Brevet FR2499199A1 — publié le 19820806

La présente invention concerne un joint sans contact, et en particulier un joint sans contact à gaz entre composants statique et rotatif de machines, et par exemple de turboma- chines. L'expression de joint sans contact est utilisée pour désigner un type de joint dans lequel les organes d'étanchéi- té des composants statique et rotatif se faisant face tour- nent à proximité étroite l'un de l'autre, de manière à définir un jeu déterminant une résistance, mais non un blocage total au courant de fluide passant entre les deux composants. Dans le brevet britannique N0 1.540.843 est décrit un joint à frottement destiné à empêcher un courant de fluide de passer entre un composant rotatif et un logement contenant un fluide. Cependant, dans ce brevet, référence est faite à des joints à frottement du type à segments, les segments du joint disposé dans le logement comprenant des faces d'étanchéité disposées au regard d'une face d'étanchéité d'un composant rotatif, et les segments du joint flottant sur le fluide à la manière de "planches de surfing" étant soulevées de l'or- gane rotatif. Ce brevet fait également référence en général à un joint à gaz dans lequel le joint a une configuration lui permettant de réduire l'épaisseur du film du fluide en direc- tion de la rotation de l'organe rotatif pour engendrer déli- bérément ces forces de soulèvement. Un tel joint fonctionnerait alors comme un joint sans contact. On évite la fuite du gaz autour de la partie arrière des segments d'étanchéité au moyen d'un joint secondaire cons- titué entre les faces latérales en contact du logement et des segments de joint. Cependant, la Déposante a constaté que la quantité de soulèvement qui peut être engendrée au niveau des segments dé- pend de façon critique de la forme de l'interstice allant en diminuant ou en coin constitué entre chaque segment de joint, et la face d'étanchéité qui coopère avec lui, dans la mesure o des mouvements relativement très faibles entre les segments de joint et la face coopérant avec eux peut provoquer une per- te de soulèvement et entraîner un contact par frottement entre les deux composants. De façon similaire, les mouvements excentriques du 249919e composant rotatif à l'intérieur du composant statique sur le- quel les segments sont habituellement montés amènent le jeu du joint à se fermer en direction du mouvement, et à s'ouvrir sur le côté diamétralement opposé du composant rotatif, aug- mentant ainsi le jeu de fuite sur le côté diamétralement op- posé et modifiant la forme du jeu du joint en d'autres points autour du joint. Quand les différences de pression sont relativement éle- vées-des deux côtés du joint, par exemple ces différences de pression comprises entre 350 et 700 kPa que l'on constate de façon typique dans les turbomachines à gaz, et quand les vi- tesses de rotation des composants sont relativement élevées, ces problèmes rendent ce type de joint relativement ineffica- ce en tant que joint à gaz. Un objet de la présente invention est de proposer un joint sans contact perfectionné susceptible d'être utilisé dans une turbomachine à gaz pour constituer un joint résistant à des différences de pression relativement élevées et grâce auquel les inconvénients décrits ci-dessus sont réduits ou éliminés. Selon la présente invention, un joint sans contact des- tiné à réduire un courant de fluide entre des composants d'une machine tournant l'un par rapport à l'autre comprend un anneau d'étanchéité comportant une face d'étanchéité, l'anneau d'étan- chéité étant conçu pour être disposé, en fonctionnement, sur l'un des composants alors que sa face d'étanchéité est face à une face d'étanchéité coopérant avec elle et appartenant à l'autre composant, pour former un joint entre elles, des mo- yens pour disposer l'anneau d'étanchéité dans un logement en lui assurant une liberté de mouvement dans une direction per- pendiculaire auxdites faces d'étanchéité, l'anneau d'étanché- ité étant constitué par plusieurs segments, chacun comprenant une face comportant une région d'étanchéité et une région de soulèvement, la région d'étanchéité formant une partie de la face d'étanchéité de l'anneau, et d'autres moyens pour déter- miner un joint entre l'anneau et le logement, ledit joint étant caractérisé en ce que: La région de soulèvement de chaque segment s'étend 2 4 9 9 1 9 9 sensiblement de son extrémité avant à son extrémité arrière, l'extrémité avant de chaque segment comprend une sur- face prévue pour chevaucher une surface de l'extrémité arrière d'un