Brevet FR2000730A1 — publié le 19690912

La présente invention est relative aux joints tournants de grand diamètre et en particulier aux joints de ce type destinés à travailler à grande vitesse tout en étant soumis à des conditions de haute pression et de haute température. Dans certaines.formes de 5 moteur de propulsion pour aérodynes, du type turbo-machine à double flux ou turbo-soufflante ("turbo-fan"),par exemple, la soufflante est située en arrière du groupe générateur de gaz, les pales de cette soufflante étant montées sur un carénage qui tourne par rapport au générateur de gaz. Les gaz chaud sortant du générateur de 10 gaz traversent un ensemble d'aubes de turbine placées à l'intérieur du carénage et il se pose le problème de contenir ces gaz à haute température et à une pression considérable, à la jonction entre la partie fixe et la partie mobile, c'est-à-dire entre l'enveloppe du générateur de gaz et le carénage rotatif. La difficulté qu'il y a 15 à fabriquer l'enveloppe et le carénage du moteur avec les tolérances serrées qui seraient nécessaires pour maintenir un faible in- .réaliser tervalle de fuite et/une sorte de joint a labyrinthe, est encore aggravée par les effets des gaz chauds sur le labyrinthe, sur la structure adjacente ou sur les appareillages que les gaz pourraient 20 venir frapper. Car il va de soi que le joint à labyrinthe ne peut travailler qu'avec une certaine fuite. Dans les grands moteurs à turbines à gaz, la perte de poussée due à cette fuite est importante et peut atteindre 3!^ même plus de la puissance totale. L'invention a pour but de réaliser un joint dans lequel les 25 tolérances d'usinage soient admissibles et qui permette de rendre presque nulle la perte de gaz. Suivant l'invention, un joint d'étanchéité aux gaz intercalé entre deux parties noaxiales de grand diamètre dont l'une peut tourner par rapport à l'autre, comprend un canal annulaire formé sur 30 l'une des parties et dont l'ouverture est dirigée vers l'intérieur, une collerette formée sur l'autre des parties, qui s'étend perpendiculairement à l'axe de rotation et qui se loge dans ce canal, et des moyens capables d'introduire un métal qui est liquide à la température nôrmale de fonctionnement du joint, dans ce canal,pen-35 dant la rotation relative de ces deux parties. Le canal êst de préférence formé sur un élément fixe. Dans ce cas, les moyens servant à alimenter le canal en métal liquide comprennent de préférence un réservoir pour le métal liquide, qui est en communication avec ce canal et avec une source de pression, l'a-40 gencement étant tel que; sous l'effet de la rotation de l'élément 1 bad original • î 6901320 2000730 comportant la collerette, le réservoir est mis sous pression pour refouler au moins une partie du métal liquide dans le canal et, lors de l'arrêt, le métal refoulé revient au réservoir. Le métal est de préférence du gallium, auquel cas les moyens 5 ser-zant à alimenter le canal en métal liquide comprennent un dispositif de chauffage pour faire fondre ce métal . Le gallium a un point de fusion de 29,75°C et se vaporise à des températures supérieures à 2000°C. Il a une densité de 5*9. D'autres caractéristiques de l'invention apparaîtront au cours 10 de la description qui va suivre. Au déssin annexé, donné uniquement à titre d'exemple : la Fig.l est une vue schématique en coupe verticale d'un moteur à turbine à gaz pour aérodyne ; la Fig. 1A est une vue à échelle agrandie, en coupe verticale, 15 du moteur de la Fig.l ; les Fig. 2 et 3 sont des vues en coupe a un joint suivant l'invention, prises dans un plan qui contient lçaxe de rotation du joint. Dans l'exemple de réalisation représenté sur les Fig.l et 1A, 20 l'invention est appliquée à un moteur à turbine à gaz pour aérodyne . dont l'axe de rotation est indiqué en X-X et qui comporte une soufflante carénée 1, montée à l'arrière et entraînée au moyen d'une turbine 2, et un compresseur 3 entraîne par une turbine 4. Les turbines 2 et 4 sont montées.coaxialement, les aubes de la turbine 4 25 s'étendant radialement vers l'intérieur et celles de la tUEbine 2-s'étendant radialement vers l'extérieur. Les turbines 2 et 4 tournent dans deux sens autour de l'axe de rotation X-X du moteur. La zone de combustion 5 du moteur est formée par des chambres de combustion ou boîtes à flammes comme celle indiqué en 5g. Cette 20 zone du moteur ne tourne 'pas et elle est combinée à l'enveloppe 5b du moteur. La soufflante 1 et la turbine 2, ainsi que le compresseur 3 et la turbine 4, tournent solidairement l'une de l'autre par rapport à la zone de combustion 5, Les pales de la soufflante 1 s'étendent radialement vers l'extérieur en saillie sur?un carénage ■35 2a sur lequel les aubes de la turbine 2 font saillie radialement vers l'intérieur, le carénage 2a constituant en réalité l'enveloppe des turbines 2 et 4 et formant une tuyère rotative à travers laquelle passent les produits de combustion à haute pression. Pour éviter qu'une partie des produits de.combustion