Brevet FR2018924A1 — publié le 19700626

La présente invention concerne un dispositif d'étanchéité disposé entre des structures tournant l'une par rapport à l'autre. Dans un appareillage tournant tel que la turbine d'un moteur à turbine à gaz, il se produit des pertes considérables en rendement et en consommation de combustible spécifique autour des extrémités des aubes de turbine et dans le jeu existant entre les aubages distributeurs et le disque de turbine. II faut prévoir un jeu entre l'extrémité de la turbine et un joint qui est fixé à une partie fixe du moteur pour tenir compte d'un défaut d'alignement possible, d'une distorsion thermique et des tolérances d'usinage et un tel jeu est souvent plus important qu'il n'est nécessaire pour tenir compte de ces tolérances. La présente invention propose un dispositif d'étanchéité disposé entre deux structures mobiles l'une par rapport à l'autre, dans lequel le-joint. est mobile axialement par rapport aux structures, ce dispositif permettant de remédier aux inconvénients ci-dessus. Selon la présente invention, on prévoit un dispositif d'étanchéité entre deux structures tournant l'une par rapport à l'autre, ce dispositif comportant un organe d'étanchéité logé entre une zone à pression relativement élevée et une zone à pression relativement basse, cet organe d'étanchéité étant monté sur la première desdites structures pouvant se déplacer axialement par rapport à ces structures ; L'organe d'étanchéité forme, en combinaison avec la seconde desdites structures, au moins une chambre soumise à une pression variable, cette chambre communiquant avec la zone à haute pression, la disposition étant telle que lorsque le jeu diminue entre l'organe d'étanchéité et la seconde structure, le pression augmente dans la chambre et inversement, la pression résultante qui agit sur l'organe d'étanchéité variant pour maintenir le jeu à une valeur pratiquement constante. De préférence, L'organe d'étanchéité présente deux lèvres circulaires qui délimitent entre elles une chambre annulaire. Des orifices peuvent être prévus dans la lèvre intérieure pour l'écoulement de l'air à haute pression dans la chambre qui peut être subdivisée en une série d'alvéoles équidistants. L'organe d'étanchéité peut présenter plusieurs paires de saillies radiales qui s'appuient de chaque côté de cales prévues sur une pièce fixe et les surfaces de contact des saillies et des cales peuvent etoe constituées d'un matériau au silicium nitruré. Un joint d'étanchéité annulaire peut être prévu entre une face interne de l'organe d'étanchéité et une surface de support fixe circulaire. Le joint dtétanchéité annulaire peut être en un matériau au silicium nitruré et peut être constitué de plusieurs éléments en arc de cercle.On peut-prévoir des butées pour limiter le déplacement axial de l'organe d'étanchéité et l'espace entre l'organe d'étanchéité et la surface de support circulaire peut etre ventilé. La première structure peut comporter la couronne porteuse d'aubages distributeûrs d'une turbine à gaz et la seconde structure peut être la turbine haute pression d'un moteur à turbine à gaz. L'organe d'étanchéité peut être conçu pour s'appuyer de façon étanche contre le bandage de la turbine haute pression ou contre la face amont du disque de turbine de la turbine haute pression. On décrira main tenant plus particulièrement plusieurs formes d'exécution de l'invention, à titre indicatif et non limitatif en référence aux dessins annexés dans lesquels - la figure 1 est une vue en élévation schématique d'un moteur à turbine à gaz muni d'un dispositif d'étanchéité selon la présente invention ; -- la figure 2 représente en élévation une partie du moteur à turbine à gaz de la figure 1 montrant le dispositif d'étanchéité plus en détail ; - la figure 3 est une vue en coupe selon la ligne 3-3 de la figure 2 ; - la figure 4 représente une forme d'exécution modifiée