FR2914009A1

FR2914009A1 - Joints retractables actifs pour turbomachines

Info

Publication number: FR2914009A1
Application number: FR0850156A
Authority: FR
Inventors: Shorya Awtar; Timothy R Kemp; Kurt N Laurer; Frederick G Baily
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 2007-01-11
Filing date: 2008-01-11
Publication date: 2008-09-26
Anticipated expiration: 2028-01-11
Also published as: JP5281795B2; RU2008101374A; US20080169616A1; DE102008003301A1; RU2443883C2; US8540479B2; FR2914009B1; JP2008170005A

Abstract

Ensemble de joint rétractable actif destiné à être utilisé entre des composants rotatif et non rotatif (12, 14) de turbomachines, comprenant : une pluralité de bagues de joint (16 à 26) montées sur le composant non rotatif, les bagues de joint pouvant être déplacées en direction et à l'écart du composant rotatif (12), entre des positions respectives de fermeture et d'ouverture, en fonction d'une chute de pression dans les bagues de joint dans lequel ensemble de joint les bagues de joint sont normalement en position d'ouverture ; et un circuit de by-pass (52, 54, 56, 58) destiné à envoyer du fluide autour d'une bague de joint, ou de plusieurs, parmi la pluralité de bagues de joint afin de réduire la chute de pression dans une ou plusieurs des bagues de joint, en provoquant de ce fait le déplacement d'une bague de joint, ou de plusieurs, en direction de la position d'ouverture sous l'effet d'un ou de ressort(s) ou d'un(d') actionneur(s).

Description

B07-4601FR Société dite : GENERAL ELECTRIC COMPANY Joints rétractables

actifs pour turbomachines

Invention de : AWTAR Shorya KEMP Timothy R. LAURER Kurt N. BAILY Frederick G. Priorité d'une demande de brevet déposée aux Etats-Unis d'Amérique le 11 janvier 2007 sous le n 11/652.076 JOINTS RETRACTABLES ACTIFS POUR TURBOMACHINES

