Dispositif assurant la stabilité de l'équilibrage axial du rotor des turbomachines. L'objet de la présente invention est un dispositif assurant la stabilité de l'équilibrage axial du rotor des turbomachines, dans le but d'obtenir un équilibre stable du rotor desdites machines quant à ses déplacements suivant son axe.
Ce résultat est atteint, aussi bien pour les turbomachines à éléments multiples (pom pes centrifuges, multicellulaires, compresseurs d'air, turbines à vapeur) que pour les ma chines à un seul élément.
Pour cela on peut : ou bien équilibrer l'ensemble du rotor par les procédés connus en tenant compte de toutes les poussées axia les, y compris celles dues aux machines ac couplées, puis munir tout ou partie des élé ments du rotor du dispositif, objet de l'in vention : ou bien caler sur l'arbre de la turbomachine un disque d'équilibrage et mu nir ce disque du dispositif, objet de l'inven tion.
Ce dispositif comporte au moins -une chambre stabilisatrice ménagée entre la par tie fixe et la partie mobile de la machine, la pression du fluide dans cette chambre va- riant suivant les déplacements du rotor pa rallèlement à son axe et tendant par ces variations à s'opposer auxdits déplacements.
Au dessin annexé, et à titre d'exemple La fig. 1 montre une forme d'exécution de l'objet de l'invention appliquée à un élé ment d'une turbomachine, la stabilisation étant assurée par le fonctionnement simul tané de deux joints; Les fig. 2 et 3 sont des vues analogues dans le cas oii la stabilisation est assurée par un seul joint établi suivant l'invention; Les fig. 4 et 5 montrent chacune respec tivement une variante de construction des deux joints suivant l'invention; La fig. 6 est une vue de face du joint représenté fig. 5;
La fig. 7 montre l'application du dispo sitif à un élément de pompe centrifuge mul- ticellulaire; La fig. 8 montre l'application du dispo sitif à une turbine hydraulique, genre Fran cis; La fig. 9 montre l'application du dispo sitif à un disque d'équilibrage; La fig. 10 montre l'application du dispo sitif à une turbine à vapeur, genre Rateau ou Zcelly; La fig. 11 montre enfin l'application du dispositif au disque supérieur d'une turbine centrifuge;
La fig. 12 est une vue de détail partielle correspondant à la fig. 11; La fig. 13 est une coupe longitudinale û' un disque muni d'un dispositif d'équilibrage conforme à l'invention.
Comme le montre le dessin, étant donné un élément 1 (fig. 1) du rotor tournant au tour de l'axe A-A d'une turbomachine et les poussées axiales, y compris celles venant de l'extérieur, étant équilibrées, pour munir cet élément du dispositif, objet de l'inven tion, permettant d'obtenir un équilibre stable, on crée d'un ou des deux côtés de cet élé ment une zone 2-3 de révolution autour de l'axe A-A dans laquelle la pression du fluide est variable suivant les déplacements de la turbine dans le sens de l'axe. Ces va riations de pression sont telles qu'elles s'op posent au mouvement qui, amorcé, leur a donné naissance.
Ce résultat est obtenu de la manière sui vante La zone 2-3, dans laquelle on a la pres sion variable p2, est située entre deux zones où les pressions sont respectivement pi et ps, déterminées par le régime de la turb.o-ma- chine avec ni <I>></I> p2 <I>></I> p3 En 2, on dispose un joint constitué de la manière suivante En régime normal, la partie mobile et la partie fixe présentent en regard deux surfaces cylindriques. Les parties correspondantes li mitées au droit des arêtes 6 et 7 forment le joint.
Lors d'un déplacement de la partie mo bile dans le sens de la flèche 4, l'arête 7 vient en regard de l'arête 6, puis la dépasse. Dés lors, grâce aux évidements judicieuse ment ménagés, d'une part, sur la partie mo bile à droite de l'arête 7 et, d'autre part, sur la partie fixe à gauche de l'arête 6, le joint 2 offre au passage du fluide de la ré gion de pression pi à la région 2-3 une section sensiblement plus grande que la sec tion primitivement ménagée.
