Dispositif d'étanchéité d'une machine hydraulique Les machines hydrauliques, comme les turbines et les pompes, sont composées de pièces fixes, le sta tor, et des pièces tournantes le .rotor. Un fluide sous pression, en général de l'eau alimente le stator et met, dans le cas des turbines hydrauliques, la roue motrice en rotation. Dans le cas des pompes, par contre, c'est le fluide qui est mis sous pression et en mouvement par la roue dont la rotation est assurée par un moteur extérieur.
Les machines comprennent les dispositifs d'étan chéité nécessaires- destinés à éviter que l'eau s'échappe entre les pièces du stator et celles du rotor, sans pas ser par la roue motrice. Ces joints doivent être exé cutés de manière à ne pas freiner la rotation du ro tor, c'est pourquoi à l'origine leur forme était compli quée d'où leur désignation de joint-labyrinthe. Par la suite, du fait de l'augmentation de la précision d'usinage et de montage, et de l'emploi d'aciers spé ciaux, ils ont pu être réduits et simplifiés, toutefois leur nom de joint-labyrinthe est resté en usage.
Ces joints sont constitués d'une part par une sur face solidaire du stator, et d'autre part par une autre surface solidaire du rotor. Ces surfaces, en regard l'une de l'autre, présentent entre elles un jeu réduit. Lorsque la machine est en rotation, l'existence de ce petit jeu provoque un laminage très important de d'eau ce qui réduit le débit de fuite. Ces joints ont l'inconvénient de s'user rapidement surtout lorsque la pression, la vitesse de rotation et les dimensions sont grandes.
Si l'eau est fortement chargée en matières abrasives, par exemple du sable, les pièces constituant le joint-labyrinthe peuvent alors s'user extrêmement rapidement. Il est clair que l'usure de ces pièces est très nuisible, car elle provoque une augmentation du jeu du joint dont l'efficacité diminue. Il en résulte une usure accélérée du joint par l'augmentation du débit de fuite, et une chute appréciable du rendement de la machine.
La présente invention a pour objet un dispositif d'étanchéité d'une machine hydraulique destiné à ré duire le débit passant entre le rotor et de stator de ladite machine, qui peut être une turbine, une pompe, respectivement une turbine-pompe, comprenant un joint labyrinthe comportant au moins deux anneaux disposés en regard l'un de l'autre, au moins un -an neau étant solidaire du rotor et au moins un an neau étant attaché au stator, caractérisé par le fait qu'au moins une paire des surfaces des anneaux en regard l'une de ,l'autre sont coniques,
et qu'au moins un de ces anneaux peut être déplacé axialement de manière à réaliser un réglage du jeu existant entre l'anneau solidaire du stator et l'anneau solidaire du rotor, agissant ainsi sur le débit passant entre ces pièces.
La possibilité de déplacement axial permet préci sément de combattre .les effets de l'usure. Il est évi dent que lorsque les garnitures de joint seront entière ment usées, il faudra les remplacer par de nouvelles.
L'avantage de cette invention consiste précisément dans le fait qu'elle permet de maintenir le rendement de la turbine à un niveau élevé, sans avoir à rempla cer fréquemment le joint-labyrinthe, opération qui nécessite un démontage important et un arrêt d'ex ploitation prolongé souvent incompatible avec les exi gences de l'exploitation.
Les dessins annexés représentent, schématique ment et à titre d'exemple, plusieurs formes d'exécu tion du dispositif selon l'invention. La fig. 1 représente l'ensemble d'une machine hydraulique montrant en outre deux exécutions du dispositif selon l'invention.
La fig. 2 représente à plus grande échelle, une solution constructive d'un dispositif selon l'invention ; dans ce cas, le joint est déplaçable manuellement.
La fig. 3 représente une autre solution construc tive avec un dispositif permettant la commande auto matique de la position du joint.
La fig. 1 comprend les éléments principaux sui vants une bâche spirale 1 ; un fond supérieur du distributeur 2 ; un fond inférieur du distributeur 3 ; une aube directrice 4 ; la roue motrice 5 ; l'arbre 6 ; un palier 7 de guidage de l'arbre 6 ; un joint 8 d'étanchéité de l'arbre 6 ; un bâti 9 support du palier 7 ; une tuyauterie 10 d'échappement de l'eau de fuite ; un cône 11 de raccordement au tuyau d'aspira tion 12 ; la partie supérieure du tuyau d'aspiration 12 ; un anneau tournant 13 du joint-labyrinthe supé rieur ; un anneau fixe 14 du joint-labyrinthe supérieur un jeu de vis 15 permettant le réglage de la posi tion axiale de l'anneau 14 ;
un anneau tournant 16 du joint-labyrinthe infé rieur ; un anneau fixe 17 du joint labyrinthe inférieur ; un jeu de vis 18 de fixation de l'anneau 17 ; l'arête de sortie 19 de la roue 5 ; le jeu 20 existant entre les anneaux 16 et 17 ; la chambre 21 formée entre la couronne infé rieure 22 de la roue 5 et le cône de liai son 11 ; la couronne inférieure 22 de la roue 5 ; la chambre 23 formée entre la couronne supé rieure de la roue 5 et le bâti 9 de la machine ; l'arête d'entrée 24 de la roue 5.
