Brevet FR2027668A1 — publié le 19701002

i 2027668 La présente invention concerne les appareils à fluides, plus particulièrement un dispositif pour amortir les vibrations en flexion d'éléments à parois minces d'enveloppes ou autres parties de ces appareils» 5 Des joints labyrinthe sont couramment utilisés dans des appareils à fluides, tels que les moteurs à turbines à gaz, pour former des joints contre les fuites de fluide entre les éléments tournants et les éléments stationnaires. Ces joints comprennent en général un certain nombre de rondelles ou de dents circulaires es-1Q pacées axialement et qui arrivent à côté d'une surface d'étanchéité de l'autre élément,, Ces dents circulaires d'étanchéité se trouvent en général sur l'élément tournant et arrivent à côté de la surface d'étanchéité de l'élément stationnaire, mais cependant cette disposition peut être inversée. Comme le poids est une caractéristique ' ]_5 de première importance dans un moteur à turbine à gaz pour aéronef, l'élément tournant est en général une construction du type à parois minces. Dans la pratique, il a été constaté qu'un arbre du type à paroi mince ou une enveloppe ou un carter à parois minces sup-20 portant les dents circulaires du joint labyrinthe est hautement sujet à un phénomène de vibrations en flexion nodale, aéro-élastiques, auto-excitées. Par exemple,il a été constaté pour certaines configurations des facteurs d'amplification de l'ordre de 1 000 à 3 000« Il a été constaté aussi que ce phénomène vibratoire peut se 25 manifester dans n'importe quelle application donnée par des ondes en flexion à propagation circonférentMle (considérée parfois comme une vibration sur le mode des cloches), par des ondes à propagation axiale ou par une combinaison de ces modes de vibration^. Il est actuellement considéré que ce phénomène vibratoire 30 pouvant être destructif dans un arbre à paroi mince ou des éléments d'enveloppe ou de carter à parois minces portant les organes du joint labyrinthe, résulte d'un couplage ou d'une concordance de phase entre les caractéristiques vibratoires mécaniques inhérentes de l'arbre à paroi mince ou de l'enveloppe à paroi mince et des 35 caractéristiques acoustiques ou de pression du joint labyrinthe, l'une de ces caractéristiques amplifiant l'autre» Il existe en particulier des différences circulaires de la pression dans chaque chambre annulaire formée entre les dents du labyrinthe ainsi que 69 45682 2 2027668 des différences de pressions relatives entre les chambres en raison de la variation des jeux existant entre les dents de la surface d'étanchéité et des caractéristiques de résonance des chambres. Ces différences ou variations de la pression provoquent des fléchis-5 sements correspondants de l'élément d'enveloppe du carter ou de l'arbre supportant les dents du joint. De plus, l'arbre ou l'élément d'enveloppe ou de carter supportant ces dents possède des caractéristiques de vibration en flexion à sa fréquence propre et pendant la rotation de l'arbrë ou de l'élément, des ondes de flexion nodale 10 à propagation circonférentielle, des ondes de flexion nodale à propagation axiale ou une combinaison de ces modes de vibration sont engendrées„ Quand cette flexion mécanique propre, quelle soit axiale, circonférentielle ou sur les deux modes, est sensiblement en phase avec la distorsion circulaire ou axiale induite par la pression, 15 les deux phénomènes se renforcent l'un l'autre; il en résulte des facteurs d'amplification extrêmement élevés et des amplitudes de déplacement pouvant facilement provoquer la rupture ou la fissuration par fatigue de l'arbre ou de l'élément supportant une partie du joint. 