d'un dispositif d'étanchéité seion l'invention ; - la figure 5 est une autre forme d'exécution d'un dispositif d'étanchéité selon l'invention ;; - la figure 6 est une vue en plain d'une partie du montage représenté à la figure 5 ; - la figure 7 est une vue en élévation de côté d'une autre forme d'exécution d'un dispositif d'étanchéité selon la présente invention ; - la figure 8 est une vue selon la flèche "A" de la figure 7, la turbine étant supprimée ; et - la figure 9 représente une autre variante d'exécution du dispositif d'éétanchéité de la figure 7 et de ta figure 8. Les dessins montrent un moteur 10 à turbine à gaz qui comporte, en série dans le sens de l'écoulement/ une prise --' d'air 2, un groupe compresseur 14, un équipement de combustion Ô'-, n groupe le turbine 18 et une tuyère d'échappe- ment 20, L'équipement de c'ombùstion 16 présente une enveloppe 22 dans laquelle sont lo-gés une chamire-de corrì'Dustion 24, une série d'aubages distributeurs 26 fixés sur- une couronne porteuse 28 et une turbine haute pression 30 montée sur un arbre (non représenté). La turbine 30 comporte une série d'aubes 32 équidistan- tes qui présentent chacune un bandage radial 34.A l'intérieur des aubes 32 la turbine est munie de deux joints labyrinthes, dont un seul est représenté en 36. La couronne porteuse 28 présente une série d'orifices de fuite 38. Une pièce 40 à peu près cylindrique est fixée par des boulons 46 entre un bouclier thermique 42 et une joue 44 de la couronne porteuse 28. En des emplacements équidistants à l'intérieur de la pièce 40, des cales 48 de silicium nitruré sont montées sur des supports 50 qui sont bloquées entre des équerres 52, fixées à la pièce 40, et des oreilles 54 qui font partie de la pièce 40. Les supports 50 ont chacun un têton 56 qui pénètre dans un trou 58 pratiqué dans chaque oreille 54. Les équerres 52 et les oreilles 54 constituent des butées qui limitent le déplacement vers l'arrière et vers l'avant, respectivement, d'un organe d'étanchéité 60. L'organe drétanchéité 60, qui a une forme générale annulaire et qui est concentrique à l'arbre de turbine, est monté entre la pièce cylindrique 40 et la couronne 28 porteuse d'aubages distributeurs. L'organe d'étanchéité 60 présente un bourrelet circonférentiel 62 muni d'une série de paires de saillies radiales 64 et 66 équidistantes qui sont placées de chaque côté de chaque cale 48 de silicium nitruré. Une rainure cylindrique 67 est ménagée entre deux nervures annulaires 68 et 70 qui font partie de l'organe d'étanchéité 60. Une bague d'étanchéité 72 en silicium nitruré, constituéede plusieurs éléments en arc de cercle, est logé dans la rainure 67 et la face intérieure de l'anneau 72 porte sur la couronne porteuse 28. L'extrémité de chaque élément en arc de cercle comporte un épaulement et une saillie de telle sorte que la saillie d'un élément s'engage dans l'épaulement de l'élément adjacent en constituant ainsi un anneau continu d'épaisseur constante qui peut etre monté facilement dans la rainure 67. Le côté droit ou arrière de l'organe d'étanchéité 60 présente des lèvres d'étanchéité intérieure 74 et extérieure 76 respectivement, et une série de cloisons radiales 78 équidistantes. Les lèvres 74 et 76 et les cloisons 78 forment entre elles les limites d'une série de chambres 80. Pour chaque chambre, deux orifices de ventilation 82 sont pratiqués dans la lèvre intérieure 74. Quand le moteur tourne, les produits gazeux de la combustion s'écoulent hors de la chambre de combustion 24, traversent les aubages distributeurs 26 et la majeure partie des gaz s'écoule à travers les aubes de turbine 32. Une petite quantité des gaz passe à travers le jeu ménagé entre les levres 74 et 76 et le bandage radial 34. Les forces agissant sur l'organe d'étanchéité sont dues à la pression statique à la sortie des aubages distributeurs 32, à la pression statique à la sortie de la turbine, à