Brevet FR2011112A1 — publié le 19700227

i 2011112 La présente invention concerne- les joints d'étanchéité pour les tubes, et plus particulièrement un joint perfectionné destiné à être utilisé entre un élément fixe et un élément tournant. Les joints tournants tels que les joints du type labyrinthe ou 5 les joints du type nid d'abeilles sont utilisés depuis longtemps dans les moteurs à turbines à gaz et les machines analogues pour limiter les fuites entre les parties tournantes et les parties fixes, pour isoler des chambres ou des organes par rapport à des fluides à des températures élevées et pour empêcher la perte de rendement du moteur du fait de pertes des fluides comprimés ou 10 de fluides d'entraînement d'une turbine. Ces joints comportent habituellement au moins une partie saillante en forme de nervure circulaire de l'élément tournant ou de l'élément fixe arrivant au voisinage immédiat ou en contact réel à friction avec la surface associée de l'autre élément pour établir le joint. Une fuite de fluide à travers un tel joint est évidemment indésirable, et la 15 fuite est principalement fonction du jeu existant entre l'arête de la nervure circulaire et la surface associée ainsi que de la chute de pression apparente entre les deux côtés du joint. La chute de pression apparente peut être définie comme étant la chute de pression à partir du fluide situé du côté amont ou côté haute pression du joint, ou la différence entre la pression totale en amont 20 et la pression apparente en aval du joint. lyaur un passage de fuite d'une dimension donnée, le débit de fuite augmente avec l'accroissement de la chute de pression apparente à travers le joint. La présente invention concerne la réduction de ce débit de fuite en renvoyant ce courant de fuite vers l'arête du joint afin d'augmenter la pression apparente en aval au voisinage du passage 25 de fuite et de réduire la chute de pression apparente à travers le joint. L'invention a par suite pour objet un joint tournant perfectionné comportant un dispositif pour réduire la chute de pression apparente entre les deux côtés de l'arête du joint, et par suite la fuite de fluide à travers le joint. L'invention a plus particulièrement pour objet un joint tournant 30 dans lequel le courant de fluide de fuite traversant le joint est capté pour être dirigé dans la direction générale vers le passage de fuite afin d'augmenter la pression apparente au voisinage- de l'extrémité aval du passage de fuite, de diminuer la chute de pression apparente autour de l'arête du joint, et par suite de réduire la fuite à travers le joint. 35 Sous son aspect le plus large, l'invention concerne un joint tournant comportant un élément fixe et un élément tournant, et au moins une partie saillante dépassant de l'un des éléments vers la surface d'étanchéité de l'autre élément, la partie saillante et la surface d'étanchéité coopérant pour 69 20190 2 2011112 former un joint avec un passage de fuite entre les deux, ce joint tournant étant caractérisé par un dispositif en aval de la partie saillante pour augmenter la pression apparente à côté de l'extrémité aval du passage de fuite afin de réduire la chute de pression apparente d'un côté à l'autre 5 de la partie saillante et par suite de réduire la fuite de fluide à travers le joint. Les caractéristiques de l'invention ressortiront plus particulièrement de la description suivante, donnée à titre d'exemple, et faite en se référant au dessin annexé, sur lequel : 10 la figure 1 est une coupe longitudinale d'une partie d'un moteur à turbines à gaz comportant des joints tournants suivant différents modes de mise en oeuvre de l'invention, la figure 2 est une coupe à plus grande échelle de l'un des joints de la figure 1, et 15 la figure 3représente schématiquement un joint suivant un autre mode de mise en oeuvre de l'invention pour un rotor de turbine ou de compresseur. la figure 1 représente à titre d'exemple une partie d'un moteur à turbine à gaz 10 équipé de joints tournants suivant