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"Dispositif d'etanchéité de l~ar'bre d'entrainement d'une
p~mpe pour fluide à haute pression"
L~invention concerne un disposi~if d~étanchéité de l'arbre dten-
raine~nt d~e pompe pour fluide à :haute pressionO
Dans les réacteurs nucléaires ~ eau sous pression, le circuit de
refroidissement du coeur du réacteur, ou circuit pxim~ire, co~orte au
moins deux bouoles de refroidisement comporta~ chacune un ~énerateur de
vapeur et une pompe pr.imaire~
Les po~pes pri~aires son~ constituées par une ~olute à 11in~é
rieur de laquelle tourne u~e roue à aubes fi~ée rigideme~ a l'~x~rémi~é
inférieure dlun arbre d~entrain~ - ~ relié a un teur.
L~etan~héité le long de 17arbre d1entrainem~n~ est assurée par un
ensemble d~ ~oin~s disposés dans un espace annulaire eon~ris entre l~arbre
et un boitier qui entoure cet arbre depuis sa sor~ie de la volute ~usqu~au
moteur d~erltra~n~ - to
Le dispositi~ d7étanch~i~é de l'arbre d~entra1n~ t des pompes
primaires est ~énralement constltué de trois ~oints compo~ant ~ne par~ie
fixe solidalre du boitier et une partie ~bile solidaire de l9arbre.
Les surfaces en re8ard de ces élém~nts d7étanchéité sont soit en
eontact frot~ant, le joint est alors de type mecanique, soit séparées par
une couche de fluide en circula~lon entre les surfaces du ~oint, le joînt
est alors du type hydrostatique.
Les joints de type m~canique son~ généralemen~ 1~tllisés pour as-
surer ltétan~lei~é entre deux zones dont les pressiDnS ne son~ pa~ trop dif~
férentes, alors que les joints hydrostatlques peu~ent ~tre utilises dans
le cas d~une tres grande différence de pression de part et d'autre du ~oint~
Dans le cas des pompes primaires, l'eau mise ~n circulation par
la pompe est ~ une pression ~res élevée~ de l'ordre de lS0 b~rs. Le ~oi~t
disposé le plus en a nt sur l~arbre dte~ra~nl - t, c9est-à-dire le plus
près de la partie interne de la pompe~ es~ ~o~c un joint hydrostatique qui
perme~ une chute de pression imp~rtante en~re ~a partie a n~ et sa par~ie
~val~ alors que les ~o~nts disposés en a~al sont genéral~ent des ~oints de
~ype mécaniqueO
Un cireuit dqalim~tation en eau froide 50US haute pression per-
me~ dlamener dans l~espace ann~ ire limite p~r le boitier, à l~a~o~t du
~oint hydro~tatique, de l'eau don~ une par~iD est refoulée vers la volute
de la pompe et dont une ~utre partie fournit le eou~ant de fuite du ~oint
93~
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hydr~statique. Apres etre passée par le joint hydrostati-
que, cette eau sert également au refroidissement des joints
mecaniques.
Un joint hydrostatique tel qulutilise sur les
pompes primaires comme joint amont a par exemple ete decrit
dans le brevet français 1.435.568 publié le 7 mars 1966 et
ayant pour inventeur Erling FRISCH et le brevet français
2.049.690 publie le 26 mars 1971 et ayant pour inventeur
Picco ~ILLASORo
Pour qu'un tel joint hydrostatique puisse fonc-
tionner correctement, c'est-a-dire sans ~ue les elements
disposes en vis à vis limitant la fuite viennent en contact,
il faut que la chute de pression a travers ce joint hydro-
statique, appelee ~p, soit superieure à une certaine limite.
Dans le cas des pompes primaires utilisees actuel-
lement, cette limite de pression est de l'ordre de 14 bars.
Dans le cas du fonctionnement normal du reacteur
nucleaire, l'eau de refroidissement du reacteur est à une
pression de l'ordre de 150 bars et l'eau froide injectee en
amont du joint hydrostatique est a une pression un peu
superieure, si bien que la chute de pression a travers le
joint hydrostatique est très elevee et generalement voisine
de 150 bars. Le bon fonctionnement du joint hydrostatique
est alors assure.