la pression statique entre les lèvres 74, 76, au frottement entre les cales 48 de silicium nitruré et l'organe d'étanchéité et entre la bague 72 et la couronne porteuse 28.La force résultante presse l'organe d'étanchéité vers le bandage radial et la dimension du jeu dépend des diamètres des lèvres, de la dimension des orifices 82 et du diamètre de la couronne porteuse 28 et ce jeu peut être prédéterminé par un choix convenable du diamètre des orifices 82. Dans des conditions de fonctionnement normal, la force résultante exercée sur l'organe d'étanchéité maintient le jeu à une valeur constante prédéterminée et la pression dans les chambres 80 entre les lèvres 74, 76 demeure pratiquement constante. Si le jeu diminuait, la pression dans les chambres augmenterait et la force résultante obligerait l'organe d'étanchéité à se déplacer vers la gauche, la pression dans les chambres baisserait alors et l'organe d'étanchéité serait en position d'équilibre pour donner le jeu nécessaire ; le contraire se produirait si le jeu augmentait.Dans un cas extrème, si les lèvres d'étanchéité s'appuydient complètement contre le bandage radial, la pression augmenterait dans les chambres, grâce au gaz pénétrant dans celles-ci par les orifices 82, jusqu'à une valeur égale à la pression à la sortie des aubages distributeurs 26 et l'organe d'étanchéité serait écarté du bandage. La pression dans les chambres se staLiliserait et le jeu désiré serait maintenu. Si l'organe d'étanchéité se déplaçait vers l'avant, c'est-à-dire vers la gauche lorsqu'on regarde la figure 2, dans sa position extreme, l'organe d'étanchéité pourrait s'appuyer de façon étanche contre la face arrière de la couronne porteuse 28, en interrompant ainsi l'arrivée du gaz dans l'espace entre l'organe d'étanchéité et la couronne porteuse. Toutefois, du gaz peut pénétrer dans cet espace par. les orifices de fuite 38 o-,' permettant à la pression de croître et de repousser l'organe d'étanchéité n arrière, ce qui permet ainsi au gaz sécoulant par les aubages distributeurs d'agir sur tes f;nce avant de l'organe d'étanchéité'. Les chambres permettent de rendre d'organe d'étanchéité sensible à des variations locales de pression autour du bandage bien qu'il ne soit besoin de prévoir qu'une seule chambre totalement annussaire Ces variailonts peuvent être dues au fait que le bandage annulaire cons}ite3é pares bandages radiaux prévus sur chaque aube, peut n'être pas parfaitement plana cause des toléran-ces d'usinage prévues pour les embases d'aubes et pour les logements du disque de turbine dans lesquels elles se fixent; de ce fait, le bandage annulaire peut être irrégulier ou "en escalier" et des différences de pression locales peuvent en découler.Bien qu il soit désirable que le bandage sot plat sur tout son pourtour, de petites variations sont acceptables. Malgré tout, on peut obtenir la planéité en fixant rigidement les aubes au disque (par exemple par soudage) puis en usinant le bandage annulaire constitué. La construction décrite en référence aux figures 2 et 3 est prémunie contre les défaillances dans ce sens que si une partie des lèvres 74, 76 présentait un défaut, il se produirait une petite fuite mais les chambres 80 restantes qui en seraient pas affectées par ce défaut, permettraient un fonctionnement satisfaisant de l'organe d'étanchéité. On peut remplacer le joint labyrinthe 36 par un dispositif d'étanchéité connu décrit ci-dessus qui peut être monté dans le moteur soit de façon indépendante de l'organe d'étanchéité 60 soit en étant lié à celui-ci A la figure 4, un organe d'étanchéité annulaire 90 présente un grand nombre de petits cylindres coopérant avec des pistons 94 correspondants. Un canal 96 traverse les pistons et communique, par un passage 98, avec l'air à haute pression de l'espace 100. Une série de passages 102 relient le cylindre à la face arrière de l'organe d'étanchéité de sorte