20 Bien qu'il existe déjà des dispositions pour éviter ce phénomène vibratoire, ces dispositifs; sont habituellement assez compliqués et coûteux. De plus, ces dispositifs ne peuvent en général être utilisés que sur des éléments non rotatifs et ils ne sont pas efficaces pour empêcher les vibrations en flexion aéro-élasti-25 ques, auto-excitées, caractérisées par des ondes en flexion nodale à propagation à la fois circulaire et axiale. L'invention a pour objet un dispositif simple pour empêcher les vibrations en flexion nodale aéro-élastiques, auto-excitées, destructives dans les éléments en paroi mince supportant les ^0 éléments d'un joint labyrinthe. L'invention a aussi pour objet un dispositif pour amortir les vibrations caractérisées par des ondes en flexion' à propagation axiale, des ondes en flexion à propagation circonférentielles ou par ces deux types d'ondes. 35 D'une façon générale,un dispositif selon l'invention comporte un anneau, de préférence de section circulaire, coupé pour permettre l'ouverture et la fermeture circulaire de l'anneau. La dimension de l'anneau est choisie de façon qu'il vienne en contact 69 45682 3 2027668 S friction contre l'arbre ou l'élément d'enveloppe ou de carter et qu'il exerce une pression radiale contre l'arbre et l'élément pour empêcher, du fait du glissement relatif produisant de la chaleur entre l'anneau et l'arbre ou l'élément, les vibrations 5 de flexion nodale,aérodynamiques et auto-excitées, caractérisées par des ondes de flexion à propagation circonférentielle, à propagation axiale ou sur les deux modes » L'anneau ouvert est de préférence placé sur l'arbre ou autre élément dans une position où il existe des déplacements radiaux importants afin de rendre opti-10 maie la dissipation d'énergie» Un dispositif retient aussi l'anneau sans empêcher le glissement relatif entre l'anneau et l'arbre ou autre élément» Conformément à l'invention, une machine fonctionnant avec un fluide comporte un joint labyrinthe pour réduire les fuites de 15 fluide entre un élément immobile et un élément tournant à paroi mince, le joint comportant une partie sur l'un des éléments pour constituer une surface annulaire d'étanchéité et plusieurs éléments en forme de nervures ou de dents circulaires sur l'autre élément, chacune des dents circulaires arrivant à côté de la sur-20 face d'étanchéité, et un anneau avec une partie coupée pour permettre l'ouverture et la fermeture circulaire de l'anneau, cet anneau ayant des dimensions convenables et étant placé dans une position appropriée pour exercer une pression radiale sur l'élément tournant sous l'action de la force centrifuge afin d'empêcher par glis-25 sement relatif engendrant de la chaleur entre l'anneau et l'élément tournant des vibrations en flexion nodale aéro-élastiques, autoexcitées, destructives» Les caractéristiques de l'invention ressortiront plus particulièrement de la description suivante, donnée à titre d'exem-30 pie et faite en se référant au dessin annexé, sur lequel? la figure 1 est une coupe schématique montrant un joint labyrinthe de moteur à turbine à gaz avec un dispositif amortisseur de vibrations suivant un mode de mise en oeuvre de l'invention, la figure 2 est une coupe suivant la ligne 2-2 de la 35 figure 1, la figare 3 est une coupe schématique illustrant les vibrations en flexion nodale aéro-élastiques auto-excitées d'un arbre ou d'un élément d'enveloppe ou carter pour illustrer l'invention, 69 45682 4 2027668 la figure 4 représente schématiquement un autre mode de vibrations en flexion nodale aéro-élastiques, auto-excitées pouvant être amorties selon l'invention, la figure 5 est une ooupe schématique d'un autre joint 5 labyrinthe de moteur à turbine à gaz comportant un dispositif amortisseur selon l'invention, et la figure 6 représente schématiquement l'ouverture de l'anneau de la figure 5 avec un dispositif de maintien. La figure 1 représente à titre d'exemple un joint labyrin-^0 the 10 d'un moteur à turbine à gaz qui comprend plusieurs dents circulaires 12 arrivant contre des surfaces d'étanchéité 14. Les dents 12 et les surfaces 14 ont des formes générales circulaires et sont respectivement portées par un arbre creux à paroi