Il n'en est plus de même lorsgue la pression du
circuit primaire diminue par ex~mple dans le cas d'un arrêt
du reacteur, puisqulon est amene a diminuer la pression
d'injection de l'eau froide lorsque la pression du circuit
primaire diminue. Il faut en effet equilibrer le5 debits
injectes dans la volute et dans le joint et ces debits
dependent de la pression du circuit primaire~
En desà d'une certaine valeur de la pression dans
le circuit primaire la pression d'injection en amont du
joint hydrostatique n'est plus suffisante pour assurer un
tel ~P superieur a 14 bars et le joint hydrostatique ne
peut plus fonctionner correctement.
Dans le cas des pompes primaires utilisées dans
les reacteurs nucleaires à eau sous pression actuellement
en service, on considère que la pression minimale du fluide
primaire en deça de laquelle on ne peut plus faire fonc-
tionner le joint hydrostatique est de l'ordre de 26 bars.
Lors de l'arret d'un reacteur nucleaire a eau
sous pression, il est necessaire de laisser en fonctionne-
ment au moins une pompe primaire pour permettre la circula-
tion du fluide primaire et assurer un bon refroidissement.
En fin de refroidissement, on est en presenced'eau a 26 bars et à une temperature de 70C. A cette
temperature, on ne peut plus maintenir la pression de
26 bars par utilisation de l'equilibre liquide/vapeur dans
le pressuriseur du reacteur et on est oblige d'utiliser des
pompes de charge d'un circuit auxiliaire pour maintenir la
pression.
Selon la presen~e invention, il est prevu un dis-
positif dletancheité de l'arbre d'entralnement dlune pompe
~0 pour fluide a haute pression, cette pompe pouvant fonction-
ner sous deux regimes differents, à savoir un premier regime
dans leguel ledit fluide est mis en circulation à haute
pression, et un second regime dans lequel ledit fluide est
mis en circulation a relativement basse pression, ledit
dispositif comprenant, suivant la longueur de l'arbre, un
ensemble de joints dont l'un au moins est du type hydrosta-
tique a fuite de liquide entre deux eléments limitant cette
fuite et qui sont reli.e.s l'un a l'arbre et l'autre à un
boltiex entourant l'arbre et ménageant un espace annulaire
autour de celui-ci, ce joint, dispose le plus en amont,
c'est-à-dire vers l'intérieur de la pompe, nécessitant pour
son fonctionnement une pression differentielle suffisante,
a savoir supérieure a celle ~ue peut produire ladite rela-
tivement basse pression, entre la partie de l'espace annu-
laire ~ui se trouve en amont du joint, formant une chambre
~g~
- 3a --
en communication avec la partie interne de la pompe, et la
partie de cet espace annulaire qul se trouve a l'aval du
joint, cette chambre etant alimentee par un circuit d'ali-
mentation r en un fluide à une pression superieure a celle
qui permet d'obtenir ladite pression differentielle neces~
saire au bon fonctionnement dudit joint hydrostakique,
caracterise par le fait qu'il comprend en outre:
- un joint auxiliaire du type mecanique dont les
pieces en regard sont liées l'une a llarbre et l'autre au
boltier, disposé dans la chambre, en amont de l'arrivee de
fluide sous pression, separant cette chambre en une paxtie
amont et une partie aval,
- et une canalisation disposee entre la partie
amont et la partie aval de la chambre, sur la~uelle est
placee une vanne permettant de mettre en communication ou
d'isoler les deux parties de la chamhre, respectivement
quand ladite pompe fonctionne sous ledit premier regime~ et
sous ledit second regimeO
Le dispositif d'etancheité selon l'invention
permet un maintien en fonctionnement de la pompe, même si
la pression du fluide dont on effectue le pompage atteint
des valeurs faibles, par exemple inferieures à 26 bars.
Afin de bien faire comprendre llinvention, on va
maintenant decrire, a titre d'exemple non limitatif, en se
~5 ré~erant aux figures jointes en annexe, une pompe primaire
d'un reacteur nucléaire a eau sous pression equipée d'un
dispositi d'etanchéité suivant l'invention.
La figure 1 représente dans une vue en perspective
eclatee, une pompe primaire suivant llart antérieur,
La figure 2 représente de façon schématique le
dispositif d'etancheite suivant l'invention,
La figure 3 représente dans une demi-vue en coupe
par un plan vertical de symétrie, la partie supérieure d'une
pompe primaire pour réacteur nucleaire comportant un dis-
positif d'etanchéité suivant l'invention.
Sur la fi~ure 1 on voit une ponpe comportant un corps de poT~e
ou volute 1 percée d~une ouverture d~aspiration 2 Pt d~une ouver~ure de
re~oulement 3.