que l'air de l'espace 100 peut s'écouler vers la face arrière. Une bague d'étanchéité 104 est prévue entre l'organe d'étanchéité 90 et la couronne porteuse 28 et la face arrière présente un rebord annulaire 106.Quand l'organe d'étanchéité est éloigné du bandage 34, de l'air à haute pression parvient de l'espace 100 et s'écoule entre la face arrière et le bandage. L'air circulant à travers les aubes 26 agit sur le rebord 106 et pousse l'organe d'étanchéité vers le bandage. Quand le jeu est annulé, la pression augmente dans les cylindres 92 et les passages 102 et l'organe d'étanchéité est écarté du bandage. En choisissant convenablement les dimensions du cylindre et du rebord, on peut faire en sorte que l'organe d'étanchéité se stabilise pour un jeu prédéterminé. Aux figures 5 et 6, on a représenté un montage similaire à celui de la figure 4. Un organe d'étanchéité 110 est relié de façon pivotante en 112 à une tringle 114 articulée en 118 à une série de pistons dont un seul est représenté en 116. Une autre tringle 115 est reliée par une extrémité à l'organe d'étanchéité en 112 et par son autre extrémité à un point fixe 119 de la couronne porteuse 28, pour empêcher la rotation de l'organe d'étanchéité ll0. Le piston 116 glisse dans un cylindre 120 formé dans une saillie de la couronne 28. L'air à haute pression de l'espace 100 a accès au cylindre 120 par un passage 122 et à l'espace 124 par un passage 126 et par suite à la face arrière de l'organe d'étanchéité par les canaux 128.L'air à haute pression ne peut pas sortir de l'espace 124, sauf par les canaux 128, à cause de deux bagues d'étanchéité 130 et 132 montées entre l'organe d'étanchéité et une partie fixe du moteur. Le fonctionnement de ce montage est semblable à celui qu'on a exposé en référence à la figure 4 sauf qu'aucun rebord équivalent au rebord 106 n'est prévu et que l'air traversant les aubes 26 agit sur la face avant de l'organe d'étanchEité. En même temps le système de tringlerie fournit un dispositif de réglage de jeu automatique ; Si le bandage radial 34 tournant vient en contact avec la face d'étanchéité, le frottement fera basculer l'organe d'étanchéité 110 sur les tringles 114 et 115 en l'éloignant ainsi du bandage tournant. La construction représentée aux figures 4 et 5 peut être modifiée pour prévoir une loue annulaire présentant une chambre semblable aux canaux 102 et 128 en communication avec l'air à haute pression. Les canaux peuvent être disposés pour s'ouvrir sur le disque de turbine à l'intérieur des aubes 32 en rempla çant ainsi le joint labyrinthe 36 de la meme façon que dans une des formes d'exécution en variante du dispositif d'étanchéité décrite en référence auxfigures2 et 3. En référence aux figures 7 et 8 un organe d'étanchéité interne 200 de forme annulaire est logé dans les cavités 202 de support de buses de turbulence qui traversent des fentes 204 prévues dans l'organe d'étanchéité 200 en étant en contact avec les bords de ces fentes. Les buses de turbulence montées dans des cavités de support 202 perme ttent de dériver un courant d'air relativement froid du compresseur pour l'envoyer sur les aubes de turbine en vue de leur refroidissement. La partie aval intérieure de l'organe d'étanchéité 200 est constituée comme une série de poches 206 en orc de cercle qui sont délimitées par des lèvres radiales respeciivement intérieure 208 et extérieure 210 et par des cloisons radiales 212. Chaque poche présente deux orifices 214 percés dans sa face arrière, ces orifices étant analogues aux orifices 82 de l'organe d'étanchéité externe 60. Les lèvres et les cloisons font étanchéité en coo3 rant avec une face plane 216 d'une saillie 218 solidaire du disque de turbine 30. Le fonctionnement de i'srgane d3éianc3ìéiié 200 est analogue à celui de de l'organe d'étanchéité 60 sauf que le déplacement vers l'aval de l'organe d'étanchéité est limité par la butée d'un rebord 