Brevet FR2246782A1 — publié le 19750502

La présente invention concerne les dispositifs d'étanchéité situés entre deux surfaces de façon générale annulaires, et plus particulièrement un dispositif pour établir une prêcharge d'étanchéité pour maintenir un joint étanche str malgré des conditions défavorables de fonctionnement L'établissement de l'étanchéité pour des fluides haute pression à des températures élevées entre des éléments de forme générale cylindrique subissant des déformations radiales et axiales relativement importantes pose des problemes pour un grand nombre d'applications industrielles, Les déformations relatives entre des éléments cylindriques peuventrésulter de la pression d'un fluide, de dilatations thermiques différentes, de charges extérieures à la structure ou de tolérances accumulées de fabrication ou encore de n'importe quelle combinaison de ces causes. Dans la plupart des cas nécessitant des joints d'étanchéité haute pression à haute température sujets à des déformations importantes, les joints utilisés ont la forme de pistons annulaires. Dans certains cas les joints de cette forme permettent des fuites excessives entrainant aussi bien une diminution des performances que des ruptures éventuelles des structures en raison d'un surchauffage. C'est en particulier le cas quand des différences faibles entre les pressions sur les cotés opposés du piston annulaire provo quentdes forces insuffisantes pour le maintien en contact des surfaces d'étanchéité. Une autre solution pour former un joint dans le cas de hautes pressions et de températures élevées consiste à utiliser des soufflets pour absorber une partie de la dé-formation d'une plaque par flexion. Malheureusement, dans le cas de diamètres importants, cette solution a été trouvée peu satisfaisante en raison du cott élevé et de la construction fragile susceptible de rupture par fatigue, C'est particulièrement le cas pour les moteurs d'avions qui nécessitent des joints d'un poids minimal. De plus, ces joints de types antérieurs ont été incapables de supporter des charges résultant de différences importantes des pressions. La présente invention permet de supprimer ces problèmes au moyen dlun élément d'étanchéité robuste avec une combinaison pour- établir une précharge appréciable d'étanchéité quand l'élément est serré dans la position voulue. L'invention concerne ainsi un joint sflr aussi bien pour des diffé- rences de pression importantes que faibles. La présente invention a pour objet un joint annulaire pouvant établir un joint étanche viable et sflr entre des surfaces face à face quand il est nécessaire d'établir un joint de grand diamètre et quand le dispositif peut être soumis à des différences de pression importantes et faibles et à des contraintes mécaniques importantes. L'invention concerne ainsi une bague d'étanchéité disposée entre deux éléments ayant des surfaces annulaires opposées pour établir un joint étanche entre les deux. La bague d'étanchéité comporte un corps d'une épaisseur substantielle prédéterminée et elle est en matière élastique. Le corps a une forme générale annulaire et il comporte des faces relativement plates orientées en amont et en aval, chacune coopérant avec l'une des surfaces sur lesquelles doit pitre établie l'étanchéité. Pour assurer l'étanchéité ainsi que pour établir une précharge, chacune des faces orientées axialement du corps comporte un épaulement dépassant dans la direction axiale et s'étendant circulairement d'une façon pratiquement continue sur-la face associée.Ces épaulements sont adaptés pour venir en contact avec des surfaces associées pour assurer l'étanchéité et ils sont espacés l'un de l'autre dans la direction radiale, Les caractéristiques de l'invention ressortiront plus particulierement de la description suivante, donnée à titre d'exemple et faite en se référant au dessin annexé sur lequel - la figure 1 représente des joints d'étanchéité annulaires utilisés dans deux emplacements d'une partie d'un moteur à turbine à gaz, et - la figure 2 est une vue en perspectlve d'une des bagues d'étanchéité de la figure 1. Un moteur à turbine à gaz a été choisi pour illustrer la présente invention. Ce milieu environnant présente une combinaison de conditions représentant des difficultés particulières pour assurer l'étanchéité. En particulier, la partie turbine d'un tel moteur doit fonctionner avec des pressions élevées et des hautes températures, et le moteur comporte souvent des surfaces d'étanchéité