mince 16 et par un élément 18 fixé au carter 19 du moteur; mais cependant cette disposition peut être inversée. Un disque de turbine ou de compresseur 22 est fixé à l'extrémité 20 de l'arbre 16. Le disque 22 est muni d'un certain nombre d'ailettes 24 qui dépassent du disque dans un passage annulaire 26 pour le fluide, ce passage étant défini par le carter 19 et par une partie en forme de plateau circulaire 28 20 des ailettes. Le joint 10 a pour fonction de minimiser les fuites de fluide haute pression d'un passage annulaire 26 vers une chambre 30 délimitée en partie par l'arbre 16 et le carter 19. Il doit cependant être noté qu'il existe une certaine fuite de fluide haute pres-25 sion du passage 26 vers la chambre 30 à travers les jeux 32 existant entre chaque dent 12 et la surface d'étanchéité 14 correspondante, les chambres annulaires 34, 36 et 38 situées entre les dents 12, l'arbre 16 et l'élément 18 du carter. Comme il a été mentionné ci-dessus, des différences de pression du fluide peuvent exister circulairement dans chaque chambre annulaire 34, 36 et 38 et il peut de même exister des différences de pression entre les chambres 34, 36 ét 38 en raison des jeux variables et des différences des fréquences de résonances acoustiques ou de pression dans les chambres 34, 36 et 38. Comme 25 la pression à l'intérieur de chaque chambre 34, 36 et 38 agit sur l'arbre 16, les différences de pression dans le sens circulaire dans ces chambres provoquent des distorsions circulaires de l'arbre 16» De même les différences de pression entre les chambres 69 45682 5 2027668 34, 36 et 38 se traduisent par des distorsions axiales correspondantes de l'arbre 16„ Il doit être compris que, d'après la configuration particulière de l'arbre 16, la fixation rigide de l'une ou des deux 5 extrémités de l'arbre et le mode de fixation, il peut exister un ou plusieurs modes de vibrations en flexion nodale mécanique à des fréquences propres„ Ce phénomène est appelé dans le présent texte, la vibration en flexion nodale aéro-élastique, auto-excitée et comme il a été indiqué ci-dessus, il est considéré comme apparais» 10 sant quand il existe vin couplage ou une concordance des phases entre les déformations ou distorsions induites par la pression dans l'arbre 16 et la vibration en flexion mécanique à la fréquence propre de l'arbre 16, l'un des effets renforçant et amplifiant l'autre. De même, d'après la configuration particulière de l'élé-ment 16» tel que l'arbre supportant l'élément du joint labyrinthe et suivant que l'une des extrémités ou les deux extrémités de l'arbre sont supportées, ainsi que suivant le mode de. fixation, le phénomène de vibration en flexion nodale aéro-élastique, auto-excitée peut apparaître dans l'un des deux modes de flexion ou dans 20 les deux modes» La figure 3 montre schématiquement l'un des modes de flexion qui est caractérisé par une onde de flexion à propagation axiale indiquée par des courbes en' tirets 40 et 40' avec une symétrie générale circulaire autour de l'axe de rotation 42 de l'arbre 16. Avec ce mode de vibration, tous les points de l'élément 25 16 se trouvant dans n'importe quel plan d'intersection non nodale normal à l'axe 42, par exemple les points 44 et 46 oscillent radialement vers l'intérieur et l'extérieur à l'unisson, par exemple entre les points 44' et 44" et entre les points 46' et 46"„ Par suite, le diamètre d'une bande circulaire 48 passant par les points 30 ^ et 4-6 subit une fluctuation régulière, ces points restant cependant concentrés par rapport à l'axe 42„ L'autre mode (considéré aussi comme mode de vibration d'une cloche) suivant lequel l'élément 26 peut subir une vibration en flexion nodale aéro-élastique, auto-excitée est représenté sché-25 matiquement sur la figure 4 par l'onde de flexion à propagation circulaire 50', 50"» Il sera noté qu'avec ce mode de flexion contrairement au mode à ondes à propagation axiale de la figure tous les