Brevet FR2485090A1 — publié le 19811224

i 2485090 La présente invention concerne un joint assurant l'é- tanchéité entre le rotor de turbine d'un moteur à tur- bine à gaz et la structure statique correspondante du- dit moteur. Les rotors de turbine des moteurs à turbine à gaz sont souvent alimentés en air réfrigérant amené en général à une pression supérieure à celle du flux annulaire gazeux principal du moteur parvenant au rotor. Cette disposition a pour but, *entre autres raisons, d'élimi- ner le risque de passage de gaz chaud provenant de ce flux dans les intervalles entourant le rotor o il pourrait endommager ce dernier. Mais il importe d'empocher une quantité importante de cet air réfrigérant de passer dans ledit flux annulaire gazeux principal du fait que ces fuites représentent un gaspillage d'air réfrigérant et influent sur le fonctionnement efficace de la turbine car ces deux effets diminuent le rendemeit du moteur. Dans le pas- sé, on a utilisé diverses formes de joints d'étanchéité avec des succès divers mais la difficulté de réaliser l'étanchéité entre des pièces tournant l'une par rap- port à l'autre et subissant des influences thermiques, centrifuges et vibratoires différentes complique sé- rieusement ce problème La présente invention réalise un joint d'étanchéité chevauchant le rotor de façon à rendre plus facile la compensation de ces mouvements différentiels. Le joint d'étanchéité, conforme à l'invention, entre le rotor de turbine d'un moteur à turbine à gaz et la o 2 2485090 structure fixe correspondante de ce moteur comprend un anneau en matière à faible coefficient de frotte- ment porté, coaxialement au rotor, par la structure fixe du moteur, ledit anneau et ledit rotor étant con- formés de façon à former entre eux un palier à coussins d'air, et un organe annulaire de joint porté par ledit anneau et coopérant avec une surface annulaire du ro- tor pour former un joint étanche Le rotor pourra être conformé de façon que sa surface possède une couronne de coussinets s'air-porteurs co- opérant avec la surface dudit anneau pour former le palier à coussins d'air. Selon un des modes de réalisation de l'invention, l'or- gane annulaire de joint est placé, radialement, à l'ex- térieur de l'anneau et le dispositif comporte des buses dirigeant l'air réfrigérant dans le rotor entre l'an- neau et l'organe annulaire de joint. L'anneau pourra être porté dans un châssis à claire- voie à ouvertures triangulaires sur une partie annu- laire de la surface duquel seront formés des empenna- ges saillant axialement et constituant ledit organe annulaire de joint. De préférence, l'anneau sera fait d'une matière céra- mique telle que du nitrure ou du carbure de silicium L'invention est décrite ci-après en détail en se réfé- rant à un exemple préféré, non limitatif, de réalisa- tion représenté sur les dessins annexés dans lesquels 3 2485090 - la figure 1 est une vue de c8té, en partie écorchée, d'un moteur à turbine à gaz muni d'un joint d'étan- chéité selon l'invention - la figure 2 est une vue à plus grande échelle d'une partie de la turbine de la figure 1 montrant le joint d'étanchéité; et - la figure 3 est une vue du joint d'étanchéité en di- rection de la flèche 3 de la figure 2 La figure 1 montre un turboréacteur 10 comprenant un compresseur 11, une chambre de combustion 12, une tur- bine 13 et une tuyère d'éjection 14. Ce moteur fonc- tionne, dans l'ensemble, selon le mode classique qui ne sera pas décrit en détail. On devra noter que, bien que décrit comme un tout, ce-moteur 10 pourra consti- tuer en fait la partie centrale ou principale d'un mo- teur de plus grandes dimensions tel qu'un turboréacteur à soufflante. On sait que l'étanchéité du joint entre le roter de- turbine 15-du moteur et la structure fixe correspon- dante 40 est importante pour le rendement du moteur La figure 2 montre, plus en détail, la conformation du joint d'étanchéité selon la présente invention Cette figure 2 montre que le rotor 15 de la turbine comprend un disque de rotor 16 sur la périphérie du- quel sont montées plusieurs aubes 17 dont