différents 20 modes de mise en oeuvre de l'invention, tels que les joints 12 et 14, pour réduire les fuites entre les compartiments 16, 18 et 20. Suivant l'exemple représenté, le compartiment 16 est annulaire et contient du fluide sous une pression relativement élevée provenant d'un compresseur 22. Le compartiment 18 est maintenu à une pression plus basse, par exemple la pression atmosphérique 25 et le compartiment 20 est maintenu à une pression inférieure à la pression atmosphérique. Le joint 12 représenté sur les figures 1 et 2 comprend un élément tournant 24 fixé sur l'arbre 25 et comportant plusieurs parties / saillantes en forme de nervures circulaires 26 dépassant d'une façon générale dans la direction radiale vers un élément fixe 28. Chaque nervure 26 comporte 30 un bord ou arête périphérique 30 arrivant au voisinage immédiat ou en contact à friction avec la surface d'étanchéité 32 de l'élément fixe 28, l'arête et la surface d'étanchéité établissant ensemble un joint relativement efficace contre les fuites de fluide entre les deux côtés de la nervure 26. Il doit être remarqué que même si l'arête et la surface 35 d'étanchéité 32 sont ajustées pour être en contact glissant, il subsiste un passage de fuite 34 entre l'arête 30 et la surface d'étanchéité-32:, le fluide haute pression pouvant fuir à,travers ce passage, par exemple de la chambre 16 vers la chambre 18 ou de la chambre 18 vers la chambre 20. L'importance de 69 20190 3 2011112 cette fuite est fonction, ainsi qu'il a été indiqué ci-dessus, de la dimension du passage 34 et de la chute de pression apparente entre les deux côtés de chaque nervure 26. Quand la pression amqnt, par exemple la pression dans le compartiment' 16, est importante par rapport à la pression aval, par exemple 5 dans le compartiment 36 existant entre les deux premières nervures du joint 12, et quand le passage 34 est faible, la vitesse d'échappement du fluide peut être assez élevée et peut même approcher de la vitesse du son. Pour réduire l'écoulement du-fluide à travers le passage 34, un joint selon l'invention comporte un dispositif pour recevoir le courant 10 de fuite et diriger ce courant d'une façon générale vers l'arête 30, c'est-à-dire le passage 34, afin d'augmenter la pression apparente en aval et de réduire la chute de pression apparente entre les deux côtés de chaque nervure 26. Dans ce but, l'élément fixe 28 suivant le mode de réalisation de la figure 2 forme une chambre annulaire 38 immédiatement en a/al, c'èst-à-15 dire sur le côté basse pression de chaque nervure 26, cette chambre comportant une ouverture 40 orientée d'une façon générale vers la nervure correspondante et la chambre étant définie par les parois latérales annulaires 42 et 44 et la surface 45 formant le fond circulaire. L'une des parois latérales, par exemple la paroi 42 est formée pour guider le fluide de fuite dans la chambre 38 et 20 l'autreparoi latérale, telle que la paroi 44, est convenablement inclinée par rapport à l'axe de rotation de l'élément tournant 24 pour diriger le courant de fuite sortant de la chambre 38 d'une façon générale vers l'arête 30 de la nervure et le passage 34, afin que la pression apparente en aval soit augmentée du côté aval du passage 34 pour réduire la chute de pression apparente 25 entre les deux côtés de la nervure 26, et réduire par suite l'importance de la - fuite. La surface 45 formant le fond d'une forme convenable est raccordée aux parois latérales 42 et 44 pour provoquer un mouvement tournant du fluide à l'intérieur de la chambre 38. Les trajets de fuite à travers les passages 34 et à travers les chambres 38 sont indiqués par les flèches de la figure 2 30 et l'écoulement du fluide à travers le compresseur 22 et la chambre 16 est indiqué par les flèches de la figure 1. Bien que le joint représenté sur la figure 2 soit du type labyrinthe étagé axialément, il doit être noté que le joint peut comporter une seule nervure 26, et que dans le càs de plusieurs nervures, ces nervures peuvent 35 avoir