A llintérieur de cette volute es~ dYpose un diffuseur 4 à llin
térieur duquel tourne la roue à aubes 5 solidaire de llarbre dten~raine-
' ment 7 relié au m~teur d7entrainement de la po~pe non représ~nté.
La partie supérieure du corps de pompe comporte une bride d~ac
couplement 8 permettant de relier la pompe à son groupe m~eur.
L~arbre 7 est entouré dlun boi~ier 9 qui ménage autour de celui-
ci un espace annulaire lOo
A sa partie superieure le boitier 9 com~or~e une bride 12 de rac-
cordement a1t mo~eur d~entrainement de la pompe.
Dans l~espace Ann~ re 10 son~ disposés des ~olnt~ 14 permett~nt
d7assurer l'étanchéite le long de l~arbre 7.
Lrarbre 7 porte à son extrémité pénétran~ dans la volute la ro~e
à a~abes 5 et sort de cette volute au niveau d~un joint labyrinthe 16 au ni-
veau duquel est égale~en~ placée u~e barriere ~her~fque 17 parcourue par un
serpentin de refroidissement. Llarbre 7 passP. ensuite dans un palier 15 assu-
rant son malntien et son guidageO
Le ~oint 14 disposé le plus en amont9 c~est-à~dire vers lli~té-
rieur de la pompe, et donc placé le plus près du palier 15, est du type hy-
drostatique, de l~eau roide sous une pression légèrement supérieure à la
pression de l~eau dans la po~pe étant ~njectée par des tubulures diin~ection
19, dans ltespace ~nn~ fre 10 dans lequel sont places les ~oints d~étanché-
ité.
Sur la figure 2~ on voit une représentation sché~atique du dispo-
sitif d~tanchéité associé à une po~pe pri~2ire du m~m~ type que la pompe
représentée ~ la figure 1.
A l'intérieur de la volute 21 de cet~e pom~e eomportant une ouver-
ture dBaspiration 22 et une nuver~ure de refoulem~nt 23~ la roue à aubes25 solldalre de l~extremité de l~arbre 27 est mise en ro~ation par llinter_
m~diaire de ~et arbre. A sa sor~ie de la volu~e 21~ 17arbre passe dans un
ensemble de deu~ joints à labyrinthe 26 eux~me~s entourés pa~ la barrière
~herm~que 28 parcourue par un serpenti~ 29 alimen~e ~n eau de refroldisse~
3~ ment.
Lqarbre 27 traverse alnrs 17espace ~nnt~la;re ~0 délimi~é par un
boitier disposé autour de llarbre suiv2n~ toute sa longueur`~usqula son
raecorde~nt avec le m~eur dqen~ralnement 31~ ..
A 1~ intérieu~ de cat e5pac~ annulaire sont disposes le palier 32
per~ttan~L le guidage de l'arbre et l~s ~int~ 33~ 34 et 350
L~ premier ~oint 33 disp3sé en amont ~st du type hydro~tacique
a fuite de liqulde entre sa par~le tour;naII~ce ~iee ~ rbre 27 et sa par~
S ~ie fixe liée au boitler,
Les ~o:Lnes 34 e~c 35 soIlt du type m~canique comporltant deux par
tles frottantes d~nt l~une es~ solidaire de llarbre e~ l~autre du boitier.
Un circuit dqalimentation en eau rside sous pression 36 permet
d~eneI eetl:e eau froide à une pression légèr~nerlt su~érieur2 ~i la pres-
10 ~ion de l~eau mise eI~ circula~lon par la po~pe, d~ns l~espace s~nn~2l~ire30, en ant du ~oln~c 33~
La pression de cette eau froide ~s~ reglée ~zâce ~ une vamle de
dérivaeion 38 e~c à une pon~pe de charge 40 placee en deriva~ ur la con~
duite princip~le du circui~ 26~ Un m~no~tre 39 permet de véri~ier la pres~
sion dans le circuit 360 Des conduites 41~ 42 et 43 p~r~t~ de recycle~
l~eau recupérée à llaval du ~oint 33 dans le cirruit d'alim2ntatio~ 36.
Le dlsposi~if d7e~anchei~é ~uivant l~invention comporte de plu5
un ~oint auxiliaire 45 disposé en a~nt tu ~oint hydro~ta~ique 33 d~ns la
par~ie de l~espace ~n~nl~ire 30 c~ns~i~uant une ~h~mbre 46 en c~
tion avec la partie i~terne de l~ ~olute 41, par 17int~ 'dia~re des ~oint~
labyrinthes 2~.