La présente invention se rapporte à des joints rétractables pour machines rotatives telles que des turbines à vapeur, des turbines à gaz, des moteurs d'aéronefs et des compresseurs. Les machines rotatives telles que les turbines à vapeur et les turbines à gaz utilisées pour la génération d'énergie et les applications d'entraînement mécanique, les moteurs d'aéronefs utilisés pour la propulsion et les compresseurs utilisés pour la mise sous pression, sont généralement des machines de forte dimension constituées d'étages multiples de turbines et de compresseurs. Dans ces machines, un fluide sous pression s'écoulant dans les étages de turbine et/ou de compresseur passe à travers une série de composants fixes et de composants rotatifs. Dans une turbine à vapeur typique les composants fixes peuvent comprendre la carcasse de machine et une tête de garniture de joint et le composant rotatif est le rotor. Des joints annulaires montés sur les composants fixes sont utilisés pour maîtriser les fuites de fluide dans le cheminement entre les composants fixes et les composants rotatifs. En fait, le rendement de la turbine dépend directement de l'aptitude de ces joints à empêcher ces fuites. Ces joints peuvent être orientés radialement ou axialement, et ils peuvent être de plusieurs sortes tels que des joints à garniture labyrinthe, des joints à lèvres, des joints d'usure, des joints du type plaquettes souples, etc. Les joints radiaux sont souvent divisés en segments pour des raisons tenant à l'assemblage et/ou au déplacement dans la direction radiale. Bien que des joints labyrinthe segmentés radialement se soient avérés être tout à fait fiables dans les turbines à vapeur, leurs performances se dégradent avec le temps en conséquence d'épisodes passagers au cours desquels il se produit une interférence des composants fixes et des composants rotatifs, avec frottement sur les dents de labyrinthe, en leur donnant un profil de "champignon" et en augmentant le jeu du joint. D'autre part des joints à contact étroit tels que des joints du type brosse et des joints du type plaquettes souples peuvent éventuellement entrer en contact avec le rotor à des instants passagers, ce qui conduit à une usure et à la génération de chaleur. A son tour, la génération de chaleur peut provoquer des instabilités dynamiques du rotor qui sont préjudiciables en ce qui concerne le fonctionnement et les performances de la machine. Un moyen employé pour réduire les effets négatifs du frottement, ou contact, l0 pendant des instants passagers a consisté à employer un agencement à "pression positive" à jeu variable (PPJV), dans lequel des ressorts sont utilisés pour maintenir les segments de joint ouverts avec un jeu d'écoulement important dans les conditions passagères d'absence d'écoulement ou de faible écoulement, dans lesquelles un tel frottement risque le plus de se produire. Dans des conditions de régime établi, alors que 15 la machine fonctionne typiquement à charge relativement élevée et sous des pressions de fluide relativement élevées, la pression ambiante autour du segment de joint dépasse la force de ressort qui agit dans le sens de fermeture des bagues jusqu'à atteindre un jeu d'écoulement très étroit. Des exemples de joints du type labyrinthe à "pression positive" et à jeu variable (VCPP) peuvent être trouvés dans les brevets U.S. Nos 6 695 316 ; 20 6022027;5810365; 5603510; 5002288 et 4443311. Cependant l'agencement à "pression positive" et à jeu variable emploie des joints divisés en segments qui réagissent uniquement à la charge de la machine. Une fois la charge planifiée atteinte par la machine, les segments de bague de joint se ferment et ils restent fermés jusqu'à ce que la charge de la machine et, de ce fait, la pression du fluide 25 à l'intérieur de la machine, chute de manière adéquate. Des phénomènes thermiques transitoires peuvent cependant persister, même après que la charge planifiée a été atteinte. De ce fait on souhaite idéalement que les segments de joint restent ouverts jusqu'à ce que les phénomènes thermiques transitoires se calment. En outre, les joints du type PPJV sont susceptibles de frotter dans le cas où il se produit des vibrations du rotor 30 pendant le fonctionnement en régime établi, lorsque les segments de joint sont fermés de force par la pression ambiante du fluide. Dans de telles circonstances, l'agencement PPJV n'est pas efficace pour éviter les dégradations par frottement du fait qu'il s'agit d'un procédé passif de positionnement des segments de joint. Il serait souhaitable de proposer un agencement de positionnement de joint "commandé de façon active", dans lequel les segments de joint sont maintenus ouverts, non seulement dans les conditions d'absence d'écoulement, ou de faible écoulement, qui correspondent aux phénomènes transitoires de démarrage et de mise à l'arrêt, mais peuvent être ouverts dans n'importe quelle autre situation de fonctionnement, quand une dégradation par frottement risque de se produire, et pour n'importe quelle durée souhaitée. Dans les conditions de fonctionnement, dans lesquelles le risque de dégradation par frottement n'est pas probable, par exemple le fonctionnement de régime établi à pleine charge ou à charge partielle de la machine en l'absence de vibrations du rotor, il serait souhaitable de déplacer les segments "de façon active" radialement vers l'intérieur jusqu'à ce qu'ils atteignent leur jeu de fonctionnement très étroit. Ceci rendrait possible une étanchéité optimale entre les composants fixes et les composants rotatifs pendant le fonctionnement en régime établi, maintenu pendant toute la durée de vie de la machine. Les joints dits "joints intelligents" utilisent des actionneurs pneumatiques dotés d'une force élevée pour fournir une force qui s'exerce radialement vers l'extérieur afin d'ouvrir "activement" les segments de joint, dans n'importe quelles conditions de fonctionnement de la machine. Cependant, la nécessité de ménager la longévité de l'actionneur nécessite de modérer la pression ce qui est obtenu au moyen de systèmes de commande de pression. Egalement, les actionneurs doivent être mis sous pression par l'extérieur pour surmonter la pression ambiante du fluide, ce qui nécessite un système extérieur d'alimentation en gaz sous haute pression. Des exemples de configurations de "joints intelligents" peuvent être trouvées dans les brevets U.S. Nos 6 786 487 ; 6 655 696 ; 6 572 115 et 6 502 823. Dans un exemple non limitatif on suggère maintenant de proposer un agencement qui permet de rétracter les segments de joint n'importe quand pendant le fonctionnement d'une turbomachine en ménageant une dérivation d'écoulement qui neutralise la chute de pression sur les segments de joint concernés. En éliminant ou en réduisant cette chute de pression, la force qui s'exerce radialement vers l'intérieur sur les segments de joint provoquée par la pression ambiante du fluide, est efficacement réduite et les segments de joint sont alors rétractés en position d'ouverture par des ressorts ou par d'autres actionneurs dotés d'une force faible adéquate. De cette manière à la différence d'un agencement PPJV, les segments de joint peuvent être ouverts alors que la machine est à n'importe quelle charge, partielle ou totale, y compris pendant les phénomènes thermiques transitoires de démarrage, lorsqu'une charge planifiée a été atteinte. En conséquence, dans la forme de réalisation servant d'exemple et non limitative, une paire de bagues de joint adjacentes (composées chacune de plusieurs segments en forme d'arc) parmi un groupe de, par exemple, six bagues espacées axialement, peut être choisie pour le positionnement actif du joint par l'intermédiaire d'un circuit de dérivation. Autrement dit s'il est souhaitable de rétracter de façon active des bagues de joint R2 et R3, on crée un passage de dérivation, ou de by-pass, destiné à un écoulement entre un emplacement situé en amont de R2 (c'est-à-dire entre les bagues RI et R2) et un emplacement situé en aval de R3 (c'est-à-dire entre les bagues R3 et R4). La dérivation, ou by-pass, offre significativement moins de résistance à l'écoulement que le passage de fuite entre les bagues de joint et le rotor de turbine. Ceci donne l'assurance que la chute de pression à travers les bagues de joint choisies (R2 et R3) sera significativement réduite lorsque le passage de dérivation sera ouvert, même lorsque la turbomachine fonctionne à pleine charge. La réduction de la chute de pression à travers ces deux bagues de joint leur permettra de se réfracter, ou de s'ouvrir, en raison de l'effet des ressorts qui sont configurés de manière à pousser nominalement les segments de joint dans la direction d'ouverture. Dans ce contexte, nominal se réfère à la condition de fonctionnement de la machine, sans charge, sans écoulement ou avec un faible écoulement. On comprendra que l'ouverture et la fermeture du passage de dérivation peuvent être commandées par une(des) vanne(s) manuelle(s) ou automatique(s). La(les) vanne(s) automatique(s) peut(peuvent) être mise(s) en fonctionnement directement ou en conjugaison avec le dispositif général de commande de la turbomachine.