ayant des diamètres importants. De ce fait, les contraintes thermiques et mécaniques entre les éléments voisins séparés de façon étanche peuvent provoquer des déformations relatives substantielles des surfaces rendues étanches.L'étanchéité de ces surfaces est par suite difficile en utilisant des moyens classiques considérés ci-dessus, Les caractéristiques de la présente invention permettent de résoudre ces probleçesa mais de plus elles peuvent être utilisées dans d'autres machines et elles peuvent être avantageusement utilisées pour n'importe quelle application présentant des circonstances similaires, La figure 1 représente une partie de la structure de la turbine d'un moteur à turbine à gaz. La turbine- comporte des éléments de structure 10, 12 et 14.Ces éléments définissent partiellement des cavités 16, 18 et 20 dans lesquelles sont logées différentes autres parties de la turbine qui fonctionnent à des pressions différentes, de sorte qu'il est nécessaire de prévoir des moyens pour maintenir l'étanchéité entre les différentes cavités, Dans les moteurs à turbine à gaz importants, les éléments structuraux tels que 10, 12 et 14 considérés ci-dessus, ont souvent des diamètres importants. De plus, en raison de la nécessité d'un poids minimal pour ces moteurs à turbine à gaz utilisés pour la propulsion des avions, ces éléments ont souvent des sections transversales faibles.Cette combinaison de circonstances conduit à des éléments de structure qui, lorsqu'ils sont soumis aux contraintes mécaniques et thermiques importantes existant dans les turbines, peuvent subir des déformations relatives substantielles des surfaces correspondantes d'étanchéité. Ce sont ces surfaces qui constituent la zone pour l'interposition d'un joint. En raison de ces contraintes, les dispositifs d'étanchéité antérieurs ont souvent eu un fonctionnement relativement mauvais. La présente invention apporte un moyen simple et efficace pour établir un joint str entre ces éléments malgré des conditions défavorables de fonctionnement. La figure 1 montre -deux applications similaires de joints d'étanchéité selon l'invention. La bague d'étanchéité 22 est interposée entre les éléments de structure 10 et 12 et la bague d'étanchéité 24 est interposée entre les éléments de structure 10 et 14.-Comme les deux bagues d'étanchéité sont similaires, une description détaillée de la bague 22 et de son fonctionnement suffit pour comprendre la présente invention. En considérant les figures l et 2, la bague 22 comporte un corps 26 ayant une section générale rectangulaire} avec une épaisseur X et une largeur radiale Y, prédéterminées, Le corps 26 s'détend de façon continue avec une forme pratiquement annulaire. De plus, la bague comporte une face 28 orientée axialement sur le coté amont et une face opposé 30 orientée dans la direction aval. Ces faces sont sensiblement plates. Pour constituer une partie formant un joint, la face 28 comporte un épaulement dépassant dans la direction axiale 32 s'étendant circulairement de façon continue sur le pourtour intérieur radialement de la face 28.De façon similaires la face 30 comporte un épaulement dépassant axialement 34 qui s'étend de façon continue le long du pourtour radialement extérieur de la face 30. La bague d'étanchéité a de plus une caractéristique pour provoquer une précharge de couple d'étanchéité suivant la section transversale du corps 26. Dans ce but, le corps 26 est en matière élastique s'opposant à- la déformation élastique. De plus, dans ce but, les épaulements 32 et 34 sont espacés l'un de l'autre dans la direction radiale d'une distance radiale prédéterminée suivant la largeur Y.Par suite,- une force exercée à travers la section transversale du corps 26 par l'intermédiaire des épaulements 32 et 34 se traduira par un couple agissant pour tordre ou rouler la section transversale (dans le sens inverse des aiguilles d'une montre suivant la figure 1) en raison de l'espacement des épaulements-, et il en résultera un couple contraire (dans le sens des aiguilles d'une montre) en raison de l'élasticité du corps 26. Cet effet est décrit plus en détail ci-après. La bague d'étanchéité 22 est placée dans un intervalle approprié entre les éléments de structure 10 et 12, cet intervalle étant partiellement défini par les surfaces annulaires 36 et 38 formées par des parties de butée des éléments 10 et 12. La bague d'étanchéité 22 est placée dans l'intervalle de façon que la face 28 se trouve devant la surface 38 et que la