement, les plaques 9a,
9b, forment un écran particulièrement effectif contre le rayonne- ment.
Les caractéristiques de constroction de l'anneau 7 dé- crites précédemment réduisent à une valeur minimum la quantité de chaleur qui se propage, par ,conduction à travers l'arbre et l'anneau
7, vers la denture Sa.. De plus il le flux d'air de refroidissement à travers la chambre 11 et après les aubes motrices 7d centrifuges, sert à refroidir directement le bras 7d et le bord 7c, les aubes
7d servant de véritables "allis ttes de refroidissement". Aussi, tou- te petite quantité de chaleur transférée de l'arbre à l'anneau 7, par conduction est effectivement enlevée par l'air de refroidisse- ment avant de pouvoir élevérla température du bord 7c.
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On notera au:.si que le flux d'air de refroidissement à rravers l'entrée annulaire 9d, dans la chambre 11, produit un effet de refroidissement direct sur la partie 6b de l'arbre, de manière à réduire la propagation de la chaleur par conduction axialement vers la gauche, le long de l'arbre vers le palier.
Par conséquent, l'invention présente une combinaison de caractéristiques extrêmement effective , empêchant le transfert de la chaleur des parties à haute température de la tubrine au pa- lier et aux éléments de scellement, sans nécessiter l'utilisation de parties supplémentaires onéreuses et complexes, et sans nécessi- ter une augmentation sensible des dimensions axiales de l'espace requis pour loger les éléments de scellement et les parties corres- pondantes.
Une variante de construction de l'écran contre les rayonnements est représentée à la fig.3 dans laquelle les éléments analogues à ceux de la fig.l portent les mêmes numéros de référence.
La fig.3 représente un collet annulaire de butée. 16, convenablement fixé à l'arbre 6 et portant contre un élément 3b de butée du palier* L'anneaude scellement 7 est identique à celui re- présenté à la fig.l. L'anneau de scellement stationnaire 17 possède deux parties 17a, et 17b axialement espacées, avec la denture for- mant des espaces libres très petits avec la circonférence extérieure de l'anneau'16 de poussée et avec la surface extérieure de l'anneau 7, respectivement.
La .différence prindipale entre cette structure et celle de la fig. l est que l'assemblage des écrans contre le raysonnement.est portée par le logement à garniture 2, au moyen de fixations filetées 18.-Cet assemblage comprend des plaques annulaire: espacées 19a, 19b séparées par des éléments d'espacement convenable:; 19c, pour fermer le passage d'entrée 20. Cet assemblage peut évidem- ment être constitué par des éléments séparés fixés ensemble par les fixations filetées 21. Tour réduire le transfert de la chaleur du logement 2 à garniture, vers la plaque 19b, une plaque 19d peut être disposée près du logement 2, des éléments d'espacement radiaux 19e
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réduisant la surface de contact métal-métal entre 19d et 19b.
Le passade de décharge de l'air des aubes centrifuges 7d est défini par un anneau 22 dont la section est en forme de L, et qui est supporté par la plaque 19a par l' intermédiaire de plusieurs éléments d'espacement 25 fixés à, ou formant partie intégrante de la plaque 19a et de l'anneau 22, respectivement. Une branche 22a forme avec la partie circonférentielle adjacente de l'émément 17, un espace libre aussi petit que possible. L'autre branche 22b forme avec la surface extérieure du bord 7c un espace libre circonféren- tiel légèrement plus grand. Avec cette disposition, les aubes mo- trices 7d déchargent une grande partie de l' air de refroidissement, comme représenté par la flèche 23.
La pression de décharge provo- quée par les aubes 7d fait naître un petit flux d'air à travers l'espace libre défini par l' anneau 22b dans la chambre annulaire 24.
La pression existant ainsi dans la chambre 24 donne naissance à un petit flux d'air vers l'intérieur, après la denture 17c, ainsi que décrit précédemment en se référant à la fig.l.
L'invention prévoit donc des moyens relativement simple pour empêcher le transfert de la chaleur de l'enveloppe chaude ad- jacente 'de la turbine aux différentes parties du scellement à l'hui le, de l'arbre et du palier, tout en prévoyant en même temps des moyens très effectifs pour'refroidir les parties critiques du scel- lement à huile de panière à ce que des espaces libres minima soient maintenus, sans'danger de frottement ou de dépôt de particules d'huile carbonisée dans ces espaces libres.
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