Brevet FR2499198A1 — publié le 19820806

La présente invention concerne un joint sans contact, et en particulier un joint sans contact à gaz entre compo- sants statique et rotatif de machines, et par exemple de turbomachines. L'expression de joint sans contact est utili- sée pour désigner un type de joint dans lequel les organes d'étanchéité des composants statique et rotatif se faisant face tournent à proximité étroite l'un de l'autre de manière à définir un jeu déterminant une résistance mais non un blo- cage total au courant de fluide passant entre les deux com- posants. Dans le brevet britanique NI 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 conte- nant un fluide. Cependant, dans ce brevet, référence est faite à des joints à frottement du type à segments, les seg- ments 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 soule- vés de l'organe rotatif. Ce brevet fait également référence en général à un joint à gaz dans lequel le joint a une confi- guration lui permettant de réduire l'épaisseur du film du fluide en direction de la rotation de l'organe rotatif pour engendrer délibérément 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. Pour être certain qu'il n'y ait pas de contact par frot- tement, quelles que soient les circonstances pendant le fonc- tionnement avec un tel joint, une nécessité critique consiste dans le fait que les faces en regard des segments et du com- posant rotatif, entre lesquelles sont engendrées dans le flui- de des forces de soulèvement, restent parallèles dans la di- rection perpendiculaire à la direction de leur rotation rela- tive. Cependant, les faces de soulèvement en regard et les faces latérales en regard sont à angle droit les unes par rapport aux autres, et du fait que les faces latérales en re- gard qui forment le joint secondaire sont sollicitées préfé- rentiellement en engagement par l'effet du fluide à haute pres- sion sur les faces latérales opposées, tout défaut d'aligne- ment entre les faces à angle droit empêche l'établissement de cette disposition parallèle des faces de soulèvement. Un objet de la présente invention est de proposer un joint à fluide sans contact grâce auquel ces défauts d'aligne- ment entre faces différentes puissent être compensés sans qu'il y ait d'effet sur la disposition en parallèle des faces de sou- lèvement. 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 moyens pour disposer l'anneau d'étanchéité dans un logement en lui assurant une liberté de mouvement dans une direction perpendi- culaire auxdites faces d'étanchéité, l'anneau d'étanchéité é- tant constitué par plusieurs segments, chacun comprenant une face comportant une région d'étanchéité et une région de sou- lèvement, la région d'étanchéité formant une partie de la face d'étanchéité de l'anneau, et d'autres moyens pour déterminer un joint'entre l'anneau et le logement, ledit Joint étant carac- térisé en ce que: la région de soulèvement de chaque segment s'étend de son extrémité avant à son extrémité arrière. l'extrémité avant de chaque segment comprend une surface 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 telle sorte qu'en utili- sation, un interstice allant en se réduisant est déterminé en- tre au moins la région de soulèvement de chaque face de seg- ment et la face d'étanchéité de l'autre organe qui est en re- gard, qui converge en direction de l'extrémité arrière de chaque segment, les moyens pour constituer un joint à fluide entre l'an- neau d'étanchéité et le logement comprennent une plage étroite sur cette face latérale de chacun des segments qui est dispo- sée sur le côté basse pression de l'anneau d'étanchéité, cette plage venant en contact avec une face d'étanchéité en regard du logement et déterminant un point d'appui pour permettre le basculement de chaque segment par rapport au logement, et au moins l'une des surfaces en chevauchement des segments a un contour lui permettant de déterminer un second point d'appui permettant à ce mouvement de bascule d'avoir lieu. Grâce à ces moyens, ni les faces du joint secondaire ni celles des surfaces des segments en chevauchement ne coiisti- tuent un empêchement à l'alignement des surfaces de soulève- ment en regard quand l'anneau d'étanchéité est exposé à la pression du fluide en fonctionnement. Dans le cas d'un joint radial, c'est-à-dire quand les faces de soulèvement s'étendent à la fois axialement et cir- conférentiellement et quand les faces latérales sont radiales, la plage étroite s'étend suivant une corde d'arc le long de chaque segment. dais quand le joint est un joint de face et quand les faces de soulèvement sont radiales, la plage étroite s'étend circonférentiellement autour de chaque segment. 