face 30 se trouve devant ia surface 36. Pendant la fabrlcation de la turbflne, les surfaces 36 ét 38 sont rapprochées pour que ltépaulement 34 soit en contact avec la surface 36 et que l'épaulement 32 soit en contact avec la surface 38. Le montage de la turbine comporte des moyens (des boulons dans le cas représenté) pour établir une force de serrage transversalement à la bague d'étau chéité en rapprochant davantage les surfaces 36 et 38. Cette force dé serrage se traduit par une déflexion des épaulements 32 et 34 et l'établissement de l'étanchéité contre les surfaces associées 38 et 36. De plus, en raison de l'espacement radial- des épaulements 32 et 34, la force de serrage provoque l'établissement d'un couple en sens inverse des aiguilles d'une montre dans le corps 26 de la bague 22. Ce couple engendre des forces internes à la traction et à la compression dans le corps 26, qui en raison de l'élasticité du corps provoquent un couple opposé dans le sens des aigullles d'une montre dans le corps 26.Autrement dit, quand la force de serrage augmente, la bague 22 est "roulée" de façon que sa surface radialement la plus extérieure soit forcée axialement vers la gauche par rapport à sa surface radialement la plus intérieure. En même temps, les contraintes internes mentionnées ci-dessus provoquent un couple ayant tendance à "dérouler" la bague. Le couple ainsi créé est transmis aux épaulements 32 et 34 et il en résulte une force de précharge qui tend à maintenir les épaulements en contact avec les surfaces opposées 38 et 36. C'est cette précharge qui maintient un jcint étanche efficace malgré les déformations relatives des éléments de structure 10 et 12. L'invention permet ainsi d'obtenir un joint très efficace restant valable dans des circonstances défavorables pour lesquelles les joints antérieurs n'ont pas eu un comportement satisfaisant. Pendant le fonctionnement du moteur, des gaz = les températures extrêmement élevées s'écoulant à des vitesses très élevées imposent des contraintes thermiques et mécaniques importantes dans les éléments structuraux 10, 12 et 14. Les éléments structuraux considérés peuvent être stationnaires ou peuvent tourner à l'unisson, mais dans tous les cas ils sont soumis à ces contraintes. Pendant le fonctionnement, les cavités 165 18 et 20 peuvent contenir des fluides à des pressions différentes, de sorte qu'il existe des différences de pression sur les catés opposés des joints 22 et 24.Ces différences de pression peuvent Entre faibles et par suite ajouter peu à ia force de pre-charge maintenant l'étanchéité entre les épaulements et les surfaces d'étanchéité correspondantes. Par contre, les différences de pression peuvent être assez importantes. Dans les deux cas un joint selon l'invention assure efficacement l'étanchéité contre les fuites entre les cavités. Les contraintes thermiques et mécaniques subies par les éléments de structure peuvent provoquer des déformations relatives de ces éléments. En raison de son élasticité et de sa forme, la bague d'étanchéité selon l'invention permet le maintien d'un joint efficace entre les éléments de structure en ajustant la position du joint. Les deformations axiale relatives des surfaces 36 et 38 provoquent un enroulement ou un déroulement supplémentaire de la bague d'étanchéité 22, mais raison de la précharge, des déformations importantes doivent avoir lieu avant que la bague d'étanchéité décolle des surfaces correspondantes. De façon similaire, les déformations radiales de ces surfaces peuvent provoquer l'enroulement ou le déroulement de la bague d'etanchéité, mais dans ce cas aussi elles ne provoquent pas l'ouverture du joint. De plus, une déformation radiale peut provoquer un léger glissement entre les épaulements ou les surfaces associées, mais en raison de la précharge cela ne provoquera pas l'ouverture du joint. Les conditions considérées cl-dessus ne représentent que quelques conditions parmi celles pour lesquelles les joints antérieurs n'ont pas fonc tionné correctement. Il apparat ainsi qu'un joint selon l'invention représente un perfectionnement substantiel sur la technique antérieure. C'est particulièrement le cas pour les conditions environnantes décrites ou similaires. Les avantages de l'invention sont multiples. Le joint d'étanchéité peut Stre continu et relativement indépendant de la pression ou de la dila tation thermique, du fait de la précharge décrite. De plus, comme la bague d'étanchéité est continue, elle peut être utilisée