points de l'élément 16 se trouvant dans un plan d'intersection normal 69 45682 6 2027668 à l'axe 42 n'oscillent pas radialement à l'unisson vers l'intérieur et l'extérieur. Par exemple, quand des points diamétralement opposés 52 et 54 sont en mouvement radialement vers l'intérieur à partir des points 52' et 54' vers les points 52" et 54", les points 56 5 et 58 qui sont décalés de 90° par rapport aux points 52 et 54 ont un mouvement radial vers l'extérieur des points 56* et 58' vers les points 56" et 58", il sera par suite noté que suivant ce mode de vibration un cercle particulier ne conserve pas la forme de l'état non excité de l'élément 16» 10 II sera observé que la représentation de la flexion caractérisée par une onde à propagation circulaire est considérablement simplifiée pour la clarté et qu'en réalité cette vibration est habituellement bien plus complexe, que le nombre de noeuds diamétraux est plus important et que ces noeuds ont normalement tendance 15 à circuler autour de l'élément 16. De même, bien que les deux modes de flexion soient décrits ci-dessus indépendants, dans la pratiqua les deux modes existent en même temps, l'un ou l'autre des modes étant prédominant. En considérant à nouveau les figures 1 et 2, un anneau 20 coupé 59, de préférence métallique, est utilisé pour amortir ou pour empêcher la vibration en flexion nodale aéro-élastique, autoexcitée de l'élément 16 et par suite pour empêcher la rupture par fatigue de cet élément à paroi mince. L'anneau 59 comporte des extrémités 60 et 61 espacées l'une de l'autre pour permettre l'ou-25 verture'et la fermeture de l'anneau, c'est-à-dire l'augmentation et la diminution de son diamètre» Ainsi qu'il ressort de la figure 1, une nervure circulaire 62 orientée vers l'intérieur empêche le déplacement axial de l'anneau 59 Ie long de l'élément conique 16, l'anneau 16 étant engagé dans la gorge formée par 20 cette nervure. A l'état libre, c'est-à-dire avant sa mise en place, le diamètre de l'anneau 59 est réglé pour être \in peu supérieur au diamètre de l'anneau en place dans la gorge 64 afin qu'il soit en contact élastique à friction contre l'élément 16, par exemple 25 de la façon représentée en 66, et "qu'il exerce sur l'élément 16 une pression dans une direction générale radiale» Il sera noté que la ligne de contact 66 est pratiquement continue, avec seulement une interruption entre les extrémités 60 et 61 de l'anneau. 45682 7 2027668 Les extrémités 60 et 61 de l'anneau 59 sont séparées circulairement d'une distance suffisante pour permettre de resserrer l'anneau pour son engagement à l'intérieur en passant par le bord circulaire 68 pour la mise en place de l'anneau 59 dans la gorge 64. Pendant la rotation de l'élément 16, l'anneau 59 peut ê.tre soumis à des forces soudaines par impulsions pouvant éventuel lement provoquer l'échappement de l'anneau 59 de la gorge 64. Pour empêcher cet échappement tout en permettant l'ouverture et la fermeture et un glissement relatif de l'anneau 59 par rapport à l'élément 16, un dispositif 70 est monté de la façon représentée sur la figure 2 par exemple sous la forme d'une goupille 72 passant dans le sens axial entre les extrémités 60 et 61 de l'anneau pour empêcher le resserrement de l'anneau 59 à un diamètre inférieur à celui du bord intérieur 68 de la nervure circulaire tout en laissant un espace suffisant par rapport aux extrémités 60 et 61 pour permettre les mouvements d'ouverture et de fermeture dé l'anneau. Bien que l'anneau 59 puisse avoir convenablement une section circulaire et puisse être creux pour des raisons de poids, il doit être noté qu'il peut être plein et avoir n'importe quelle section transversale désirée. La figure 5 représente un dispositif amortisseur selon l'invention associé à un joint labyrinthe 10a comportant des dents circulaires 12 supportées par un élément 74 à paroi mince, fixé à une extrémité à un élément d'arbre conique 16a. La figure 