Le fonctionnement est le suivant La description a été faite dans le cas d'une tur bine hydraulique, la même description pourrait égale ment être faite dans le cas d'une pompe.
Le volume intérieur constituant la bâche spirale 1, le distributeur 2, 3, 4 et la roue 5 est alimenté en eau sous pression, ce qui provoque la rotation de la roue 5. L'eau effectue son travail dans la roue; la pression baisse entre l'entrée 24 et la sortie 19 de la roue 5 qui correspond avec le tuyau d'aspira tion 12.
L'eau a tendance à s'échapper par le jeu 20 exis tant entre les pièces 16 et 17 constituant le joint labyrinthe inférieur de la roue. Cette eau pénètre ensuite dans la chambre 21 et arrive également dans l'aspirateur 12. Le débit d'eau qui suit ce circuit ne participe pas à la création de la puissance motrice c'est un débit de fuite cause d'une baisse de rende ment de la machine. 11 est nécessaire de réduire au minimum ce débit, par conséquent de réduire de même le jeu 20 entre les pièces 16 et 17 constituant le jointlabyrinthe.
Le dispositif décrit se caractérise par le fait qu'un des anneaux peut être déplacé axialement sans néces siter des travaux importants de démontage, et par le fait que les surfaces en regard l'une de l'autre des anneaux tournant et fixe, sont coniques. En cas d'usure même faible, il suffit de provoquer le dépla cement de l'anneau 17 en utilisant les tiges filetées 16, et de rebdoquer celles-ci dans une nouvelle position, adaptant ainsi le jeu du labyrinthe à sa valeur mini mum malgré l'usure. Cette opération de réglage se répète autant de fois qu'il est nécessaire pour com penser l'usure continuelle.
A un moment donné, les anneaux 16 et 17 seront tellement usés qu'il sera né cessaire de démonter la machine et de les changer. Grâce à la disposition du joint, ce démontage n'inter viendra que rarement.
Le joint supérieur constitué par les anneaux 13 et 14 est identique au joint inférieur. Toutefois, les sur faces en regard l'une de l'autre sont constituées par une succession de cônes et de plans créant ainsi un joint-labyrinthe à plusieurs étages. Le principe du fonctionnement reste cependant identique.
La fig. 2 représente une autre exécution du dispo sitif selon l'invention. Cette forme d'exécution com prend les pièces principales suivantes la roue motrice 30 ; l'anneau tournant 31 du joint-labyrinthe ; l'anneau fixe 32 déplaçable axialement du joint- labyrinthe ; une série de tiges filetées 33 ; une couronne 34 de fixation des tiges 33 ; le bâti 35 ; une paire d'écrous 36a et 36b pour bloquer les tiges 33 ; un joint 37 isolant la chambre 39 ; un joint 38 isolant la chambre 39 ;
une chambre de réglage 39 ménagée entre le bâti 35 et l'anneau 32 déplaçable du joint-laby- rinthe ; un conduit 40 ; l'entrée 41 de la roue 30 ; l'entrée 42 du joint-labyrinthe ; la sortie 43 du joint-labyrinthe ; un point 44 du jeu dans le joint-labyrinthe ; un joint 45 de tige 33.
Le fonctionnement est le suivant La roue motrice 30 supporte un anneau tournant 31 en regard duquel est monté un anneau déplaçable axialement 32. La position axiale de ce dernier est commandée par une série de tiges filetées 33 fixant l'anneau 32 à une couronne 34 solidaire du bâti inté rieur 35 de la machine. Les écrous 36a et 36b blo quent ces tiges 33 axialement, ce qui assure la posi tion de l'anneau 32.
Cette exécution se caractérise par le fait que les surfaces des anneaux 31 et 32 en regard l'une de l'autre sont constituées par une série de cônes et de plans disposés judicieusement de ma nière à réduire le plus possible les fuites d'eau tra versant ce joint.
L'anneau 32 comporte en outre un joint 37 et un joint 38. La présence de ces joints est destinée à éviter que des corps étrangers, comme par exemple du sable, ne puissent pénétrer dans la chambre 39 dite chambre de réglage existant entre l'anneau mobile 32 et les éléments fixes guidant cet anneau. Le volume de cette chambre 39 est fonction du réglage de la position axiale du joint. Chaque tige filetée 33 est étanchée à son tour par un joint 45.