220 contre une plaque de butée 222 tandis que le déplacement vers l'amont est limité par le contact entre la nervure de l'organe d'étanchéité et la couronne porteuse 224. Le fonctionnement de l'organe d'étanchéité 200 maintient une bague 226 à une distance fixe d'une saillie 228 prévue sur les aubes 32 de turbine, la bague 226 étant fixée dans un épaulement 230 pratiqué dans le bord de l'organe d'étanchéité. La bague 226 est en une matière anti-usure pour le cas ou un contact se produirait avec la saillie 228 par suite d'irrégularités possibles de la saillie dues à des différences dans les aubes 32. Des rainures 232 et 234 sont prévues respectivement dans la joue 236 et dans le bord de l'organe d'étanchéité 200 et ces rainures contiennent des bagues d'étanchéité respectivement 238 et 240. La bague d'étanchéité 238 glisse contre une pièce 242 et la bague 240, contre un alésage usiné, sous la lèvre extérieure de la couronne porteuse 224, en rendant ainsi étanche l'espace annulaire entre la lèvre 210 et la bague 226 de l'organe d'étanchéité 200. En référence à présent à la figure 9, on a modifié l'organe d'étanchéité 200 pour qu'il comporte une jupe axiale 242 et une nervure radiale 244. La jupe 242 porte un élément d'étanchéité 246 qui est disposé pour coopérer avec un élément d'étanchéité 248 solidaire de la saillie 218. Les éléments d'étanchéité 246 et 248 constituent un étranglement quand le jeu axial entre les lèvres 208' et 210' et la face 216' devient important au moment de la mise en route du moteur et pour d'autres états momentanés. La nervure 244 peut buter contre une bague élastique 250 qui est fixée sur une partie fixe 252 de la structure du moteur" afin de limiter le déplacement vers l'aval de l'organe d'étanchéité 200. REVENDICATIONS 1. Dispositif d'étanchéité monté entre deux structures tournant l'une par rapport à l'autre comportant un organe d'étanchéité disposé entre une zone à pression relativement élevée et une zone à pression relativement basse, L'organe d'étanchéité étant monté de façon étanche sur la première desdites sturctures et pouvant se déplacer axialement par rapport à ces structures, ledit organe d'étanchéité constituant en association avec ladite seconde structure au moins une chambre qui est soumise à une pression variable et qui communique avec la zone à haute pression, la disposition étant telle que lorsque le jeu entre l'organe d'étanchéité et la seconde structure décroît, la pression augmente dans la chambre et inversement.Tandis que la pression résultante qui agit sur l'organe d'étanchéité varie quand le jeu varie pour maintenir ce jeu à une valeur pratiquement constante. 2. Dispositif d'étanchéité selon la revendication 1 dans lequel l'organe d'étanchéité est annulaire et présente deux lèvres qui délimitent entre elles ladite chambre. 3. Dispositif d'étanchéité selon les revendications 1 ou 2 dans lequel la chambre est divisée en une série d'alvéoles. 4. Dispositif d'étanchéité selon l'une quelconque des revendications 1 à 3 dans lequel la chambre, ou chacun vides alvéoles, communique avec la zone de haute pression. 5. Dispositif d'étanchéité selon l'une quelconque des revendications 2 à 4 dans lequel au moins un orifice est prévu dans la lèvre intérieure de l'organe d'étanchéité de la chambre ou de chacun des alvéoles. 6. Dispositif d'étanchéité selon l'une quelconque des revendications 1 à 5 dans lequel l'organe d'étanchéité présente des paires de saillies radiales, les saillies de chaque paire étant en contait avec des cales prévues dans la première structure 7. Dispositif d'étanchéité selon la ;evendications 6 dans lequel les surfaces de contact de l'une ou des deue sotties radiales ainsi que les cales sont conssituées d'une mutare au silicium altéré. 8. Dispositif d'étancéitè saisa l'une quelconque des revendications 1 à 7 dans lequel des moyens d'étanchéité sont-prévus entre une face interne -de l'organe d'étanchéité et une surface cylindrique Fe lu première stucture. 