Bien que la forme de réalisation décrite se rapporte à des joints mobiles radialement qui se présentent généralement sous forme d'au moins deux segments en forme d'arc, l'invention décrite ici peut également être appliquée à des joints annulaires fermés qui se déplacent axialement entre des positions d'ouverture et de fermeture, comme il s'en trouve typiquement dans les moteurs d'aéronefs. En conséquence, selon un aspect, l'invention se rapporte à un ensemble de joint rétractable actif destiné à être utilisé entre des composants de turbomachines rotatif ou non rotatif, comprenant : au moins une bague de joint montée sur le composant non rotatif, cette bague de joint pouvant être déplacée en direction du composant rotatif, ou à l'écart de celui-ci entre des positions respectives de fermeture et d'ouverture, en fonction de la chute de pression qui se produit dans la bague de joint ; et un circuit de dérivation de fluide destiné à envoyer du fluide autour d'au moins une bague de joint, afin de réduire la chute de pression qui en résulte dans le joint, au minimum unique, qui se déplace en direction d'une position d'ouverture sous l'effet d'un ou de plusieurs ressorts ou actionneurs. Selon un autre aspect, l'invention se rapporte à un ensemble de joint rétractable destiné à être utilisé entre un stator fixe de turbine et un rotor de turbine, l'ensemble de joint comprenant : une pluralité de bagues de joint fixées au stator de la turbine, chaque joint comportant au moins deux segments en forme d'arc, pouvant être déplacés en direction du rotor de turbine et à l'écart de celui-ci entre des positions respectives de fermeture et d'ouverture, en fonction d'une chute de pression qui se produit dans un fluide qui s'écoule axialement le long du rotor ; et un circuit de dérivation de fluide destiné à envoyer du fluide autour d'une bague de joint, ou d'une pluralité de bagues de joint afin de réduire de ce fait la chute de pression dans la bague de joint, ou la pluralité de bagues de joint qui en résulte dans les segments de joint d'une ou de plusieurs des bagues de joint qui se déplacent en direction de la position d'ouverture sous l'effet d'un ou de plusieurs ressorts ou actionneurs. Dans une autre forme de réalisation servant d'exemple, on propose un procédé de commande active d'au moins une bague de joint dans une turbomachine où les bagues 30 de joint entourent substantiellement un composant rotatif, la bague, au minimum unique, pouvant être déplacée en direction ou à l'écart d'une partie du composant rotatif en fonction de la chute de pression qui se produit dans le fluide de travail qui s'écoule le long du composant rotatif, le procédé comprenant : (a) l'établissement d'un circuit de dérivation du fluide autour d'au moins une bague de joint ; et (b) la gouverne du circuit de dérivation en vue d'admettre sélectivement du fluide de travail dans le circuit de dérivation afin de réduire de ce fait la chute de pression dans la bague de joint au minimum unique et avec pour conséquence que la bague de joint au moins unique s'écarte du composant rotatif. Brève description des dessins La figure 1 est une vue en coupe partielle d'une turbomachine représentant une configuration de joint radial rétractable actif selon un exemple de réalisation de l'invention ; la figure 2 est une vue en coupe agrandie de l'une des bagues de joint extraite de la figure 1 ; la figure 3 est une vue en coupe partielle d'une section transversale d'une turbomachine représentant une configuration de joint axial rétractable actif selon un autre exemple de réalisation de l'invention ; la figure 4 est une vue en coupe partielle d'une turbomachine représentant une configuration de joint radial rétractable actif du type brosse selon un autre exemple de 20 réalisation de l'invention ; la figure 5 est une vue en coupe partielle d'une turbomachine représentant une configuration de joint radial rétractable actif du type plaquettes souples selon un autre exemple de réalisation de l'invention ; et la figure 6 est une vue en coupe partielle d'une turbomachine représentant une 25 configuration de joint radial rétractable actif du type joint d'usure selon un autre exemple de réalisation de l'invention. En se référant d'abord à la figure 1, un ensemble 10 de joint de turbomachine est représenté partiellement et comprend un rotor 12 et une carcasse ou tête de garniture 14. Plusieurs bagues de joint 16, 18, 20, 22, 24 et 26 (également référencées bagues RI à 30 R6) à garniture du type labyrinthe, sont représentées montées dans la tête de garniture à des emplacements espacés axialement le long du rotor. Chaque bague de joint est constituée de plusieurs segments en forme d'arc (au moins deux, mais typiquement quatre ou davantage) qui s'étendent autour de la circonférence