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 turboma- chine 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'é- coulant au travers de la structure de stator 9. Le cylindre 8 comprend une face 10 orientée radialement vers l'extérieur et préparée pour constituer une surface 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 à la structure de sta- tor adjacente 9. L'anneau 12 remplit sensiblement l'intersti- ce 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 co- opèrent de manière à définir une face 15 orientée radialement vers l'intérieur. L'extrémité avant 20 de chaque segment est prévue pour chevaucher l'extrémité arrière du segment précé- dent et les hauteurs des gradins des parties en chevauchement sont prévues de manière que ladite extrémité avant soit main- tenue écartée de la face 10 du cylindre 8 d'une faible distan- ce (par exemple 0,lmm), ce qui permet de créer un interstice 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'iu-inage 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 la- térale sur une faible hauteur comprise par exemple entre 0,25m et 0,50mm. La plage 23 agit comme un point d'appui autour du- quel chaque segment peut basculer de manière à maintenir le parallélisme entre les deux faces de soulèvement même si les angles entre les faces 15 et 21 ou entre les faces 10 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 biseau- tée pour déterminer un autre petit point d'appui permettant 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 radialement vers-l'extérieur. Comme dans le cas de mode de réalisation des- tiné 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 faible à l'ar- rière des segments, ce qui fait que le joint s'équilibre auto- matiquement et en proportion. Ceci est particulièrement avan- tageux au démarrage quand les segments sont en contact avec le rebord du fait qu'il n'y a pratiquement aucune pression de l'air s'exerçant sur les côtés arrière des segments. 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 ca- nal 25 s'étendant circonférentiellement en une région d'étan- chéité 24 et une région de soulèvement 26. Un évidement 28 per- met au fluide de travail à haute pression provenant du côté haute pression du joint d'atteindre le canal 25 pour équili- brer les pressions sur les deux cotés de la région d'étanché- ité 26 et augmenter le pouvoir de soulèvement du joint. La force de soulèvement est engendrée par le fluide dans l'inters- tice 19 qui est entraîné dans le volume décroissant en direc- tion de l'extrémité 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 sou- lèvement pour réduire encore plus les fuites de fluide par l'interstice. Des anneaux élastiques 30 sont prévus dans des évide- ments 32 en alignement et découpés dans chaque segment i6. 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. man- que 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'exté- rieur et engendrée par l'interstice allant en se réduisant. De plus, ces anneaux 30 servent à positionner les segments 16 radialement et les maintenir en place quand le joint est 24 99 198 retiré du cylindre 8. Les segments sont positionnés axiale- ment au moyen d'un circlip 33. Pour rendre la configuration des segments optimale et produire un soulèvement maximum, on a constaté que le rapport entre la longueur et la largeur des segments doit être com- pris 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 entraînant 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 ducylindre 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 em- pêche 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 fi, o) les mê- mes parties sont désignées par les mêmes références nurnéri- ques. Dans ce mode de réalisation, les segments 16 de l'anneau d'étanchéité 12 sont disposés par exemple dans un logement 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 n 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 circonféren- tielle, comme représenté en 40. Les moyens de positionnement qui sont représentés com- 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 destinés à maintenir les positions circonférentielles relatives des segments. Bien que l'invention ait été décrite en référence à des joints entre parties statique et rotative diune machine, le principe du fonctionnement serait le même si la rotation re- lative était produite par deux parties en rotation. Ainsi, un joint selon la présente invention pourrait être utilisé en tant que joint entre des arbres tournant en sens contrai- re, ou même entre des arbres tournant dans le même sens mais à des vitesses différentes. Cependant, dans ces modes de ré- alisation, il faut tenir compte des forces centrifuges agis- sant sur les segments. - 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) comportant 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 logement (14) en lui assurant une liberté de mouvement dans une direction perpendiculaire auxdites faces d'étanchéité, l'anneau d'étanchéité (12) étant constitué par plusieurs segments (16), chacun comprenant une face compor- tant une région d'étanchéité (24) et une région de soulève- ment (26), la région d'étanchéité (24) formant une partie de la face d'étanchéité (15) de l'anneau (12), et d'autres mo- yens pour déterminer un joint entre l'anneau (12) et le loge- ment (14), caractérisé en ce que: la région de soulèvement (26) de chaque segment (16) s'étend à partir de son extrémité avant jusqu'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 ré- duisant 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), les moyens pour constituer un joint à fluide entre l'an- neau d'étanchéité (12) et le logement (14) comprennent 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'étanchéité (12), cette plage (23) venant en con- tact avec une face d'étanchéité en regard (22) du logement 2499Mt (14) et déterminant un point d'appui pour permettre le bas- culement 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 permettant à ce mouvement de bascule d'avoir lieu. 2. - Joint sans contact selon la revendication 1, ta- ractérisé 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). 3. - Joint sans contact selon la revendication 1, ca- ractérisé 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).