9. Dispositif d'étanchéité selon la revendication 8 dans lequel les moyens d'étanchéité comportent une bague au silicium nitruré constituée par plusieurs parties en arc de cercle. 10. Dispositif d'étanchéité selon l'une quelconque des revendications 1 à 9 dans lequel des butées sont prévues pour limiter le déplacement axial de l'organe d'étanchéité. 11. Dispositif d'étanchéité selon la revendication 1 dans lequel l'organe d'étanchéité et la première structure forment en association un système à piston et cylindre, le cylindre communiquant à la fois avec une source d'air à pression relativement élevée et avec l'intervalle entre l'organe d'étanchéité et la seconde structure, une alimentation d'air à pression moyenne agissant sur l'organe d'étanchéité en opposition à la force exercée sur l'organe d'étanchéité par l'air à pression relativement élevée. 12. Dispositif d'étanchéité selon la revendication 11 dans lequel l'air à pression moyenne agit sur un bord annulaire adjacent de la face arrière de l'organe d'étanchéité. 13. Dispositif d'étanchéité selon la revendication 11 dans lequel l'air à pression moyenne agit sur la face avant de l'organe d'étanchéité. 14. Dispositif d'étanchéité selon l'une quelconque des revendications 11 à 13 dans lequel l'organe d'étanchéité est relié à un piston et à la première structure par un système de tringlerie de sorte que l'organe d'étanchéité peut bascu!er, grâce au système de tringlerie, autour d'un point fixe de la première structure. 15. Dispositif d'étanchéité selon la revendication 14 dans lequel le système de tringlerie comporte une première tringle reliant de façon pivotante le piston et l'organe d'étanchéité et une seconde tringle reliant de façon pivotante l'organe d'étanchéité à un point fixe de la première structure. 1 6. Dispositif d'étanchéité selon l'une quelconque des revendications 1 à 16 dans lequel la première structure comporte une partie de l'enveloppe du moteur à turbine à gaz et la couronne porteuse d'aubages distributeurs du moteur à turbine à gaz. 17. Dispositif d'étanchéité selon l'une quelconque des revendications 1 à 1 6 dans lequel la seconde structure est constituée par la turbine haute pression du moteur à turbine à gaz. 18. Dispositif d'étanchéité selon la revendication 17 dans lequel l'organe d'étanchéité est disposé pour former étanchéité contre le bandage de renfort des aubes de la turbine haute pression. 19. Dispositif drèqtanchéité selon la revendication 18 dans lequel l'organe d'étanchéitë possède au moins deux chambres, celle qui est la plus extérieure étant disposée pour former étanchéité contre le bandage de renfort d'aube de la turbine haute pression tandis que celle qui est la plus intérieure forme étanchéité contre la face radiale du disque de la turbine haute pression. 20. Dispositif d'étanchéité selon la revendication 17 dans lequel l'organe d'étanchéité est conçu pour s'appuyer de façon étanche contre la face radiale amont du disque ae turbine haute pression. 21. Dispositif d'étanchéité selon -la revendication 20 dans lequel l'organe d'étanchéité est annulaire et présente une couronne annulaire d'ouvertures écartées les unes des autres que peuvent traverser des supports de buses de turbulence, afin de mettre en place l'organe d'étanchéité. 22. Dispositif d'étanchéité selon les revendications 20 ou 21 dans lequel un joint d'étanchéité axial est prévu entre l'organe d'étanchéité et la turbine haute pression, le joint consistant en un élément d'étanchéité monté sur l'organe d'étanchéité et sur la turbine, les éléments d'étanchéité étant disposés radialement à l'intérieur de la chambre ou des-alvéoles. 23. Dispositif d'étanchéité selon l'une quelconque des revendications 20 à 22 dans lequel l'organe d'étanchéit8 peut buter contre une butée à ressort montée sur la partie fixe du moteur.