segment adjacent de manière à déterminer un gradin entre les extrémités des segments adjacents, de sorte qu'en utilisa- tion, un interstice allant en se réduisant est déterminé entre au moins la région de soulèvement de chaque face de segment et la face d'étanchéité de l'autre organe qui est en regard, qui converge en direction de l'extrémité arrière de chaque segment, et des moyens sont prévus pour maintenir les positions cir- conférentielles relatives des segments tout en autorisant des mouvements en direction radiale des segments par rapport à ces positions. Grâce à ces moyens, les segments sont obligés de se dé- placer à l'unisson sans buter par leurs extrémités circonfé- rentielles lors de mouvements excentriques entre les deux com- posants quand ils fonctionnent, tout en autorisant des dilata- tions et des contractions relatives des deux composants. Les expressions "extrémité avant" et "extrémité arrière" appliquées aux segments doivent être comprises en relation avec le sens de rotation de l'organe rotatif. Selon un mode de réalisation du dispositif de l'inven- tion qui concerne un joint radial, les moyens pour disposer l'anneau d'étanchéité radialement dans le logement comprennent un ou plusieurs anneaux pistons disposés dans des gorges en alignement constituées dans la face latérale de chacun des seg- ments de l'anneau d'étanchéité. De préférence, la région de soulèvement du joint est é- quilibrée en pression en dirigeant le fluide à haute pression par l'interstice en coin vers le côté de la basse pression du joint par l'intermédiaire d'une gorge constituée dans la ré- gion de soulèvement. Grâce à ce moyen, on augmente la capaci- té de soulèvement de la région de soulèvement. Le logement peut former une partie du joint qui consti- tue alors un module séparé fixé à la machine, ou bien consti- tué sur la structure même de la machine. Les moyens pour maintenir les positions circonférentielle 2499 1 99 relatives des segments comprennent de préférence un anneau à taquets qui est enclenché dans le logement et dans chacun des segments. Des exemples de l'invention seront maintenant décrits plus particulièrement en référence aux dessins ci-annexés dans lesquels: Figure 1 est une vue en élévation avec coupe partielle de l'étage d'une turbine d'une turbomachine à gaz comprenant un joint selon la présente invention. Figure 2 est,à échelle agrandie,une vue suivant II-II de figure 1, Figure 3 est, à échelle agrandie, une vue en coupe sui- vant III-III de figure 2, Figure 4 est, à échelle agrandie, une vue en coupe sui- vant IV-IV de figure 2, Figure 5 est une vue en plan de la face d'étanchéité de l'un des patins constituant les segments, et Figure 6 est une vue en perspective éclatée d'un joint de face réalisé selon l'invention. La figure 1 montre un rotor de turbine d'une turbomachine à gaz comprenant un disque rotor 2 sur la périphérie duquel sont montées plusieurs aubes de turbine 4. Le disque peut tourner à l'intérieur d'un logement statique 6 et il porte un cylindre 8 s'étendant axialement et qui constitue la partie rotative d'un joint à gaz sans contact conçu pour réduire les fuites du fluide de travail à haute pression s'écoulant au travers de la structu- re de stator 9. Le cylindre 8 comprend une face 10 orientée ra- dialement vers l'extérieur et préparée pour constituer une sur- face d'étanchéité par un usinage de précision, et qui est, de préférence, -recouverte d'un revêtement à faible coefficient de friction. Un anneau d'étanchéité 12 est prévu à l'intérieur d'un logement annulaire 14 qui est boulonné a la structure de sta- tor adjacente 9. L'anneau 12 remplit sensiblement l'interstice entre la structure de stator 9 et le cylindre 8, de manière à constituer un joint. Si l'on se réfère maintenant aux figures 2 à 5, on peut voir que l'anneau d'étanchéité est divisé en segments qui 24 99 199 coopèrent de manière à définir une face 15 orientée radiale- ment vers l'intérieur. L'extrémité avant 20 de chaque segment est prévue pour chevaucher l'extrémité arrière du segment pré- cédent et les hauteurs des gradins des parties en chevauche- ment sont prévues de manière que ladite extrémité avant soit maintenue écartée de la face 10 du cylindre 8 d'une faible distance (par exemple 0,lmm), ce qui permet de créer un in- terstice en coin 19 entre la face 15 de l'anneau d'étanchéité et la face 10. La hauteur de l'interstice en coin décroit dans le sens de la rotation du disque rotor 2. Chaque segment comprend une face latérale 21 pouvant être usinée selon une forme très plate pour venir