les pieds sont fixés par des assemblages classiques "en sapin" On notera qu'un plateau annulaire 18 est maintenu contre la face amont des fMts des aubes 17 par une pluralité de goujons 19 saillant chacun d'une plaque de joint 20 dont l'ensemble forme une couronne s'ap- 4 2485090 pliquant à la face arrière (ou aval) des fMts des au- bes. Dans l'exemple représenté, le plateau annulaire 18 offre, sur la face amont du rotor, une surface an- nulaire plane avec laquelle pourra coopérer un organe formant joint d'étanchéité mais on devra noter que ce plateau 18 pourrait comporter des empennages annulai- res s'intercalant dans ceux d'un organe formant joint Le disque de rotor 16 est de forme classique sauf en ce qui concerne sa face amont munie de deux couronnes concentriques de coussinets d'air porteurs aux points 21 et 22. Ces deux couronnes sont contiguës et con- sistent chacune en une pluralité de poches peu profon- des délimitées de toutes parts-par des parois sauf du c8té faisant face au sens de mouvement du disque. On voit qu'il s'agit d'un type connu de palier à cous- sins d'air. Bien que la description ne fasse état que de deux couronnes de coussinets, il est évident que le dispositif pourra, selon les circonstances, n'en comporter qu'une seule ou plus de deux. Les coussi- nets pourront également être formés dans la partie statique (anneau 23) de la turbine et non dans la face contiguë du rotor. Les coussinets 21 et 22 coopèrent avec un anneau en matière céramique 23 pour constituer le palier à cous- sins d'air complet. L'anneau 23 est un anneau mince en carbure de silicium dont les faces sont transver- sales à son axe et dont la face coopérant avec les coussinets d'air 21 et 22est une surface plane dressée avec précision. 2485090 L'anneau 23 est épaulé par un anneau métallique sem- blable 24, ces deux anneaux étant rendus solidaires l'un de l'autre, et maintenus, par des griffes radia- lement internes 25 et externes 26, dans un châssis annulaire 27, à éléments5disposés en triangle, mieux apparent sur la figure 3 dans laquelle l'anneau double 23-24 est représenté, comme en transparence, par des traits interrompus pour laisser apparattre la struc- ture complète du ch&ssis - On voit, sur la figure 3, que le châssis 27 est fait d'un cercle interne 28 et d'un cercle externe 29 réu- nis par un entretoisement en triangle 30. lies griffes internes 25 font saillie du cercle interne 28, tandis que les parties supérieures des entretoises 30 portent les griffes externes 26. Le cercle externe 29 se pro- longe extérieurement pour former, prés de sa périphé- rie, une paire d'ailettes 31 (visibles en coupe sur la figure 2) coopérant, comme déjà mentionné, avec la surface du plateau annulaire 18 pour réaliser un joint étanche. L'autre élément du châssis 27, visible sur la figure 3, comprend une gorge axiale 32 ouverte à son extrémité radialement externe, dans laquelle vient se loger une goupille 33 ayant pour fonction d'empêcher les mouvements circulaires du châssis et d'en maintenir la concentricité ainsi que celle des anneaux 23 et 24 les autres caractéristiques de l'ensemble apparaissent sur la figure 2. Il est évident que le chêssis 27 et les anneaux 23 et 24 doivent être portés par la struc- ture statique du moteur et lui être joints étanchément. En conséquence, les faces arrière des cercles 28 et 29 6 2485090 comportent des gradins annulaires 34 et 35, respecti- vement. Dans le gradin 34 s'engage une rondelle coni- que (ou rondelle belle4ille) 36 maintenue, par une bague de section transversale en U 37, en contact avec une seconde rondelle conique (ou rondelle belleville) 38 de sens inverse de la première. La rondelle 38 S'engage dans un gradin annulaire 39 faisant face au gradin 34 et creusé dans un flasque annulaire 40 s'é- tendant axialement et faisant partie de la structure statique du moteur De même, le gradin 35 est-en prise avec une paire de rondelles belleville semblables, de sens opposé l'un à l'autre, 41 et 42 maintenues ensemble par une bague de section transversale en U 43, la rondelle 42 s'enga- geant de