du rotor. Lorsque les bagues de joint sont du type labyrinthe, chaque segment de joint comprend une pluralité de dents 28 qui sont disposées face aux parties circonférentielles du rotor 12 qui peuvent être étagées en rayon alternativement vers le haut et vers le bas. Cependant, la présente invention ne se limite pas à un agencement particulier de dents de labyrinthe. En réalité, l'agencement de joint décrit ici est applicable à toutes sortes de joints, comprenant les garnitures du type labyrinthe, mais ne se limitant pas à celles-ci (comprenant les garnitures à dents droites, à dents obliques et les garnitures Vernier), les joints du type brosse, les joints du type plaquettes souples, les joints du type galet, les joints nid d'abeilles et les joints d'usure. L'agencement de joint peut également être appliqué à n'importe quel emplacement d'étanchéité comprenant, les joints d'extrémité (représentés sur la figure 1), les joints entre étages, les joints de bout, etc, mais sans être limité à ce type de joint, et il comprend les joints annulaires, non segmentés, mobiles axialement. La figure 2 est une coupe agrandie de la bague de joint 18, et plus détaillée. Comme indiqué plus haut, la bague de joint 18 est constituée d'une pluralité de segments 19 dont chacun comporte une face d'étanchéité 30, les dents, ou d'autres éléments de joint 28, faisant saillie radialement vers l'intérieur depuis celle-ci. La zone 34 sous haute pression est séparée de la zone sous basse pression 36 au niveau de l'interface 38 qui est couramment dénommée "joint d'étanchéité" et plus particulièrement "joint d'étanchéité vapeur" dans les turbines à vapeur. Typiquement, le segment de joint fonctionne en présentant un nombre relativement important de barrières (par exemple les dents 28) à l'écoulement de fluide, entre le segment de joint 19 et le rotor, depuis une zone de haute pression jusqu'à une zone de basse pression. Typiquement, les segments de joint ont une partie centrale étranglée 40 comportant des rebords 42 à l'extrémité situés à l'opposé de la face d'étanchéité 30. Une cavité 44 pour tête de garniture a une forme dotée de crochets 46 qui se font face et qui se logent dans la partie étranglée 40, ce qui constitue un montage des segments de joint prévu pour un déplacement radial vers l'intérieur et vers l'extérieur, en direction du rotor 12 et à l'écart de celui-ci. Des ressorts 48 peuvent être placés entre les crochets 46 et les rebords 42 afin d'effectuer une poussée nominale sur le segment de bague de joint jusqu'à ce qu'il atteigne une position de retrait radial, ou position d'ouverture. Ces ressorts maintiennent les segments de bague 19 en position d'ouverture, ou de retrait, dans le cas de conditions d'absence d'écoulement ou de faible écoulement sans charge, telles que le démarrage ou la mise à l'arrêt. Lorsque la turbine est placée sous la charge de fonctionnement, le fluide de travail sous haute pression en amont (par exemple la vapeur ou les produits de combustion gazeux) pénètrent dans la cavité 44 par l'intervalle 50, ou par d'autres agencements, tels que des trous d'alimentation agencés de façon classique, si bien que la force de pression surmonte la force des ressorts, en déplaçant le segment de joint 19 radialement vers l'intérieur en direction du rotor 12 afin de fermer le jeu d'écoulement. Ceci est un agencement PPJV classique bien connu dans l'art des turbines. Uniquement dans un but d'explication, la description ci-dessous suppose que les joints annulaires segmentés 18 et 20 (R2 et R3) sont activement rétractables dans n'importe quelles conditions de fonctionnement de la turbine. Dans ce but, et à nouveau en référence à la figure 1, un circuit de by-pass, ou de dérivation, est ménagé, lequel comprend au moins un conduit ou tuyau 52 qui s'étend depuis une entrée 54 située à un emplacement de la carcasse ou tête de garniture 14 en amont de la bague de joint (R2) jusqu'à une sortie 56 située à un emplacement de la carcasse ou tête de garniture en aval de la bague de joint 20 (R3). Au moins une vanne 58 de commande de by-pass est située entre l'entrée 54 et la sortie 56, en vue de commander l'écoulement dans le circuit de by-pass. La vanne 58 peut être actionnée manuellement ou automatiquement. Le fonctionnement automatique peut être direct, ou bien être conjugué avec le dispositif de commande de la machine. Lorsque la vanne 58 est ouverte, le passage d'écoulement en by-pass offre significativement moins de résistance à l'écoulement que la fuite qui se produit entre les bagues de joint et le rotor. Ceci a pour résultat une réduction significative de la chute de pression qui se produit dans les bagues de joint "Actif' 18, 20 ce qui les fait se rétracter, c'est-à-dire s'ouvrir, sous l'influence des ressorts 48.