De même, on dispose un joint 3 tel que la partie fixe et la partie mobile présentent en regard deux surfaces coniques légèrement inclinées sur l'axe de la turbomachine. Un déplacement dans le sens de la flèche 4 a pour effet de réduire sensiblement la section de passage offerte au fluide pour passer de la région 2-3 à la région de pression p3.
Les surfaces coniques constituant le joint 3 (fig. 1) peuvent être remplacées par des surfaces cylindriques analogues à celles cons tituant le joint 2. L'expérience a montré que cette disposition est particulièrement avanta geuse.
Dans l'ensemble, un déplacement de la partie mobile dans le sens de la flèche 4 a donc pour effet une augmentation de pres sion dans la zone 2-3 s'opposant au mou vement de l'élément considéré dans le sens de la flèche 4.
De même, un déplacement suivant l'axe A-A dans le sens de la flèche 5 aura au joint 2, un effet peu sensible sur ledit joint ou diminuera la section de passage laissée au fluide suivant les positions relatives des arêtes 6 et _7, tandis qu'au joint 3 la sec tion de passage offerte au fluide qui tend à s'écouler de la région 2-3 à la région de pression p3 augmentera sensiblement.
Il en résulte une diminution de pression dans la zone 2-3 s'opposant au mouvement de l'élément considéré dans le sens de la flè che 5.
On a donc bien la stabilité recherchée quel que soit le sens du déplacement du ro tor.
La sensibilité de cette stabilisation peut être augmentée par la création sur l'autre face de l'élément envisagé d'une zone sem blable 8-9 qui jouera de manière analogue.
De cette manière, la stabilisation est obtenue par le fonctionnement simultané des joints 2 et 3. Il aurait été possible de ne se servir que de l'action de l'un des deux joints, le déplacement suivant l'axe n'ayant dans l'autre joint que peu d'effet sur le changement de section offerte au passage du fluide. C'est ce que montre la fig. 2, oià le joint 3 seul offre au fluide une section de passage variant suivant les déplacements, tandis que sur la fig. 3 c'est au joint 2 seul qu'est dévolu ce rôle.
La fig. 4 représente une variante du joint 2, où 10 est un canal circulaire con tinu jouant en regard de canaux 11 ménagés dans la partie fixe.
La fig. 5 représente une variante du joint 3 où la surface cylindrique d'une saillie an nulaire 12 ménagée sur la partie mobile 1 joue en regard d'une saillie annulaire 13 correspondante de la partie fixe. La saillie 13 est coupée par des fentes 14 qui, en marche normale ne sont pas découvertes par la sail lie annulaire 12 de la partie mobile.
Comme il a été dit, les fig. 7 à 12 mon trent différentes applications du dispositif de l'invention à quelques types de turboma- chines.
Dans le cas de l'application à une tur bine hydraulique, genre Francis (fig. 8) l'équilibrage étant réalisé par les dispositifs courants, le dispositif de l'invention n'a pour but que d'assurer la stabilité.
Le dispositif représenté sur la fig. 9 com porte un disque d'équilibrage 30 fixé sur l'arbre 31 du rotor de la turbine et réali sant par sa combinaison avec l'enveloppe fixe 32 deux joints 2, 3 qui ont le même rôle que dans les exemples précédents.
Dans le cas de l'application à une tur bine à vapeur genre Rateau ou Zcelly (fig. 10) les joints 2 et 3 sont réalisés par des cannelures produisant le même effet que les joints 2 et 3 précédemment décrits.
Dans le dispositif de la fig. 13, le disque d'équilibrage présente deux surfaces annu laires cylindriques 15 et 16, séparées par une surface cylindrique 17 de diamètre plus faible, et deux prolongements cylindriques 18 et 19. L'ensemble mobile de 15 à 19, solidaire de l'arbre du rotor, est entouré par une en veloppe fixe 21 dans laquelle est ménagé un conduit 22 d'admission de fluide sous pression. Le profil de cette enveloppe lui permet de réaliser un joint cylindrique 2 avec chaque surface annulaire 15 et 16 et un joint cylindrique 3 avec chaque prolon gement 18, 19.