à haute 40 pression ne soit perdue par éjection vers 1?extérieur à travers bad original 6901320 5 2000730 l'intervalle annulaire 15 formé à la jonction entre la zone de combustion non rotative 5 et le carénage rotatif 2a, immédiatement en arrière de cette zone, il est prévu un joint d'étanchéité aux gaz, situé radialement à l'extérieur de cet intervalle. Ce joint com-5 prend un canal 6 annulaire à section en U, dont l'ouverture est dirigée vers l'intérieur, qui est formé sur la partie non rotative, en un point adjacent à l'extrémité arrière de la zone de combustion 5. Il est prévu un réservoir i qui est formé solidairement avec ce qui est, en utilisation, la partie extrême inférieure du canal et 10 qui comprend un conduit 8 qui mène du fond de ce réservoir dans le canal 6 au point 9. Le réservoir 7 est également équipé d'un conduit 10 qui relie sa partie supérieure à une zone de haute pression du moteur, adjacente au compresseur 3» en 11 „ Le réservoir est muni de plus d'un élément chauffant 12. 15 Le carénage 2a porte sur son bord avant une collerette 13 qui s'étend perpendiculairement à l'axe de rotation X-X et qui est engagée dans le canal 6. Le point 9 °ù le conduit 8 débouche dans le canal 6 est agencé de façon à être légèrement plus rapproché de l'axe de rotation X-X que la circonférence extérieure de la colle-20 rette 13. Le réservoir 7 contient une quantité de gallium métallique représentée en 14 et l'élément chauffant 12 est calculé de façon que sa puissance permette de faire fondre facilement le métal. Une variante de réalisation du joint d'étanchéité aux gaz est 25 représentée sur les Pig. 2 et 3 sur lesquelles les mêmes éléments sont désignés par des références analogues à celles des Fig.l et 1A. Dans cette variante, les flancs du canal 6 présentent des lèvres 6a, 6b dirigées vers l'intérieur, en direction de la collerette 13. Les lèvres 6a, 6b ne touchent pas la collerette 13 mais 30 leurs extrémités sont rabattues dans le sens qui les éloigne de l'axe de rotation X-X. La collerette 13 est munie sur ses deux faces d'une série d'ailettes 13a, 13b formant des aubes ou palettes qui s'étendent dans une direction générale radiale et transversale au plan de rotation de la collerette 13. 35 En fonctionnement, le joint travaille de la façon suivante : avant de mettre en rotation l'équipage du moteur formé par le compresseur 3 et la turbine 4, pour le démarrage du moteur, on alimente l'élément chauffant 12 pour faire fondre le métal 14 contenu dans le réservoir 6. On met l'équipage en rotation à la vitesse 40 d'entretien spontané de la rotation et l'accroissement de pression bad original 6901320 n 2000730 interne du compresseur 3 qui résulte de cette vitesse est transmis^ par le conduit 10, au réservoir J où la pression qui s'exerce sur la surface du métal liquide a pour effet de refouler ce liquide par le conduit 8 dans le canal 6. Etant donné que la collerette 13 tour-5 ne à l'intérieur du canal 6, le métal liquide est rapidement centrifugé par le mouvement relatif pour prendre la position représentée sur la Fig.2 dans laquelle le volume du métal présente, en section la forme d'un U à branches d'égale longueur. Le métal liquide continue à être débité dans le canal 6 au fur et à mesure de l'élé-10 vation de la vitesse du moteur et, par conséquent, de l'élévation de la pression dans le conduit 10 et dans le réservoir 7, mais la "contre-pression" du liquide contenu dans le canal 6 (c'est-à-dire la force exercée par la masse de liquide qui est refoulée par effet centrifuge vers le réservoir 7 à travers le conduit 8) est tou- 15 jours égale à la pression régnant dans le conduit 10 et, en fait, G S T) elle/déterminée par cette pression. La quantité de métal liquide contenue dans le canal 6 à un moment donné est donc automatiquement réglée. Au fur et à mesure de l'accroissement de la vitesse du moteur 20 et, par conséquent, de la pression des gaz qui sortent de la zone de combustion 4, la pression qui est exercée à travers l'intervalle 15 par les gaz de combustion a pour effet de déplacer la forme-en U du métal liquide de telle sorte que les branches des U prennent des longueurs inégales, la valeur du déplacement étant tells 25 que la force centrifuge exercée par le liquide déplacé équilibre la pression exercée par les gaz de combustion. Les Fig. 1A et 3 montrent ce déplacement du métal liquide. Dans l'exemple particulier de la Fig.lA, si l'on suppose que le joint a un diamètre nominal de 838 mm, une vitesse de rotation de 30 3000 T/mn de la collerette 13 entraîne un. déplacement du métal liquide de l'ordre de 25 mm pour une pression de gaz (au point 15) de O 63 kg/cm , si l'on néglige les pertes. A la suite de l'arrêt du moteur, la pression régnant dans le conduit 10 diminue et le métal liquide revient du canal ^ par le 35 conduit 8 dans le réservoir 7, lorsque la vitesse de rotation tombe à zéro. Il subsiste une quantité résiduelle de liquide dans la partie extrême inférieure du canal en raison de la