L'utilisation de ressorts pour ouvrir les segments de bagues de joint est seulement illustrative, étant bien entendu que des actionneurs adéquats, hydrauliques, pneumatiques ou électromagnétiques pourraient être employés. Le terme emplacement en amont, pour une bague de joint donnée, signifie tous les emplacements possibles entre les joints d'étanchéité, c'est-à-dire cette bague de joint et la bague de joint située immédiatement en amont. De façon similaire le terme emplacement en aval, pour une bague de joint donnée, représente tous les emplacements possibles entre les joints d'étanchéité, c'est-à-dire entre cette bague de joint et la bague de joint située immédiatement en aval. Il est important de noter que les bagues de joint qui doivent être commandées activement peuvent être choisies sur la base d'exigences de rétro-adaptation. En utilisant l'exemple de la figure 1, la zone située immédiatement en aval de la bague 16 (Ri) offre un large espace pour fixer la tuyauterie de by-pass 52, ce qui fait que toutes les bagues situées en amont de cet emplacement sont de bonnes candidates pour le positionnement actif. En général on peut choisir de faire une dérivation et de ce fait préserver l'intégrité des dents, sur n'importe quel nombre et n'importe quelle combinaison de bagues dans une garniture d'extrémité donnée, à l'encontre d'éventuels dommages dus au frottement. Si l'on considère maintenant la figure 3, un agencement d'étanchéité axial 60 y est représenté. Dans cet exemple, le rotor 62 est entouré par un stator 64 qui supporte l'ensemble de joint décrit plus loin en vue de coopérer avec une plaque axiale de rotor 66 montée sur le rotor 62 dans le but de maîtriser les fuites de fluide le long du rotor 62, depuis le côté haute pression jusqu'au côté basse pression, (indiqués par les références "HP" et "LP" sur la figure 3) d'une manière qui, pour le reste, est similaire à l'agencement d'étanchéité décrit en rapport avec les figures 1 et 2.