5 représente une forme modifiée de dispositif de retenue 70a, la gorge 64ji étant formée par des nervures 76 séparées axialement et la forme de la gorge empêchant l'échappement de l'anneau 59 sauf en une position telle que l'ouverture élargie représentée en 78 sur la figure 6. Dans ce cas, l'anneau 59 est introduit dans la gorge 64a à travers l'ouverture ou entrée élargie 78. Quand l'anneau a été entièrement introduit dans la gorge 64a, l'ouverture large 78 peut être fermée, par exemple par une goupille 72a pour retenir avec sécurité l'anneau tout en permettant tin glissement relatif entre l'anneau et l'élément 7^ de l'arbr Le fonctionnement d'un1 dispositif selon l'invention est le suivant ; 69 45682 8 2027668 Pendant la rotation de l'élément 16 et par suite de l'anneau 59> la force centrifuge applique l'anneau en contact à friction plus énergique contre l'élément 16„ Cependant, les dimensions de l'anneau 16 sont choisies de façon que l'action de la 5 force centrifuge ne provoque pas une pression radiale contre l'élément 16 ou l'élément 74 suffisante pour empêcher le glissement relatif entre l'anneau et l'élément 16 ou 74= Comme il a été indiqué ci-dessus, pendant la rotation de l'élément 16 ou 74, cet élément peut avoir tendance à entrer en vibration en flexion nodale 10 aéro-élastique, auto-excitée suivant l'tin ou les deux modes décrits par rapport aux figures 3 et 4. Dans le cas du mode de vibration de la figure 3, le diamètre de la ligne de contact à friction entre l'anneau 59 et l'élément 16 ou 74 croît ou décroît uniformément» Comme l'anneau 59 est ouvert avec du jeu entre les extrémités, 15 il s'ouvre et se ferme pour suivre les variations du diamètre de l'élément 16 ou 74. Cependant, comme la longueur réelle de l'anneau 59 est en général pratiquement constante, il se produit un glissement relatif entre l'anneau 59 et l'élément 16 ou 74 pendant chaque mouvement d'ouverture ou de fermeture. En même temps l'anneau 20 59 est appliqué avec pression contre l'élément 16 ou 74 par la force centrifuge ainsi que par sa force inhérente de ressort, de sorte que ce glissement relatif engendre de la chaleur et dissipe l'énergie vibratoire. Comme l'anneau 59 est en contact avec l'élément 16 ou 74 sur toute sa longueur, l'usure dé l'anneau 59 est 25 en général régulièrement distribuée. Quand l'élément 16 ou 74 a tendance à vibrer suivant le mode caractérisé par une onde à propagation circulaire de la façon représentée sur la figure 4, il en résulte des mouvements d'ouverture et de fermeture de 1'anneau 59 et par suite des glis-20 sements relatifs produisant de la chaleur entre l'anneau 59 et l'élément 16 ou 74, et la dissipation de l'énergie vibratoire. Bien que l'anneau 59 puisse ne pas 'rester en contact périphérique continu avec l'élément 16 ou 74 quand celui-ci vibre sur le mode de la figure 4, comme les points de contact à fric-tion changent continuellement, l'usure de l'anneau 59 est aussi d'une façon générale uniforme le long de l'anneau. L'anneau 59 peut être retenu contre le déplacement axial le long de l'élément 16 ou 74 simplement du fait de la gorge 64 69 45682 9 2027668 ou 64a dans laquelle l'anneau est introduit élastiquement de 1-a façon représentée sur les figures 1 et 5. Quand l'anneau se trouve dans la rainure 64 ou 64a, son échappement est empêché pendant les périodes d'excitation par la goupille 72 qui limite 5 le mouvement de fermeture de l'anneau ou par la goupille J2a qui ferme l'ouverture 78 à travers laquelle l'anneau peut être introduit ou enlevé. L'anneau 59 est de préférence placé à la position ou près de la position de course maximale en flexion de l'élément 10 devant être amorti» Dans le cas du mode de propagation axiale de l'onde suivant la figure 3, la position optimale pour l'anneau 59 correspond à un ventre de vibration» Dans le cas du mode à onde à propagation circulaire suivant la figure 4, la position optimale pour 1'anneau 59'est