en contact avec une face latérale d'un logement et constituer un joint entre le logement 14 et l'anneau d'étanchéité 12. Le contact est maintenu entre les deux faces latérales par le fluide sous pression qui agit sur la face latérale opposée. Dans la pratique, les imprécisions de l'usinage rendent difficile la réalisation d'angles droits précis entre la face d'étanchéité 15 et la face latérale 21 de chaque segment et également entre les faces d'étanchéité 10 et la face latérale 22 du logement. Ainsi, les défauts d'alignement entre ces faces à angle droit peuvent exister du fait que la face latérale 21 est sollicitée en contact avec la face latérale 22 du logement par les gaz à haute pression, ces deux faces tendant à s'ali- gner, ce qui fait que tout défaut d'alignement se traduit par un basculement relatif entre les faces de soulèvement 10 et 15. Comme la quantité de soulèvement engendrée par les gaz dans l'interstice en coin entre les faces de soulèvement dépend de façon critique des faces restant parallèles en direction trans- versale, un défaut d'alignement peut provoquer un contact par frottement entre ces faces. Ainsi, dans le mode de réalisation préféré et représenté aux figures 2, 3 et 4, une plage 23 s'étendant comme une corde d'arc est prévue en travers de la face latérale 21 de chaque segment, en saillie sur la face latérale sur une faible hauteur comprise par exemple entre 0, 25 mm et 0,50 mm. La plage 23 agit comme un point d'appui autour duquel chaque segment peut basculer de manière à main- tenir le parallélisme entre les deux faces de soulèvement même si les angles entre les faces 15 et 21 ou entre les faces et 22 ne constituent pas des angles droits parfaitement corrects. Comme représenté à la figure 4, celle des deux surfaces en chevauchement des segments qui est la plus basse est bi- seautée pour déterminerun autre petit point d'appui permet- tant un léger basculement entre les segments. Les segments 16 sont également sollicités en direction de la face 10 du cylindre 8 par le fluide à haute pression qui agit sur les surfaces des segments qui font face radiale- ment vers l'extérieur. Comme dans le cas de mode de réalisa- tion destiné à une turbine à gaz, cet air à haute pression est dérivé des compresseurs du moteur, sa pression dépend de la vitesse du moteur. Ainsi, quand le moteur tourne à faible vitesse et quand la pression du film d'air engendré sous les segments est faible, la pression de l'air est également fai- ble à l'arrière des segments, ce qui fait que le joint s'équi- libre automatiquement et en proportion. Ceci est particuliè- rement avantageux au démarrage quand les segments sont en con- tact avec le rebord du fait qu'il n'y a pratiquement aucune pression de l'air s'exerçant sur les côtés arrière des seg- ments. Du fait que la pression s'exerçant à l'arrière des seg- ments agit contre la force de soulèvement appliquée aux seg- ments, il est nécessaire que la force de soulèvement engendrée en fonctionnement dépasse toujours légèrement la pression des gaz sollicitant les segments radialement vers l'intérieur. A cette fin, la face 15 de chaque segment est divisée par un canal 25 s'étendant circonférentiellement en une région d'étanchéité 24 et une région de soulèvement 26. Un évidement 28 permet au fluide de travail à haute pression provenant du côté haute pression-du joint d'atteindre le canal 25 pour équilibrer les pressions sur les deux côtés de la région d'étanchéité 26 et augmenter le pouvoir de soulèvement du joint. La force de sou- lèvement est engendrée par le fluide dans l'interstice 19 qui est entraîné dans le volume décroissant en direction de l'ex- trémité arrière du segment du fait de la rotation de la face d'étanchéité 10. Par commodité, la surface de la région d'étanchéité est constituée simultanément avec celle de la région de soulèvement de manière que les deux possèdent la même courbure et définissent des interstices allant en se réduisant et identiques avec la face d'étanchéité 10. Cepen- dant, il peut être souhaitable de former la surface de la ré- gion d'étanchéité selon une forme différente de manière qu'elle soit en saillie par rapport à la surface de la région de soulè- vement pour réduire encore plus les fuites de fluide par l'in- terstice. Des anneaux élastiques 30 sont prévus dans des évide- ments 32 en alignement et découpés dans chaque segment 16. Ceux-ci peuvent être conçus pour produire une force élastique dirigée radialement vers l'intérieur, vers l'extérieur ou même nulle sur les segments, en fonction de l'équilibre ou