son coté dans un autre gradin 44 creusé dans la périphérie externe d'un flasque conique 45 dans le- quel sont formés des évidements 46 abritant les gou- pilles 33 Les paires de rondelles 36, 38 et 41, 42 forment, avec leurs bagues de retenue 37 et 43, des combinaisons de joints étanches et de ressorts poussant le châssis 27, donc l'anneau céramique 23, vers les couronnes de coussinets d'air porteurs 21 et 22. Comme les rondel- les sont maintenues ensemble,sur leurs périphéries en contact, par les bagues de section transversale en U mais que leurs surfaces peuvent se déplacer angulaire- ment l'une par rapport à l'autre, il est possible d'ab- sorber un mouvement axial très étendu entre le châssis 27 et la structure statique du moteur sans imposer aux rondelles des contraintes anormales. En conséquence, 7 2485090 tant que les rondelles sont PouEsées élastiquement l'une contre l'autre et contre leurs gradins respec- tifs, on obtient un joint d'étanchéité efficace Par conséquent, le châssis 27 avec l'anneau céramique 23 et les organes de joint étanche 31 qui en font sail- lie sont montés de façon étanche sur la structure fixe constituée par les flasques 40 et 45 et peuvent se dé- placer axialement pour suivre tout mouvement axial du rotor 15 par rapport à cette structure fixe. L'enga- gement des goupilles 33 dans les gorges 32 forme une fixation à clavettes transversales maintenant le châs- sis coaxial au rotor et en empêchant la rotation mais permettant sa dilatation radiale. Pour amener aux aubes 17 l'air réfrigérant nécessaire et pour fournir la pression indispensable à l'équili- brage du châssis 27, le flasque conique 45 définit, avec un flasque identique 47 écarté du premier, un conduit 48 pour l'air réfrigérant prélevé sur le com- presseur 11 du moteur. Cet air parcourt le conduit 48 et franchit une série de buses 49 amorçant sa mise en tourbillons en lui communiquant une composante de mou- vement de même sens que le sens de rotation du rotor 15. Des flasques 50 et 51, partant (respectivement) des flasques coniques 45 et 47, empêchent cet air de s'échapper du conduit 48; le contact étanche de ces deux flasques 50 et 51 complète l'étanchéité du con- duit 48. L'air sortant sous pression des buses 49 franchit les vides ménagés entre les entretoises 30 au delà de la périphérie externe des anneaux 23 et 24 et gagne, en 8 2485090 passant sous le plateau annulaire 18, les pieds des aubes 17 d'o il pénètre dans des conduits de refroi- dissement (non représentés) ménagés dans les aubes * pour les refroidir. Cet air réfrigérant ne peut pas s'échapper radialement vers l'extérieur pour rejoindre le flux annulaire gazeux principal du moteur du fait du joint étanche formé entre les ailettes 31 et la surface du plateau annulaire 18; l'idéal est donc de maintenir le jeu existant entre ces éléments à une valeur constante très petite La construction qui vient d'être décrite permet de réaliser cette situation idéale du fait que l'anneau céramique 23 et les coussinets d'air porteurs 21 et 22 agissent comme un palier à coussins d'air. On sait qu'une des caractéristiques de ces paliers est de main- tenir un faible jeu constant entre éléments fixes et tournants de sorte que l'anneau 23 conserve, pendant la marche du moteur, une position presque constante par rapport au disque de rotor 16, Les ailettes d'é- tanchéité 31 sont maintenues en place axialement par le châssis 27, donc par l'anneau 23, et maintiennent ainsi, avec le plateau annulaire 18, un jeu qui peut être très faible. Outre le maintien d'un jeu d'ensemble, l'anneau céra- mique 23 et sa structure porteuse sont dotés deune certaine souplesse. Le dispositif de joint étanche peut donc épouser les distorsions partielles du rotor ausEi bien que ses déplacements complets. Ceci peut être indispensable pour permettre au joint détanchéité de faire face à des mouvements vibratoires du disque de rotor engendrant souvent des distorsions du type "à ondes stationnaires". - 9 2485090 Il doit être entendu que le mode de réalisation décrit ci-dessus est susceptible de diverses modifications