en'général le point le plus éloigné des points 15 de fixation à une autre structure, par exemple de la façon représentée sur la figure 5. Bien qu'un dispositif amortisseur selon l'invention soit particulièrement utile pour un élément tournant portant un joint labyrinthe tel que l'élément 16 ou 7^> il doit être compris que 20 l'anneau ouvert 59 peut aussi être utilisé pour amortir les vibrations en flexions d'un élément, tel que l'élément 18 portant la partie statlonnaire du joint labyrinthe ou pour amortir les vibrations d'autres éléments d'enveloppes ou, de carters à parois minces. Bien entendu, la description qui précède n'est pas limi-30 tative et l'invention peut être mise en oeuvre suivant d'autres variantes sans que l'on sorte de son cadre. 69 45682 10 2027668 REVENDICATIONS lo Dispositif amortisseur de vibrations pour une machine fonctionnant avec un fluide telle qu'une machine comportant un joint labyrinthe pour réduire les fuites de 5 fluide entre un élément stationnaire et un élément tournant à parois minces„ le joint comprenant un dispositif porté par l'ui de ces éléments pour définir au moins une surface annulaire d'étanchéité,, et plusieurs rondelles ou dents circulaires espacées axialement portées par l'autre élément, chaque dent 10 s'étendant jusqu'à l'une des surfaces annulaires d'étanchéité, caractérisé par un anneau ouvert pour permettre le développement et le resserrement diamétralement de l'anneau placé dans une position convenable et ayant les dimensions voulues pour être en contact circulairement contre l'élément 15 tournant pour exercer contre celui-ci une pression radiale sous l'action de la force centrifuge afin d'empêcher la vibration en flexion nodale aéro-élastique auto-excitée de l'élément tournant, cette vibration pouvant être caractérisée par des ondes en flexion nodale à propagation axiale et à 20 propagation circulaire, l'amortissement résultant du glissement relatif engendrant la chaleur de l'anneau par rapport à l'élément tournant. 2„ Dispositif amortisseur de vibrations selon la revendication 1, caractérisé en ce que la section transver-25 sale de l'anneau est circulaire„ 3„ Dispositif amortisseur de vibrations selon une des revendications 1 et 2, caractérisé par une gorge formée dans l'élément téurnant pour retenir l'anneau dans une position prédéterminée dans le sens longitudinal de l'axe de 30 rotation de l'élément tournante 4. Dispositif amortisseur de vibrations selon la revendication 3> caractérisé en ce que l'emplacement prédéterminé de l'anneau est près de la position de mouvement de flexion maximale de l'élément tournant. 5. Dispositif amortisseur de vibrations selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisé par un dispositif pour 69 45682 ii 2027668 retenir l'anneau dans une position axiale prédéterminée par rapport à l'élément tournant sans empêcher le glissement relatif, le dispositif de retenue comportant une gorge circulaire ouverte vers l'intérieur pour recevoir l'anneau de façon que 5 les extrémités de l'anneau ouvert soient espacées régulièrement d'une façon suffisante pour permettre l'introduction . de l'anneau dans la gorge, et une goupille montée entre les extrémités de l'anneau pour limiter le resserrement de la distance entre ces extrémités pour empêcher l'échappement de 10 l'anneau tout en permettant les mouvements glissants. 6o Dispositif amortisseur de vibrations selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisé- par un dispositif pour retenir l'anneau dans une position axiale prédéterminée le long de l'élément tournant sans empêcher le glissement relatif, le 15 dispositif de retenue comportant une gorge circulaire pour recevoir l'anneau en empêchant son échappement dans le sens radial, une ouverture élargie pour permettre l'introduction de l'anneau dans la gorge et un dispositif tel qu'une goupille pour fermer pratiquement cette ouverture après l'introduction 20 de l'anneau.