position donnée à l'orifice 9 par lequel le conduit 8 débouche dans ce canal. Cette quantité est insignifiante et, si le métal est solidifié au moment 40 ^e 3-a remise en marche du moteur, il est facilement mis en fusion BAD ORIGINAL 6901320 5 2000730 par la conduction de la chaleur, fournie par l'élément chauffant prévu dans le réservoir 7. Les lèvres 6a, 6b formées sur le canal 6 comme indiqué sur les Fig. 2 et 3 sont prévues de telle façon que les petites quantités 5 de métal liquide qui, dans le fonctionnement du joint, risquent d'être séparées de la masse principale du métal, puissent être retenues dans le canal. Les aubes ou palettes 13a, 13b qui sont également représentées sur les Fig. 2 et 3>Peuvent être prévues pour provoquer la rota-10 tion du métal liquide dans le canal. Les ailettes peuvent être remplacées par des échancrures formées dans les parois latérales de la collerette 13, ou bien elles peuvent encore être entièrement supprimées comme ihdiqué sur la Fig.lA. En se reportant aux Fig. 1A et 3, on remarque une caractéris-15 tique supplémentaire de l'invention. On peut voir que la pression qui règne sur la face avant de la collerette 13 est à peu près constante tandis que la "contre-pression" du métal liquide sur la face arrière produit une pression dosée sur ce côté de la collerette. I^exerce donc sur la périphérie de la collerette 13 une force - dé-20 séquilibrée qui est opposée en direction à la poussée de la soufflante 1 et on peut faire en sorte que, en valeur absolue, cette force soit approximativement égale à la poussée. Les efforts de poussée exercés par la soufflante 1 peuvent donc être contenus localement, au moins en partie, et ne pas être transmis, à travers les 25 aubes de la turbine 2, à la structure porteuse, ce qui constitue une caractéristique avantageuse de l'invention. Bien entendu, l'invention n'est nullement limitée aux modes de réalisation décrits et représentés qui n'ont été choisis qu'à titre d'exemples. 6901320 2000730 REVENDICATIONS 1) Joint d'étanchéité aux gaz entre deux parties coaxiales de grand diamètre dont l'une peut tourner par rapport à l'autre, caractérisé en ce qu'il comprend un canal annulaire, formé sur l'une 5 desdites parties et dont l'ouverture est dirigée vers l'intérieur, une collerette formée sur l'autre desdites parties, qui s'étend perpendiculairement à l'axe de rotation et qui est engagée dans ce canal et des moyens servant à introduire dans le canal, pendant la rotation relative desdites parties, un métal qui est liquide à la 10 température normale de fonctionnement du joint. 2) Joint suivant la revendication 1, caractérisé en ce que le canal est formé sur un élément fixe et en ce que les moyens d'alimentation du canal en métal liquide comprennent un réservoir contenant le métal liquide et qui est en communication avec le canal 15 en un point légèrement plus rapproché de lsaxe de rotation que la périphérie extérieure de la collerette, le réservoir étant en outre en communication avec une source de pression et l'agencement étant tel que, sous l'effet de la rotation de Ifélément qui porte la collerette, le réservoir est mis sous pression pour refouler au moins 20 une partie du métal liquide dans le canal et que, lors de l'arrêt de la rotation, le métal liquide refoulé revient dans le réservoir. 3) Joint suivant la revendication 2, caractérisé en ce que le métal est le gallium et en ce que les moyens d'alimentation en métal liquide comprennent un dispositif de chauffage servant à faire 25 fondre le métal. 4) Joint suivant l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que la collerette est munie d'une série d'ailettes formant aubes, qui s'étendent dans une direction générale radiale et transversale au plan de rotation. 30 5) Joint suivant l'une quelconque des revendications précé dentes, caractérisé en ce que les parois du canal présentent des lèvres qui sont recourbées vers la collerette sans toucher cette dernière. 6) Moteur à turbine à gas comprenant deux parties coaxiales 35 de grand diamètre dont l'une peut tourner par rapport à l'autre, et un joint d'étanchéité aux gaz intercalé entre les deux parties, ce moteur étant caractérisé en ce que le joint comprend un canal annulaire dont l'ouverture est dirigée vers l'intérieur, formé sur l'une desdites parties, une collerette formée sur l'autre desdites 40 parties, qui s'étend perpendiculairement à l'axe de rotation et qui 6901320 7 2000730 est engagée dans le canal et des moyens servant à introduire dans le canal pendant la rotation relative desdites parties un métal qui est liquide à la température normale de fonctionnement du joint. 7) Moteur à turbine à gaz comprenant une zone de combus tion 5 stationnaire et une turbine qui est contenue dans un carénage rotatif adjacent à la zone de combustion, ce moteur étant caractérisé en ce qu'il comprend un joint d'étanchéité aux gaz interposé entre la zone de combustion et le carénage rotatif, suivant l'une quelconque des revendications 1 à 5.