Le ~int auxiliaire 45 est un Joint ~e~an~que à ~urfaces frottan-
tes qui sépare la cha~bre 46 en deux parties, 46a ~ituée ~ l~am~nt du ~oint
4S et 46b situé à llaval du Joint 45 et à l~am~nt du ~oint 33.
Une conduite 47 permet de ~oindre les deu~ psrties 46a et 46b de
la cha~bre 460 Une vanne 48 est disposée sur la c~nalisaLion 47 pour i~oler
ou mettre en c icstion les deux parties de la cha~re 46~
Un clapet 49 est place en derivatlon par rapport à la ~ ne 48.
}~n se reportant à la figure 3, on re~crouve les m~as éléments ~ue
ceux représentés sur la figure 2 et a~ec les m~nes repères, la p~lape primai-
re é~ant du meme type que la pc~pe représerltée sur la figure lo
Sur la figure 3~ le circuit 36 n'a cepe~dant pas éte représ~nte
pour évlter de co~pliquer la représ~ntation.
Le 30int au~illaire 45 est cons~it~é d~une partie fixe S0 s~lidai-
re du.boitier 9l et dlu~e partie mobile 51 solidaire de l~arbre 27, dont
les surfaces disposées en ~is a ~is son~ ~n con~act frottan~. .
Le ~oint hydrcs~atique 33 conslste en tme gar~iture f lottante et
~e garni~ure t~urnante séparées par u~ fllm d~eau à fuite coTltrôlée.
L'épaisseur du film d'eau (eau filtrée et in~ectée en amont du Joint 33
dsns la cha~ibre 46b par :Le circuit 36~ e~t reE~ulee par le prof il ~3~o~e-
trique des par~ies actives en fonction de la presslon dans 1~ ch~bxe 46b.
La fuite d~eau de ce ~oint 33 e~c evacu~e e~ par~ie à tra~ers le ~oint
34 et le x~s~e vers le circuit 36 pa~ la conduite ~1 (figure 2).
On ~ra mairlt~ant d~crir0, en se référant aux figures 2 et 37 le
fonctior~ement du di~positif dtétanc}iei~é ~uiY~n~ in~rention.
Pendanoc 1~ onctlQnni~ t IlonDal de la poD~pe, le réacteur nucle-
aixe étant e~ service, celle-ei provoque la circulation de l l eau du circuit
primaire qui e~t à 3~e pre~sion de l~ordre te 15t) bars et à une ten~pérat~r~
supérieure a 30ûC. La vanne 48 disposée ~ur la coslduite 47 mettant en com~
munication les deux pa~ties de la ~hambre 46 est ou~eree. De l~eau froide
est an~née par le ciFcuie 36 dans la partie 46b de la chambre, à une pres-
sion un peu ~uperieu~e à la pr~ssio~ du cirruit prl~air~, La mise ~n commu-
nication d~s deux parties 46a et 46b de la chambre 46 par la ron~u~te 47
produit un équilibrage de pre~slon en~re ces deux p~rties de la cha~bre, si
bien que 18 diF érence de pressiDn à tr~vers le joint auxilia1re 45 es~ ~é-
gligeableO On peut d~c prévoir un contac~ frot~ant entre les sur~aces en
regard du ~oi~t 457 avec u~e pression d'applicatlon faible ~i bien que 1'u-
sure de ce ~oint est très li~itée. D`au~re part, le ~oint 45 ~t refroid1
par l'eau du clr~ui~ 36 et travaille à tempéra~ure derée.
Le dispositi~ d'étanchéité fonc~ionne alors comme les diepositifs
de l~art antérleur7 13 d1férence de pression à t~avers le ~oint hydzostati-
que 33 étsnt pratiquement éga~ ~ la surpression du c~rcuit primaire.