du manque d'équilibre entre la force dirigée radialement vers l'in- térieur des gaz à haute pression sur l'arrière des segments et la force de soulèvement dirigée radialement vers l'extérieur et engendrée par l'interstice allant en se réduisant. De plus, ces anneaux 30 servent à positionner les segments 16 radiale- ment et les maintenir en place quand le joint est retiré du cylindre 8. Les segments sont positionnés axialement au mo- yen d'un circlip 33. Pour rendre la configuration des segments optimale et produire un soulèvement maximum, on a constitué que le rapport entre la longueur et la largeur des segments doit être compris entre 3:1 et 2:1. Pour éviter que les segments se déplacent trop loin de façon indépendante en direction circonférentielle, on prévoit un anneau à taquets 34 muni de taquets 36 espacés, à raison d'un par segment et se disposant dans des découpes 37 prati- quées dans les segments. Ainsi, quand il y a une vibration du disque rotor 2, ou toute autre circonstance entrainant un mouvement excentrique du cylindre 8 par rapport au logement 14, le mouvement en direction externe et radiale de l'un quel- conque des segments provoqué par une augmentation de la pres- sion du fluide dans le film situé au-dessous,entraine l'an- neau à se déplacer vers l'extérieur. Ceci amène par ailleurs tous les segments à se déplacer dans la même direction à la suite du mouvement du cylindre 8 et à maintenir le profil de l'interstice entre chaque segment et le cylindre. On empêche l'anneau 34 de tourner par rapport-au logement au moyen d'un taquet anti-rotation 38, et ceci par voie de conséquence empêche une rotation relative-entre l'anneau d'étanchéité et le logement. Le taquet 38 est représenté par commodité par la partie entourée par un trait mixte sur la figure 4 qui est une section transversale partielle du taquet 38. Le mode de réalisation décrit concerne un joint radial destiné à rendre étanche un interstice radial entre des sur- faces cylindriques. Cependant, la construction de ce joint peut être facilement modifiée pour qu'il puisse agir en tant que joint facial tel que représenté à la figure 6, o les mêmes parties sont désignées par les mêmes références numéri- ques. Dans ce mode de réalisation, les segments 16 de l'an- neau d'étanchéité 12 sont disposés par exemple dans un loge- ment annulaire sur une structure fixe 9 adjacente, comprenant une ouverture faisant face axialement et destinée à permettre les mouvements axiaux de l'anneau d'étanchéité provoqués par les mouvements axiaux relatifs du disque de turbine et de la structure fixe qui lui est adjacente. Dans ce mode de réalisation, la forme des segments-est pratiquement la même que celle des modes de réalisation pré- cédents, à l'exception de la plage d'étanchéité étroite qui forme le joint secondaire et qui est dans ce cas circonf6- rentielle, comme représenté en 40. Les moyens de positionnement qui sont représentés coin- prennent de légers organes à ressort 42 découpés à partir d'un anneau à ressort 44 et qui sollicitent légèrement les segments 16 en direction du disque rotor pour faciliter le démarrage, et qui comprennent des taquets 46 constituant les moyens des- tinés à maintenir les positions circonférentielles ralatives des segments. Bien que l'invention ait été décrite en référence à des joints entre parties statique et rotative d'une machine, le principe du fonctionnement serait le même si la rotation rela- tive était produite par deux parties en rotation. Ainsi, unt 24 99199 joint selon la présente invention pourrait être utilisé en tant que joint entre des arbres tournant en sens contraire, ou-même entre des arbres tournant dans le même sens mais à des vitesses différentes. Cependant, dans ces modes de réali- sation, il faut tenir compte des forces centrifuges agissant sur les segments. Z499199 - REVENDICATIONS - 1. - Joint sans contact destiné à réduire un courant de fluide entre des composants d'une machine tournant l'un par rapport à l'autre, comprenant un anneau d'étanchéité(12)compor- tant une face d'étanchéité (15), l'anneau d'étanchéité (12) étant conçu pour être disposé,en fonctionnement, sur l'un (9) des composants alors que sa face d'étanchéité (15) est face à une face d'étanchéité (10) coopérant avec elle et appartenant à l'autre (8) composant, pour former un joint entre elles, des moyens pour disposer l'anneau d'étanchéité (12) dans un loge- ment (14) en lui assurant une liberté de mouvement dans une di- rection perpendiculaire auxdites faces d'étanchéité, l'anneau d'étanchéité (12) étant constitué