Cette figure montre encore que ,l'anneau 32 est foré par au moins un trou 40 ménageant un conduit entre la chambre 39 et un point précis 44 du jeu existant entre les anneaux 31 et 32. Le but de ce forage est le suivant : la pression d'eau, régnant en 41 dans la machine hydraulique, se transmet par le jeu existant entre la roue 30 et les parties fixes 35, arrive à l'amont 42 du joint-labyrinthe. Un débit de fuite s'établit, qui, laminé par le joint, va provoquer des chutes de pression. Celle-ci va baisser et sera fortement réduite à la sortie du joint en 43. En 44 il existe une pression hydraulique dont la valeur est comprise entre celles des pressions existant en 42 et en 43.
Le fait de transmettre la pression du point 44 à la chambre 39 par le conduit 40 provoque la mise sous pression de cette chambre 39. Il en résulte une poussée verticale descendante qui a tendance à pro voquer un déplacement vers le bas de l'anneau 32 retenu par ailleurs par les tiges 33. La pression exis tant dans le jeu du joint proprement dit, soit entre les points 42 et 43 provoque sur l'anneau 32 une pous sée hydraulique qui a tendance à le faire monter. Ces deux poussées hydrauliques s'opposent. .Le point 44 peut être choisi de telle manière que la poussée hy draulique existant dans la chambre 39 soit égale et opposée à celle existant dans le joint.
Dans ce cas, les efforts hydrauliques existant sur l'anneau mobile 32 sont équilibrés, le déplacement de cet anneau pour le réglage du joint, est facilité.
La fig. 3 représente une autre exécution du même dispositif d'étanchéité dont le principe reste semblable à celui de la fig. 2. Cette exécution comprend les principales pièces suivantes un anneau 50 déplaçable axialement du joint- labyrinthe ; la roue motrice 51 ; un anneau tournant 52 du joint-labyrinthe ; une série de tiges de liaison 53 ; au moins un piston 54 ; une prise de pression 55 à l'aval du joint-laby- rinthe ;
un régulateur de pression 56 (cet appareil élabore une pression de sortie (57) en fonction d'une pression d'entrée (55) ; une canalisation 57 alimentant la chambre 58 du cylindre du piston 54 ; les différents joints d'étanchéité 59 nécessaires ; un ressort 60 (élément déformable élastiquement). Cette exécution se caractérise par le fait que la commande de l'anneau déplaçable 50 est faite auto matiquement en fonction de la valeur d'une pression hydraulique.
Cette figure fait état d'un joint conique simple, il est évident qu'une autre forme plus compli quée convient également. Le fonctionnement du dispositif est le suivant Tout d'abord, la fig. 1 représentant l'ensemble de la machine montre le cheminement de l'eau de fuite qui passe par le jeu existant entre les anneaux 13 et 14 et arrive dans la chambre 23. Cette eau s'échappe par une canalisation 10 qui la conduit à l'aval.
Le débit passant par cette canalisation provoque une perte de charge dans celle-ci dont la valeur est fonc tion précisément du débit. Lorsque ce débit augmente, la pression régnant dans la chambre 23 augmente également et inversement.
Considérant la fig. 3, lorsque le débit de fuite augmente par l'augmentation du jeu du joint, la pression augmente également à la prise 55. Le régu lateur 56 est soumis à une pression plus élevée, il élabore une pression 57 également plus élevée que précédemment, augmentant ainsi la pression qui rè gne dans la chambre 58. La poussée hydraulique du piston 54 augmente ce qui provoque un mouvement de descente de ce dernier, déplacement qui est arrêté par le jeu du ressort 60.
Parallèlement, ce mouve ment provoque un abaissement de l'anneau mobile 50 dans le sens d'une réduction du jeu entre cet an neau et l'anneau 52, tendant ainsi à réduire le débit de fuite, par conséquent la pression d'alimentation régnant en 55.
II existe ainsi une correspondance entre la posi tion axiale de l'anneau déplaçable du joint et la pression régnant en un point de la machine situé à l'aval du joint.
Il est évident que la commande du mouvement des tiges 53 peut très bien être réalisée de différentes manières, notamment par un système sensible à la position axiale de l'arbre de la turbine.
Il arrive dans certaines machines que les arbres sont longs et supportés par un pivot situé sur un al ternateur respectivement un moteur électrique. Ils peuvent en outre être soumis à des températures va riables. Il en résulte une dilatation linéaire d'autant plus importante que la longueur :est grande, et des va riations de température importantes. La roue et les joints tournants suivent ces déplacements.
Il est donc nécessaire dans les solutions classiques de prévoir un jeu axial existant entre les anneaux tournant et fixe, supérieur à la grande dilatation possible de l'arbre, ceci afin d'éviter que ces anneaux viennent en con tact l'un de l'autre. Or, ce jeu peut de ce fait déjà être trop important pour obtenir un très bon rende ment bien que la machine soit neuve. Cette difficulté peut être résolue avec un joint tel que décrit ci-des sus.
Il suffit en effet, au voisinage de la roue motrice, de mesurer la position axiale de l'arbre, par exemple par un galet, et de provoquer le déplacement du joint en fonction de cette position, pour compenser les ef fets de la dilatation.