Brevet FR2041798A1 — publié le 19710205

7.0. 15542 i 2041798 L'invention concerne un joint d'étanchéité, pour organe tour-nantqui comporte une matière organique s'usant progressivement par abrasion' au contact des organes mécaniques vis-à-vis desquels elle est animée"d'un mouvement de rotation relatif, une telle ma-5 tière de joint étant dénommée, dans la technique, matière "abra-dable". • - . - Dans la conception et la construction d'appareils producteurs d.'énergie tels .que dès turbines à gaz, les techniciens se - - 3 i '• - sont efforcés d'empêcher des mélanges de fluides à différentes 10 pressions. Dans des moteurs de., ce type,, parmi les fluides dont on souhaite éviter le mélange, figurent de l'air à différentes pressions, des brouillards d'huile et des produits de combustion tels que ceux qui se trouvent dans les sections aval du moteur. Des joints rotatifs tels que ceux du type labyrinthe ou al-15 véolé (fit "nid d'abeilles") sont fréquemment utilisés entre des organes animés de mouvements de rotation relatifs lorsque de tels organes.coopèrent ou se trouvent juxtaposés ou à proximité immédiate. Par exemple, de tels joints sont utilisés entre des organes fixes d'une "turbine-à gaz et un arbre tournait ou un ro-20 tor d'une telle turbine. On l'es utilise en outre entre les extrémités extérieures ou embouts d'aubes s'étendant radialement et un carter ou une couronne annulaire coopérant avec de telles aubes. L'efficacité du joint, et par conséquent l'efficacité et le 25 rendement de l'organe coopérant-avec le joint, dépendent en partie des tolérances dimensionnelles maintenues entre les organes coopérants du joint. A cet fin, des matériaux métalliques abrada-bles pour joints ont été utilisés dans des moteurs du type turbine à gaz afin d'établir un joint étanche aux fluides., tout en 30 évitant des dommages entre organes coopérants tels que les extrémités des aubes, les dents des labyrinthes ou les cloisons des nids d'abeilles. • ; Des matériaux métalliques abradables tels que des feutres métalliques ou des masses métalliques poreuses, isolées ou consti-35 tuant des garnitures dans des structures en nid d'abeilles, ont été utilisés comme matières abradables pour joints d'étanchéité. On a toutefois constaté que l'utilisation de tels matériaux métalliques provoque une usure notable des organes coopérants. De plus, la température de traitement relativement élevée nécessaire 40 pour la fabrication de tels matériaux métalliques abradables 70 15542 2 2041798 soulève des problèmes de déformation et d'imprécision dimension-nelle dans la structure du joint. Par-suite de la nécessité de la mise en oeuvre de telles hautes températures de traitement, le matériau abradablë du joint est difficile à réparer ou à réajus-"5"- ter après son montage dans un moteur ou Un organe de moteur. Un but essentiel de l'invention est de réaliser un joint pour organe tournant comportant une matière" abradablë perfectionnée mécaniquement résistante, flexible,- des faible poids, et facile à ajuster ou à'réparer.' 10 Un autre but de l'invention est de réaliser un tel joint dont la matière abràdable soit de nature organique, qui ne provoque pas une usure des organes d'étanchéité coopérants et qui soit combustible afin que lés débris de ladite matière puissent passer librement dans la zone de combustion d'une turbine à gaz sans 15 l'endommager. Ces différents buts, avantages et particularités de l'invention, et d'autres-encore, apparaîtront à la lecture du complément de dèscription qui suit et à l'examën du dèssin ci-annexé, lesquels complément et dessin concernent différents modes de réali-20 sation de 1'invention choisis à titre de modes de réalisation préférés, mais non limitatifs. "• La fig. 1, de ce dessin, montre en perspective cavalière et partiellement en x;oupé,* "portions arrachées, un joint d'étanchéité conforme à l'invention, disposé entre-les aubes d'une turbine 25 et l'enveloppe de l'aubage. * La fig. 2, enfin,'montre , en coupe, partie d'un joint d'étanchéité, du type! labyrinthej conforme à l'invention. ira été reconnu que l'incorporation de particules organiques crèuses, "par exemple d'uhe matière phériolique, en une proportion 30 en poids comprise entre environ 12 et 20%, à uhe résine; époxy catalysée ou à une résine époxy modifiée a pour résultat l'établissement d'une matière