pour répondre à des conditions particulières. C'est ainsi que, bien que l'anneau de carbure de silicium 23 dont il est fait mention soit en une matière ayant un faible coefficient de frottement et une forte résistan- ce à la chaleur, il est possible d'utiliser d'autres matériaux parmi lesquels une grande diversité d'autres matières céramiques telles que le nitrure de silicium et d'autres matériaux non métalliques tels que le car- bone ainsi que, dans certains cas, des métaux doublés de matière à faible coefficient de frottement. Il pourra également, ainsi qu'on l'a déjà mentionné, être souhaitable de disposer les évidements formant coussinets d'air dans la partie statique plut8t que dans la partie rotati-te du dispositif. Il doit en outre être entendu que les détails mécani- ques de la construction peuvent être modifiés pour répondre à des circonstances particulières. 2485090 REVENDICATIONS 1. Joint d'étanchéité entre le rotor de turbine d'un moteur à turbine à gaz et la structure associée, caractérisée par un anneau (23) en matière à faible coefficient de frottement, porté par ladite struc- ture statique (40, 45) coaxialement audit rotor (16) ledit anneau (23) et ledit rotor (16) étant confor- més (21, 22) de façon à former entre eux un palier à coussins d'air, et un organe annulaire de joint (31) porté par ledit anneau (23) et coopérant avec une surface annulaire (18) dudit rotor pour former un joint étanche. 2. Joint d'étanchéité selon la Revendication 1, carac- térisé en ce que ledit rotor (16) est conformé avec une couronne de coussinets d'air porteurs (21, 22) - dans sa surface, coopérant avec la surface dudit anneau (23) pour former ledit palier à coussins d'air 3. Joint d'étanchéité selon une quelconque des Reven- dications 1 ou 2, caractérisé en ce que ledit or- gane annulaire de joint (31) est place, radialement, à l'extérieur dudit anneau (23) À 4. Joint d'étanchéité selon la Revendication 3, carac- térisé par des buses (49) placées entre ledit anneau (23) et ledit organe annulaire de joint (31) et dis- posées de façon à diriger l'air réfrigérant dans le rotor (16) o Il 2485090 5. Joint d'étanchéité selon la Revendication 1, carac- térisé en ce ju'il comporte un châssis porteur (27) supportant ledit anneau (23). 6. Joint d'étanchéité selon la Revendication 5, carac- térisé en ce que ledit châssis (27) comporte une partie annulaire (29) de sa surface sur laquelle sont formés des ailettes ou empennages (31) sail- lant axialement, constituant ledit organe annulaire de joint. 7. Joint d'étanchéité selon la Revendication 5, carac- térisé en ce que ledit châssis (27) comporte une charpente à claire voie de conformation triangulaire 8. Joint d'étanchéité selon la Revendication 5, carac- térisé par des goupilles (33) saillant de ladite structure fixe (46) et s'engageant dans des gorges (32) s'étendant axialement et radialement ouvertes, formées dans ledit ch6ssis (27) pour empocher la rotation ctrconféren- tielle dudit chdssis (27). 9. Joint d'étanchéité selon la Revendication 1, carac- térisé en ce que ledit châssis (27) comporte deux parties annulaires (28, 29) et des joints d'étan- chéité supplémentaires (36,37, 38, 41, 42, 43) é- tablissant des joints étanches entre lesdites par- ties annulaires et la structure statique (40, 45). 12 -485090 10. Joint d'étanchéité selon la Revendication 9, carac- térisé en ce que lesdits joints d'étanchéité supplé- mentaires (36, 37, 38, 41, 42, 43) sont disposés au voisinage immédiat des périphéries interne et ex- terne du châssis (27) 11. Joint d'étanchéité selon la Revendication 9, carac- térisé en ce que chacun desdits joints d'étanchéité supplémentaires comprend une paire de rondelles co- niques (36, 38, 41, 42) d'inclinaison opposée et une bague de section transversale en U (37, 43) mainte- nant ensemble les périphéries en contact desdites rondelles, lesdites parties annulaires (28, 29) du châssis et ladite structure statique (40, 45) com- portant des gradins annulaires (34, 39, 35, 44) dans lesquels s'engagent les périphéries libres des- dites rondelles en contact.