Dans la forme de réalisation représentée, une paire de bagues de joint annulaires 68, 70 (respectivement Ri, R2) sont montées dans le stator 64 de telle manière que le fluide sous haute pression puisse s'écouler dans les intervalles 72, 74 et dans la cavité annulaire respective 76,78 en vue de déplacer les bagues de joint 68, 70 en direction de la plaque axiale 66 de rotor. Comme dans la forme de réalisation décrite précédemment, au moins une des bagues de joint 70 (comme représenté sur la figure 3) peut incorporer un circuit de by-pass qui comprend au moins un tuyau ou conduit 82 qui s'étend depuis une entrée 84 à un emplacement du stator situé en amont de la bague de joint 70 jusqu'à une sortie 86 située en aval du joint 70, avec au moins une vanne 88 de commande de by-pass disposée entre l'entrée et la sortie, destinée à commander l'écoulement dans le circuit de by-pass. Comme dans la forme de réalisation décrite précédemment, le fonctionnement automatique peut soit être direct, soit être conjugué avec le dispositif de commande de la machine. Lorsque la vanne 88 est ouverte le passage d'écoulement en by-pass offre significativement moins de résistance à l'écoulement que la fuite entre les bagues de joint 68, 70 et la plaque axiale 66 de rotor, avec pour conséquence une to réduction significative de la chute de pression dans la (les) bague(s) de joint active(s) 70, dans ce cas en le faisant se rétracter, ou s'ouvrir sous l'influence d'un ressort ou d'un autre actionneur adéquat, comme décrit plus loin. Bien qu'un joint à garniture labyrinthe soit représenté, on comprendra que cet agencement d'étanchéité axial rétractable peut s'appliquer à toutes sortes de joints, comprenant notamment les joints du type brosse, les 15 joints à plaquettes souples, les joints du type galet, les joints du type nid d'abeilles et les joints d'usure. En considérant la figure 4, encore une autre forme de réalisation de l'invention y est représentée, laquelle incorpore un joint rétractable actif du type brosse. Plus particulièrement, un ensemble 90 de joint du type brosse entoure un rotor 92 comportant 20 des segments de joint annulaires supportés dans le stator 94. Les segments de bague de joint 96 et 98 font partie d'un ensemble de bague de joint annulaire RI et R3 du type utilisé sur les figures 1 et 2. Le joint du type brosse 100 utilise des éléments 102 de joint du type brosse classique supportés dans un segment 104 de bague de joint constituant une partie de la bague R2 de joint annulaire. Le joint du type brosse 100 peut être un 25 joint du type brosse individuel ou bien il peut être incorporé dans un joint à garniture labyrinthe traditionnel pour des raisons de rétro-adaptation. La manière dont le joint du type brosse se déplace entre la position d'ouverture et la position de fermeture est similaire à celle des formes de réalisation de joint décrites précédemment, avec un écoulement sous haute pression qui pénètre dans l'intervalle 106 et dans la cavité 108 de 30 la bague de joint pour déplacer la bague de joint R2 jusqu'à la position de fermeture.