Lors d~un arrêt du réacteurl la pression du clrcuit primaire peut
s~a~aisser ~usqula une valeur faible, par exem~le inférieure a 26 bars. Pour
maintenir la pompe en état de mar~he, 11 su~flg alors de ~ermRr la ~anne 48
et de rgler le débit et la pression de 1~eau froide in~ectée par le circuit
36, en agissant sur la ~anne 38 et la pompe ~0, de fa~on à maintenir une
pression suffisante dans la cha~ibre 46b délimitée par le ~oint hydr~statiqlle
33 et pax le joint auxil~aire 45. De préférence, on choisira cet~e pression
égale a 26 bars de fa~on à ~tre ,~US'C8 au-dessus du seuil min~mal du.~ p
permettant le fonctionnement du ~oint 33~
Dans ees eondi.~ions9 la diff~ence de pression cntre la chambre
46b soumise à une pression voisine de 26 ba~s et la cha~bre 46a soumise à
u~e pression ~ToiSine de celle du circ~it primaire est au plus ég~le à 26
bars, si bien que la chute de pression de part et diautre du joint 45 ~st
au plus égale a eette valeurO
~3
Cecl est compa~ible avec un fonctionnemen~ du join~ 45 dans de
bonnes conditions.
Dans tous les cas, les joints à surfaces frottantes du dispositif
d'étanchéité représen~é a~Y figures 2 et 3 fonctionnent dans d~ bonnes
conditions car les chu~es de pression de part e~ d?autre de ces joints sont
faibles et la circulation de l~eau venant en contact avec ces Joints perme~
la lubrifica~ion des surfaces frottantes~ Le joint 45 est refroldi et lu~
brifié par l'eau injecte par le circ~it 36 alors ql~e les ~oints 34 e~ 35
sont refroidis et lubrifiés par une partie de l'eau traversant le joint 33.
Cette eau permettan~ le refroidissement e~ la lubrification est finalemen~
recyclee par les conduites 419 42 e~ 43~
Le clapet 49 placé en dérivation par rapport à la va~ne 4S est
conçu pour rester ferme tant que ia pression dans 1~ chanbre ~6a est iné-
rieure à la pression dans la chambre 46b. Ce clape~ ne s'ouvre que dans le
cas dtune surpression dans la chambre 46a par rapport à la chambre 46b~ Pen-
dant le fonctionnement normal du réacteur, ce clapet rest2 donc ferme puis-
que le circuit 36 introduit de l'eau en légere supression par rapport à
l?eau du circui~ primaire.
Lors d'un 2rr~t du réacteur, la pression étant amenée à une ~aleur
faible dans le circuit primaire e~ la vanne 48 étant fermee, s~il se pro-
duit une avarie sur le ci~cuit d~aliment.~ion 36, la pression dans la cham-
bre 46a devlent supérieure à la pression dans la cha~bre 46b qui n'est plus
alimentée et le clapet 4~ s70uvre9 si bien que lteau du circuit primaire
refxoidie par la barrière ther~ique 28 peut pénétr~r dans la chambre 46b
et assurer la fonction de refroidissement et de lubrifica~io~ des joints à
surfaces frottantes en remplacement de l'eau froide injectée par le circuit
36~ -
On voit donc qu'un a~antage du dispositif sui~ant 11 invention estde permettre le fonctionne~ent des pompes primaires d'un réacteur nucléaire
à basse pression~ Pendant les phases d'arret du réacteur i.l devient possi-
ble de continuer à faire circuler l~eau du cireui~ primaire sans recourir
~ à des m~yens auxiliaires pour maintenir sa pression audessus de 26 bars~D'autre p~rt le circuit de refroidissement du réac~eur qui per-
me~ d'abaisser la température et la pression du circuit primaire au cours
des phases de rnise en arrê~ a iroid du réacteur peut atre utilisé a des
pressions inférieures à 26 bars ce qui n'e~ait pas possible antérieurem~nt
puisqu'une circula~ion de l'eau primaire doit ~tre maintenue pendant les
phases de mise a l'arrê~.
~3~
Il en résulte que ce circuit de refroidissement pourra etre uti-
lisé jusqu'aux phases ultimes de l'ar:rêt à froid du réacteur.
Mais l'invention ne se li~i~e pas au de de réalisation qui
vient d'être décrit elle en ccmporte au c~ntraire ~utes les varia~tes~
C'est ainsi qu'au joint hyd:rostatique disposé en am~nt du dispo-
sitif d'étanchéité peuvent etre associés des joints d'un type quelconque
et que le no~bre de ces joints n~est pas limite~
On peut égale*ent i~aginer l~utilisation d~un dispositi d'étan-
chei~é sui~ant l'invention dans le cas d~una pom~e pour fluide à haute
pression différente d'une pompe de circulation de l'eau du circuit prim~ire
dlun réacteur nucléaire à eau sous pression.
:;