par plusieurs segments (16), chacun comprenant une face comportant une région d'étanchéité (24) et une région de soulèvement (26), la région d'étanchéité (24) formant une partie de la face d'étanchéité de l'anneau (12) et d'autres moyens pour déterminer un joint entre l'anneau (12) et le logement (14), caractérisé en ce que La région de soulèvement (26) de chaque segment (16) s'é- tend sensiblement de son extrémité avant à son extrémité arrière, l'extrémité avant (20) de chaque segment (16) comprend une surface prévue pour chevaucher une surface de l'extrémité arrière d'un segment (16) adjacent de manière à déterminer un gradin entre les extrémités des segments adjacents, de telle sorte qu'en utilisation, un interstice (19) allant en se rédui- sant est déterminé entre au moins la région de soulèvement (26) de chaque face de segment (16) et la face d'étanchéité (10)de l'autre organe (8) qui est en regard, interstice (19) qui converge en direction de l'extrémité arrière de chaque segment (16), et des moyens sont prévus pour maintenir les positions cir- conférentielles relatives des segments (16) tout en autorisant des mouvements en direction radiale des segments par rapport à ces positions. 2. - Joint sans contact selon la revendication 1, carac- térisé en ce que les moyens pour maintenir les positions cir- conférentielles relatives des segments (16) comprennent un an- neau (34) lié au moyen de taquets (38, 36) au logement.(14) et à chacun des segments. 3. - Joint sans contact selon la revendication 1 ou la revendication 2, caractérisé en ce que le logement (14) forme une partie du joint qui est fixé à la machine en tant que mo- dule. 4. - Joint sans contact selon la revendication 1 ou la revendication 2, caractérisé en ce que le logement (14) forme une partie de la structure de la machine et en ce que l'anneau d'étanchéité (12) est assemblé à l'intérieur. 5. - Joint sans contact selon l'une quelconque des re- vendications précédentes, caractérisé en ce que l'anneau d'é- tanchéité (12) est disposé sur un composant statique (9) de la machine et en ce que la face d'étanchéité (15) est en regard de la face d'étanchéité (10) d'un composant rotatif (8). 6. - Joint sans contact selon l'une quelconque des re- vendications 1 à 4, caractérisé en ce que l'anneau d'étanchéi- té (12) est disposé sur un composant rotatif de la machine. 7. - Joint sans contact selon l'une quelconque des re- vendications précédentes, caractérisé en ce que le joint est un joint radial et en ce que les moyens pour positionner l'an- neau d'étanchéité (12) dans le logement comprennent au moins un anneau-piston (30) disposé dans des gorges (32) en aligne- ment de chaque segment (16). 8. - Joint sans contact selon l'une quelconque des re- vendications précédentes, caractérisé en ce qu'un évidement (28) est prévu dans la région de soulèvement (24) de la face d'étanchéité (15) de chaque segment (16) pour permettre au fluide situé sur le côté haute pression du segment de commu- niquer avec un canal circonférentiel (25) pratiqué sur le c'té basse pression de la région de soulèvement pour équilibrer en pression la région de soulèvement. 9. - Joint sans contact selon l'une quelconque des re- vendications 1 à 8, caractérisé en ce qu'il comporte des mo- yens pour constituer un joint à fluide entre l'anneau d'étan- chéité (12) et le logement (14) comprenant une plage étroite (23) sur cette face latérale (21) de chacun des segments (16) qui est disposée sur le côté basse pression de l'anneau d'é- tanchéité (12), cette plage (23) venant en contact avec une face d'étanchéité en regard (22) du logement (14) et détermi- nant un point d'appui pour permettre le basculement de chaque segment (16) par rapport au logement (14) et au moins l'une des surfaces en chevauchement des segments (16) a un contour lui permettant de déterminer un second point d'appui permet- tant à ce mouvement de bascule d'avoir lieu. 10. - Joint sans contact selon la revendication 9, carac- térisé en ce que le joint est un joint radial comprenant des faces latérales s'étendant radialement et en ce que la plage étroite (23) s'étend comme une corde d'arc le long de chaque segment (16). 11. - Joint sans contact selon la revendication 9, carac- térisé en ce que le joint est un joint de face comprenant des faces latérales axiales et en ce que la plage étroite (23) s'étend circonférentiellement autour de chaque segment (16). 12. - Joint sans contact selon l'une quelconque des re- vendications précédentes, caractérisé en ce qu'il est appliqué à une turbomachine à gaz.