Comme dans la forme de réalisation décrite précédemment, un circuit 110 de by-pass est employé, lequel utilise au moins un conduit 112 et une vanne associée 114, le conduit s'étendant depuis le côté amont de la bague de joint R2, jusqu'au côté aval de la bague de joint. Pour le reste, le joint rétractable actif du type brosse 100 fonctionne de la manière décrite plus haut en relation avec les figures 1 et 2. Il faut noter cependant que les bagues de joint RI et R3 peuvent être des bagues de joint passif (c'est-à-dire ne comportant pas de by-pass) et qu'elles peuvent être de n'importe quelle sorte, par exemple des bagues de joint labyrinthe, de joint du type brosse, de joint du type à plaquettes souples ou des joints d'usure. to La figure 5 représente une autre forme de réalisation dans laquelle la bague de joint annulaire R2 comprend au moins une paire de segments 118 dont chacun supporte un joint 102 du type à plaquettes souples. Le joint 120 du type à plaquettes souples peut être un joint individuel du type à plaquettes souples ou bien il peut être incorporé dans un joint du type labyrinthe traditionnel pour des raisons de rétro-adaptation. Le circuit 15 de by-pass comprend le conduit 122 et la vanne 124 et cet agencement fonctionne de la même manière que décrit plus haut. Cependant, à nouveau dans ce cas, les bagues de joint RI et R3 situées de chaque côté de la bague de joint R2 sont des bagues de joint qui ne sont pas dotées d'un by-pass et elles peuvent incorporer des ensembles d'étanchéité du type labyrinthe, du type brosse, du type à plaquettes souples ou du type joint d'usure. 20 Dans la forme de réalisation représentée sur la figure 6, apparaît un ensemble 126 de joint d'usure rétractable actif, dans lequel un revêtement dégradable par usure, ou des éléments de joint du type nid d'abeilles, 128, sont supportés par un segment 130 de bague de joint d'une bague de joint annulaire R2, avec des dents d'attaque présentes sur le rotor. En variante, le revêtement dégradable par usure ou structure nid d'abeilles, peut 25 être fixé au rotor et les dents d'attaque peuvent constituer une partie de la bague de joint annulaire R2. La bague de joint R2 est dotée d'une dérivation au moyen d'un circuit qui comprend le conduit 132 et la vanne 134, comme décrit en liaison avec les formes de réalisation précédentes. Les bagues de joint annulaire RI et R3 qui ne sont pas dotées d'une dérivation, et qui sont situées en amont et en aval de la bague de joint annulaire R2 peuvent incorporer des ensembles de joint du type labyrinthe, du type brosse, du type à plaquettes souples ou du type joint d'usure. Dans la conception du passage de dérivation, on peut utiliser des tuyaux multiples provenant de différents emplacements circonférentiels au niveau de l'amont des bagues actives, regroupés en un seul tuyau de plus grande dimension équipé d'une vanne unique. Au-delà de la vanne le gros tuyau peut être ramifié en tuyaux multiples de plus faible dimension qui peuvent être fixés à des emplacements circonférentiels différents au niveau de l'aval des bagues actives. En variante on peut utiliser des tuyaux multiples comportant des vannes individuelles, sans qu'il y ait besoin de regrouper tous l0 les tuyaux. Dans encore une autre variante, et en utilisant la figure 1 comme exemple, on peut utiliser un seul tuyau 52 pour réaliser la dérivation. En général, le nombre et le diamètre des tuyaux dépendra des exigences d'écoulement, des contraintes de place et de l'aptitude à entrer dans la(les) carcasse(s) et les têtes de garniture fixes. Au moins une vanne de commande 58 (également figure 1) par by-pass sera 15 nécessaire, dans le cas de passages de dérivation indépendants multiples.Cependant, pour un fonctionnement fiable du système on peut incorporer une vanne redondante, en parallèle ou en série, en plus d'une vanne principale. Le concept de joint rétractable actif travaille au mieux lorsque des étages ou bagues de joint multiples sont présents de telle manière qu'un seul jeu de bague(s) de 20 joint peut être activement commandé tandis qu'une autre, ou d'autres, bague(s) de joint passive(s) située(s) en amont ou en aval, qui ne n'est(sont) pas affectée(s) par le passage ou circuit de dérivation, joue(nt) le rôle critique consistant à assurer un certain niveau minimum d'étanchéité (par exemple dans les joints d'extrémité) ou à maintenir une certaine chute de pression minimum (par exemple dans les joints d'extrémité d'aube) 25 lorsque les joints actifs ont été dotés d'une dérivation. Bien que les performances d'étanchéité des joints actifs soit préservées, les performances d'étanchéité des joints passifs associés peuvent être compromises par d'éventuels frottements. Pour cette raison, dans les configurations d'étanchéité entre les étages et d'étanchéité d'extrémité d'aube, il est souhaitable d'inclure au moins deux bagues de joint de telle manière que 30 l'une puisse être rendue active au moyen d'une dérivation tandis que l'autre reste passive. Cependant, en général le concept ne se limite pas soit à une étanchéité à un seul étage, soit à une étanchéité à étages multiples et il peut être appliqué dans l'un et l'autre cas. L'utilisation de joints rétractables actifs bénéficie de plusieurs avantages. Par exemple cette idée permet le retrait de segments de joint dans n'importe quelles conditions de fonctionnement de la machine telles que celles du démarrage, celle de la montée en vitesse, celle de la montée en charge, celle des inversions de flux, celle du fonctionnement à régime établi, celle de la mise à l'arrêt ou celle d'un incident. Le concept de la réduction de la force de fermeture (radialement vers l'intérieur dans le cas d'une configuration de joint radial) exercée sur des segments de joint peut être utilisé pour ouvrir les joints en employant soit un procédé de poussée passif tel que des ressorts, soit en employant des actionneurs. Si l'on choisit cette dernière option, le concept proposé réduit significativement la capacité de force nécessaire pour les actionneurs.