qui réunit avantageusement des caractéristiques de bonne abradabilité, de faible poids} de bonne compacité et de bonne adhérence de liaison à: un organe d'appui lisse 35 en matière telle qu'un métal ou une matière plastique. Une telle matière organique peut être durcife à la tempé^atu^f apûjiante ordinaire ou peut être formée plus-rapidement en un laps de temps raisonnablement bref par chauffage ,à ume température relativement basse', par exemple d'environ .65 • à ;66°.C. Par conséquent, la 40 déformation de pièces auxquelles'la .matière en question est atta 70 15542 3 2041798 chée se trouve pratiquement éliminée. De plus, des essais ont prouvé que la matière en question est capable de fonctionner jusqu'à des températures aussi élevées qu'environ 177°C et qu'elle possède la propriété de se dilater ou de se contracter avec une 5 matière-support d'appui, par exemple un métal. Des rénovations de zones superficielles endommagées par suite d'un fonctionnement a-normal, d'un accident ou lors d'un démontage pour révision d'une pièce du moteur, sont, réalisables sur place, voire même hors d'un atelier, facilement et rapidement en raison des caractéristiques lO de durcissement de la résine catalysée, puisque ce durcissement intervient à la température ambiante ordinaire ou à une température peu élevée. Une résine époxy particulière choisie parce qu'elle se révèle préférable en vue d'évaluer les possibilités de l'invention est 15 une résine du type épichlorhydrine/bisphénol A catalysée avec un catalyseur du type diéthylènetriamine (DETA). Bien que d'autres catalyseurs soient utilisables avec une résine de ce type, le type DETA est préféré en raison de la réaction exothermique. Ceci permet d'effectuer le durcissement, soit à l'air libre, soit en 20 étuve. L'équivalent époxyde est de 180-195 avec une viscosité comprise entre 100 et 160 poises à 25°C. Les particules creuses utilisées dans la matière abradablë du joint d'étanchéité selon l'invention, et qui donnent à ce joint ses caractéristiques améliorées, ont un diamètre extérieur com-25 pris entre environ 0,0025 et 0,50 mm, et de préférence entre environ 0,005 et 0,127 mm, avec une densité apparente comprise entre 16 et 112 et, de préférence, entre 48 et 80 kilogrammes par mètre cube. L'utilisation de particules creuses ayant un diamètre inférieur à 0,0025 mm donne une matière trop faiblement abra-30 dable ; l'utilisation de particules ayant des diamètres supérieurs à 0,50 mm donne une matière trop poreuse pour assurer une bonne étanchéité, et sa tenue mécanique est également déficiente. On a découvert que la matière abradablë utilisée dans le joint d'étanchéité selon l'invention peut être formée par mise 35 en oeuvre d'une opération consistant à malaxer ensemble de 12 à 20% en poids des particules creuses sus-spécifiées avec une ' résine époxy catalysée ou une résine époxy modifiée, par exemple une résine représentant environ de 70 à 80% de l'ensemble et qui a été-catalysée^avec environ de 7 à 9% de DETA ou d'un autre 40 catalyseur. De.moindres proportions de catalyseur ont pour résul 70 15542 4 2041798 tat une polymérisation insuffisante, tandis que des proportions supérieures à l'intervalle sus-spécifié provoquent une réaction excessive à tel point que la résine se trouve portée à l'ébulli-tion. L'inclusion de particules creuses à concurrence.de propor-5 tions inférieures à environ 12% en poids a pour résultat l'obtention d'un joint insuffisamment abradablë, tandis que l'incorporation de plus de 20% de particules creuses au mélange 1'épaissit exagérément. Se référant audessin, la fig. 1 représente un joint réalisé 10 selon l'invention et affectant la forme d'un premier organe tel qu'une enveloppe 10 construite à la manière d'une entretoise et qui coopère avec-un aubage 12, un de ces organes tournant par rapport à l'autre. Par exemple, les aubes de 1*aubage 12 peuvent être portées par le rouet d'un compresseur rotatif. Selon un au-15 tre exemple, 1'entretoise 10 peut être supportée entre et tourner avec des roues de compresseur tournant en regard d'un aubage 12 fixe. A cette entretoise ou enveloppe 10 se trouve liée la matiè- i re organique abradablë 14, décrite ci-dessus, mise en place en regard des extrémités radialement extérieures 16 des aubes qui font 20 saillie vers cette matière abradablë 14. En cours de fonctionnement, par