pour assurer I'étanchéité aussi bien pour les organes statiques que pour les organes tournants. En outre, les performances aussi bien statiques que dynamiques de la bague d'étanchéité sont prévisibles en utilisant des méthodes analytiques. De plus, la bague d'étanchéité peut être placée radialement par rapport soit à la surface intérieure soit à la surface extérieure diamétrale de la structure associée. En outre, des modifications appréciables de la section transversale de la bague d'étanchéité ou de sa géométrie générale peuvent feutre envisagées conformément à l'invention. Bien entendu, la 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. R E V E N D I C A T I O N -S 1. Bague d'étanchéité pour établir un joint entre un premier élément annulaire et un second élément annulaire opposés l'un è l'autre, caractérisée en ce qu'elle comporte un corps de forme générale annulaire ayant une largeur radiale prédéterminée et une première et une seconde face orientées axialement, la première face se trouvant devant la surface du premier élément et la seconde face se trouvant devant-la surface du seçond élément, une partie coopérant avec la seconde face pour venir en contact avec la surface du second élément pour former un joint étanche, et une combinaison pour établir une précharge d'étanchéité entre les parties de contact de la bague et le premier et le second élément. 2. Bague d'étanchéité pour établir un joint étanche entre un premier élément-annulaire et un second élément annulaire opposés l'un à l'autre, caractérisée en ce que la bague comporte un corps de forme générale annulaire ayant une largeur radiale prédéterminée et une première et une seconde face. orientées axialement, la première face se trouvant devant la surface du premier élément et la seconde face devant la surface du second élément, une première partie saillante coopérant avec la première face et venant en contact avec la surface du premier élément pour établir un joint étanche avec celleci, une seconde partie saillante espacée dans la direction radiale de lapremière partie saillante et coopérant avec la seconde face pour venir en contact avec la surface du second élément pour établir un joint étanche, et une combinaison de précharge pour établir une précharge d'étanchéité entre les parties saillantes et les éléments correspondants. 3. Bague d'étanchéité selbn la revendication 2, caractérisée en ce que la combinaison de précharge établit un couple.8 travers la section transversale du corps. 4. Bague d'étanchéité selon la revendication 3, caractérisée en ce qutelle est en matière élastique et la combinaison pour établir la précharge répond à une force de serrage exercée d'une façon générale dans la direction axiale sur le corps et à travers la première et la seconde partie. saillantes. 5. Bague d'étanchéité selon la revendication 4, caractérisée en ce que le corps est un anneau continu et la première et la seconde partie saillantes sont constituées par des épaulements dépassant dans la direction axiale et s'étendant circulairement. 6. Bague d'étanchéité selon la revendication 5, caractérisée en ce que chaque épaulement est continu circulairement le long de la face correspondante de la bague. 7. Joint d'étanchéité caractérisé par un premier élément ayant une surface de forme générale annulaire, un second élément ayant une surface de forme générale annulaire espacée dans la direction axiale de la surface du premier élément et unebegue d'étanchéité disposée entre les surfaces du premier et du second élément, la bague d'étanchéité comportant un corps élastique continu de forme générale annulaire ayant une largeur radiale prédéterminée et une première et une seconde face orientées axialement, la première face se trouvant devant la surface du premier élément et la seconde face devant la surface du second élément, un premier et un second épaulement dépassant dans la direction axiale et s'étendant circulairement sur la première et la seconde face) ces épaulements étant espacés dans la direction radiale l'un de l'autre et venant respectivement en contact avec la surface du premier élément et la surface du second élément, et une combinaison pour établir un couple de précharge sur le corps en réponse à une force de serrage exercée à travers le premier et le second élément et le premier et le-second épaulement) ce couple-établissant une force de précharge entre le premier et le second épaulement. et le premier et le second élément annulaires correspondants.