Ce dispositif d'équilibrage fonctionne de la manière suivante. Le fluide est admis par le conduit 22 sous une pression p1 dans l'es pace compris entre les surfaces annulaires 15 et 16; il traverse le joint 2 et y subit une certaine perte de charge abaissant sa pression à p2; il traverse enfin le joint 3 et y subit une nouvelle perte de charge abais sant sa pression à p3;
on a d'ailleurs les iné galités p1 <I>></I> p" <I>i</I> p3 Si le rotor de la turbine, et par suite le disque d'équilibrage qui en est solidaire, se déplace suivant la flèche 4, le joint 2 de la surface annulaire 15, dont la longueur dimi nue, oppose au passage du fluide une résis tance de plus en plus faible, tandis que le joint 3 du prolongement 18 oppose à ce pas sage une résistance de plus en plus grande.
Par conséquent la pression p2 du fluide dans la zone de révolution 2, 3 adjacente à la surface annulaire 15 tend à croître, en se rapprochant de pl et en s'écartant de p3; cette pression p2 devient enfin sensiblement égale à pl, lorsque l'arête mobile 7 a dé passé l'arête fixe 6. Cet accroissement de la pression p2 tend à ramener en sens inverse de la flèche 4 le disque d'équilibrage et par suite le rotor qui en est solidaire.
Les phénomènes qui se produisent sur la surface annulaire 16 lorsque le rotor se dé place dans le sens de la flèche 4, sont exac tement inverses des précédents : la pression p2 agissant sur la surface annulaire 16 dé croît, et tend à se rapprocher de p3.
Les deux variations de pression produi tes, d'une part, sur la surface 15 et, d'autre part, sur la surface 16 concordent donc pour s'opposer au déplacement du rotor suivant la flèche 4. On réalise ainsi la stabilité de l'équilibrage de ce rotor.
Un déplacement dans le sens de la flèche produirait des phénomènes analogues.
Le dispositif d'équilibrage précédent peut être installé sur l'arbre de rotors de types très variés. Dans le cas où on a intérêt à réduire l'amplitude des déplacements longi tudinaux de l'arbre sur lequel est appliqué le dispositif d'équilibrage, par exemple dans le cas d'une turbine à vapeur où le jeu entre les aubes fixes et les aubes mobiles a une valeur déterminée, il y a avantage à pouvoir déplacer l'enveloppe fixe 21 par rapport aux disques d'équilibrage. Cette enveloppe est rendue mobile par rapport à sa base à l'aide d'organes appropriés, tels que vis.
Les divers dispositifs précédents peuvent être alimentés par un fluide quelconque (eau, vapeur, etc.). Toutefois, la présente inven tion s'étend aussi à l'application aux dispo sitifs précédents de corps visqueux, alimen tant ces dispositifs.
Cette application assure les principaux avantages suivants. D'abord ce corps vis queux traverse les joints 2 et 3 très lente ment et avec de fortes pertes de charge: les quantités de liquide sous pression traversant les joints par unité de temps sont donc fai bles. On peut par suite maintenir des pres sions élevées dans l'appareil et donner au disque d'équilibrage et à tout le dispositif des dimensions réduites, ce qui diminue l'en combrement et le prix de revient de l'instal lation.
Enfin, l'application des corps visqueux à un dispositif, tel que celui représenté sur la fig. 13, assure une plus grande sensibilité à ce dispositif. En effet, les différences de pres sion entre deux points d'un joint, 2 par exem ple, sont d'autant plus grandes que le liquide est plus visqueux.
On peut évidemment choisir un corps visqueux quelconque pour la mise en oeuvre de l'invention. Toutefois, il convient de choi sir de préférence des liquides à coëfficient de viscosité élevé tels que la glycérine et l'huile de ricin.