En plus de la maîtrise active du jeu de joint et, de ce fait, des fuites dans une turbomachine, ce concept permet également une conversion rapide de l'état des segments de joint. Par exemple dans une turbine à vapeur les bagues de joint peuvent passer de l'état ouvert à l'état fermé et vice versa en créant essentiellement un mode de "nettoyage" pour les joints rétractables dans des unités qui disposent d'une qualité de vapeur médiocre. Par exemple, dans les turbines à vapeur industrielles, il existe des inquiétudes consistant en ce que le joint rétractable peut, avec le temps, ne pas fonctionner en raison de la présence de dépôts, etc, provenant de la vapeur. Ce mode de nettoyage ajoute de la fiabilité en ce qui concerne le fonctionnement des joints rétractables actifs.

Comme déjà indiqué, le circuit de by-pass destiné ici à faire se rétracter activement les segments de joints décrit ici peut être appliqué à tous les genres de turbomachines comprenant les turbines à vapeur et les turbines à gaz, les compresseurs et les moteurs d'aéronefs mais n'est pas limité à ces derniers.30 Liste des pièces Ensemble de joint pour turbomachine 10 Rotor 12 Carcasse ou Tête de garniture 14 Bagues de joint 16, 18, 20, 22, 24 et 26 Dents 28 Segments 19 Face d'étanchéité 30 Zone de haute pression 34 Zone de basse pression 36 Interface 38 Partie centrale 40 Rebords 42 Cavité 44 de tête de garniture Crochets 46 Ressorts 48 Intervalle 50 Conduit ou tuyau 52 Entrée 54 Sortie 56 Vanne de commande 58 Agencement d'étanchéité 60 Rotor 62 Stator 64 Plaque axiale 66 Bagues de joint annulaire 68, 70 Intervalles 72, 74 Cavité annulaire 76, 78

Claims

Revendications

1. Ensemble de joint rétractable actif destiné à être utilisé entre des composants rotatif et non rotatif (12, 14) de turbomachines comprenant : au moins une bague de joint (18 ou R2) montée sur le composant non rotatif (14), ladite bague de joint pouvant se déplacer en direction et à l'écart du composant rotatif (12) entre des positions respectives de fermeture et d'ouverture, en fonction de la chute de pression dans la bague de joint ; et un circuit de by-pass pour fluide (52, 54, 56, 58) destiné à envoyer du fluide autour de ladite bague de joint au minimum unique afin de réduire la chute de pression qui en résulte dans ladite bague de joint au minimum unique qui se déplace en direction de la position d'ouverture sous l'effet d'un ou de plusieurs ressorts ou actionneurs.

2. Ensemble de joint rétractable actif selon la revendication 1, dans lequel une vanne (58) commande l'écoulement dans ledit circuit de by-pass.

3. Ensemble de joint selon la revendication 2, dans lequel ladite vanne (58) est 15 commandée manuellement.

4. Ensemble de joint selon la revendication 2, dans lequel ladite vanne (58) est programmée en vue d'un fonctionnement automatique.

5. Ensemble de joint selon la revendication 1, dans lequel ledit composant rotatif comprend un arbre de rotor (12). 20

6. Ensemble de joint selon la revendication 1, dans lequel ledit composant fixe (14) comprend un capot, une carcasse, une tête de garniture, un support de diaphragme, ou voile.

7. Ensemble de joint selon la revendication 1, dans lequel ladite bague de joint (18) est poussée en direction de la position d'ouverture par ledit(lesdits) un ou 25 plusieurs ressort(s) (48).

8. Ensemble de joint selon la revendication 1, dans lequel ledit circuit de by-pass envoie du fluide autour de ladite bague de joint (18) au minimum unique.

9. Ensemble de joint selon la revendication 1, dans lequel ledit circuit de by-pass comprend au moins un conduit (52) s'étendant depuis un emplacement situé en amont de la bague de joint (18) au minimum unique jusqu'à un emplacement situé en aval de ladite bague de joint au minimum unique.

10. Ensemble de joint selon la revendication 1, dans lequel ladite bague de joint (18) au minimum unique comprend au moins deux segments en forme d'arc.