exemple dans une turbine à gaz, les aubes 12 ont tendance à se dilater parce qu'elles s'échauffent plus rapidement que l'enveloppe ou entretoise 10. Les extrémités 16 tendent alors à se rapprocher de la matière 14 25 dont elles provoquent fréquemment 19abrasion. Cet agencement constitue un joint d'étanchéité et empSche l'écoulement de fluide sous pression, par exemple d'un étage à un autre, transversalement aux extrémités des aubes dans un compresseur axial. Un autre mode de réalisation du joint d'étanchéité pour or-30 gane tournant selon l'invention est représenté fig. 2 sous la forme d'un agencement de joint du type labyrinthe. Une denture de labyrinthe 18 coopérant en juxtaposition avec un organe 20, l'un tournant par rapport à l'autre, forme un joint d'étanchéité du type labyrinthe créant de multiples chambres de perte de charge 35 pour empêcher un écoulement au travers du joint. Par exemple, un tel joint d'étanchéité est fréquemment utilisé conjointement avec des rotors de turbine dans des moteurs du type turbine à gaz. Quand ils se trouvent placés dans une atmosphère chauffée, les organes 18 et 20 peuvent s'avancer l'un vers l'autre à un 40 point tel que quelquefois il peut en résulter un contact. La 70 15542 5 2041798 matière'abradablë 14 liée à l'organe 2G et qui se trouve en regard des dents saillantes 18 permet à de telles saillies de s'approcher et, en cas de contact, d'abrader la matière 14. Ceci forme un agencement de joint d'étanchéité plus efficace sans risque 5 de dommages pour les dents en saillie 18. Le joint d'étanchéité rotatif selon l'invention peut donc être réalisé sous diverses formes comprenant un organe rotatif et un organe fixe dont l'un supporte la matière organique abradablë décrite ci-dessus, tandis que l'autre comporte au moins une sail-10 lie dirigée d'une manière générale vers la matière.abradablë. Ainsi qu'on l'a mentionné ci-dessus, la nouvelle matière abradablë dont 1'utilisation a pour résultat l'établissement du joint d'étanchéité rotatif perfectionné selon l'invention est une matière organique non-métallique comprenant en poids de 12 à 20% de 15 particules organiques creuses'dans une. résine époxy catalysée ou une résine époxy modifiée. La composition spécifiquement préférée d'une telle matière abradablë comprend essentiellement, en poids, de 15 à 20% de particules organiques creuses, de 7 à 8% de catalyseur, le reste étant de la résine époxy ou une résine époxy 20 modifiée. Comme il va de soi, et comme il résulte d'ailleurs déjà de ce qui précède, l'invention ne se limite nullement à celui de ses modes d'application, non plus qu'à ceux des modes de réalisation de ses diverses parties, ayant été plus spécialement envisagés ; 25 elle en embrasse, au contraire, toutes les variantes. 70 15542 6 2041798 REVENDICATIONS 1. Joint d'étanchéité pour organe tournant, caractérisé en ce qu'il comprend essentiellement : un organe rotatif ; un organe fixe ; et unë matière organique abradablë liée à un premier des-5 dits organes, la matière abradablë étant le produit d'un mélange comprenant : (a) de 12 à 20% en poids de particules organiques creuses ayant chacune un diamètre extérieur compris entre environ 0,0025 et 0,50 mm et une densité «apparente comprise entre environ 16 et 112 kilogrammes par mètre cube, (b) le reste du mélange é-10 tant une résine choisie parmi ie groupe constitué par des résines époxy, l'autre desdits organes comportant des parties situées en regard d'une surface de la matière organique abradablë et coopérant avec ladite surface, de façon à réaliser un joint à perte de charge de fluide entre les susdits organes. 15 2. Joint d'étanchéité selon la revendication 1, pour turbine à gaz, caractérisé en ce que la matière organique abradablë est le produit d'un mélange comprenant,en poids : de 12 à 20% de particules organiques creuses ; de 70 à 80% d'une résine choisie parmi le groupe constitué par une résine époxy et une résine é-20 poxy modifiée ; et de 7 à 9% d'un catalyseur pour une telle résine. 3. Joint d'étanchéité rotatif selon la revendication 2, caractérisé en ce que la composition du mélange comprend essentiellement, en poids : de 15 à 20% de particules organiques 25 creuses ; de 7 à 8% d'un catalyseur du type diéthylènetriamine j et le reste une résine époxy ayant un équivalent époxyde d'environ 180 à 195.