le même diamètre aux arêtes, comme dans le cas du joint représenté en 14 sur la figure 1 ou des diamètres différents inégaux et' aussi bien en ordre régulier qu'en ordre irrégulièr. De plus, il doit être noté que bien que les nervures 26 soient représentées solidaires de l'élément tournant 24 et les 69 20190 4 2011112 surfaces d'étanchéité 3-2 et les chambres'38 solidaires de l'élément fixe 28, cette disposition et le mode de construction peuvent être modifiés. La figure 3 représente un joint tournant selon l'invention utilisé pour constituer une combinaison d'étanchéité entre le rotor d'une 5 turbine ou d'un compresseur et l'enveloppe correspondante, le rotor comportant dais ailettes 46 orientées d'une façon générale radialement dont les extrémités sont fixées à un écran annulaire ou élément tournant 24a comportant des. nervures circulaires d'étanchéité 26_a arrivant au voisinage immédiat ou en contact glissant réel avec une surface d'étanchéité 32a de l'enveloppe ou 10 élément fixe 28a de la machine. Comme dans le cas de la figure 2, la surface d'étanchéité 32a et les nervures 26a coopèrent pour établir un joint relativement efficace entre les côtés opposés de chaque nervure 26a. Dans le cas de la figure 3, une chambre 38ji est formée en aval de chaque nervure 26a pour recevoir le fluide de fuite échappant à travers le passage 34a correspondant, ce 15 fluide pouvant être les gaz chauds produits dans une chambre de combustion, de la vapeur d'eau ou un autre fluide circulant d'une façon générale vers les nervures 26a et les passages 34a, les chambres 38a agissant de la même façon que les chambres 38 de la figure 2, pour réduire la chute de pression apparente entre les côtés opposés des nervures 26a, et réduire par suite les 20 fuites à travers le joint. Bien entendu, lé description qui précède n'est pas limitative et l'invention peut être mise en oeuvre suivant d'autres variantes, sans que l'on sorte de son cadre. 69 20190 5 2011112 REVENDICATIONS 1. Joint tournant comportant un élément fixe et un élément tournant, au moins une partie saillante en forme de nervure dépassant de l'un des éléments vers une surface d'étanchéité de l'autre élément pour 5 former un joint relativement efficace comportant un passage de fuite entre les deux éléments, caractérisé par un dispositif en aval de la nervure ou de chaque nervure pour augmenter la pression apparente dii côté aval du passage de fuite afin de réduire la chute de pression apparente entre les deux côtés de la nervure, et par suite de réduire l'importance de la fuite à travers le 10 joint. 2. Joint tournant selon la revendication 1 caractérisé en ce que la nervure est solidaire de l'élément tournant et la surface d'étanchéité et le dispositif pour augmenter la pression apparente à côté de l'extrémité aval du passage de fuite sont solidaires de l'élément fixe. 15 3. Joint tournant selon l'une des revendications 1 et 2 caractérisé en ce que le joint comporte plusieurs nervures. 4. Joint tournant selon l'une des revendications 1 à 3 caractérisé en ce que le dispositif pour réduire la chute de pression apparente entre les deux côtés de la nervure comprend un dispositif en aval de la nervure pour 20 recevoir le courant de fluide provenant du passage de fuite et pour diriger ensuite ce courant vers ce passage de fuite. 5. Joint tournant selon la revendication 4 caractérisé en ce que le dispositif pour recevoir et diriger le courant de fuite comprend une chambre formée par l'élément fixe ou par l'élément tournant en aval de la nervure, cette 25 chambre comportant une ouverture faisant face d'une façon générale à la nervure et étant définie par deux parois latérales raccordées par une surface de fond pour provoquer l'inversion du sens d'écoulement du fluide dans la chambre, la première paroi latérale étant disposée pour diriger le courant de fuite vers l'intérieur de la chambre et la seconde paroi latérale étant disposée pour 30 diriger le courant de fuite de la chambre vers le passage de fuite.