Brevet FR2512112A1 — publié le 19830304

i La présente invention concerne, d'une manière générale, des améliorations apportées aux moteurs à turbine à gaz et, plus particulièrement, aux joints d'étanchéité tournants utilisés dans ces moteurs. Dans les moteurs à turbine à gaz, on utilise communé- ment, en vue de faciliter l'orientation des débits d'air de service des moteurs, des joints d'étanchéité tournants du type à labyrinthe, comprenant une ou plusieurs dents péri- phériques dont une partie est en contact avec une surface circulaire d'étanchéité sur une autre pièce, les deux pièces ou éléments pouvant tourner l'un par rapport à l'autre Des joints d'étanchéité de ce type sont utilisés pour réduire la circulation d'air à l'intérieur des cavités constituées en- tre osrganesfixes et tournants du moteur sans empêcher le mouvement de rotation de l'organe tournant En outre, des joints tournants ont été utilisés pour aider à l'équilibrage des charges principales de poussée axiale des paliers du mo- teur. L'un des inconvénients des joints d'étanchéité de ce type tient à ce qu'ils sont formés de composants relative- ment complexes dont le coût d'usinage est élevé et l'assem- blage difficile De plus, certaines des pièces de l'ensemble du joint d'étanchéité font saillie dans des cavités fixes avoisinantes La rotation rapide du joint d'étanchéité tour- nant par rapport à l'air contenu dans la cavité fixe provo- que l'échauffement de celui-ci par suite du frottement sur l'air engendré par les pièces en saillie En outre, du fait de leur structure relativement complexe, les joints d'étan- chéité tournants de l'art antérieur ont une dimension ou longueur radiale minimale relativement grande soumise à des contraintes thermiques dues au gradient thermique radial présent dans les moteurs à turbine à gaz Cette dimension radiale minimale relativement grande a pour autre conséquen- ce de limiter la souplesse dans l'utilisation d'un joint d'étanchéité tournant pour l'équilibrage des charges princi- pales de poussée axiale des paliers du moteur, étant donné que le concepteur est limité à une certaine aire minimale du disque du joint d'étanchéité tournant. En conséquence, l'un des objets de la présente inven- tion est de fournir un joint d'étanchéité tournant compre- nant un nombre minimum de composants dont l'usinage soit relativement bon marché et l'assemblage facile. La présente invention a pour autre objet de fournir un joint d'étanchéité tournant qui provoque un accroissement minimal de la température de l air ambiant par suite du frottement sur l'air. Un autre objet de la présente invention est de fournir un joint d'étanchéité tournant ayant un circuit d'air actif réduisant les contraintes thermiques dues aux gradients thermiques. La présente invention a aussi pour autre objet de four- nir un joint d'étanchéité tournant doté d'un circuit d'air actif réduisant la constante de temps thermique de l'alésa- ge du disque du joint d'étanchéité et, par conséquent, le gradient thermique entre alésage du disque et couronne du joint pendant le fonctionnement transitoire du moteur à turbine à gaz. La présente invention concerne un joint d'étanchéité tournant pour utilisation dans un moteur à turbine à gaz, comprenant un disque central alésé, ayant une circonférence interne, et une partie d'étanchéité destinés à diminuer le débit de gaz venant le percuter; un circuit de gaz actif, destiné à réduire les contraintes thermiques entre le seg- ment de disque d'alésage central et la partie d'étanchéité comprenant un moyen pour dévier au moins une partie du gaz d'impact à travers une partie au moins du segment de disque à alésage central via sa circonférence interne. La suite de la description se réfère aux figures anne- xées qui représentent respectivement: Figure 1, une vue en coupe partielle d'une partie de moteur à turbine à gaz, à l'arrière du compresseur haute pression, et Figure 2, une partie de la figure 1. En se référant aux figures 1 et 2, on voit une coupe partielle d'un joint d'étanchéité tournant suivant la pré- sente invention, désigné globalement par 10 Dans la réali- sation recommandée, le joint d'étanchéité tournant 10 est fixé sur un moyeu conique arrière 12 du compresseur haute pression d'un moteur à turbine à gaz Le dernier étage d'aubes 13 du compresseur haute pression est repré- senté sur la figure 1 Le joint d'étanchéité tournant 10 comprend une partie d'étanchéité de décharge du compresseur 14 disposée suivant la circonférence externe ou couronne d'une pièce en forme de disque 16 présentant une partie centrale alésée 18 La pièce en forme de disque 16 est pro- longée par une partie d'étanchéité 20 La partie d'étanché- ité de décharge du compresseur 14 est du type à labyrinthe, bien connu dans l'art des joints d'étanchéité tournant et possédant, dans la réalisation recommandée, six dents 22, disposées sur la circonférence externe de la partie d'étan- chéité de décharge du compresseur 14 La partie d'étanchéi- té 20 est aussi du type à labyrinthe, munie de cinq dents 24, dans sa réalisation recommandée, disposées sur sa cir- conférence externe. Un premier anneau brisé d'amortissement de 3600, en fil métallique 26, et un second anneau similaire 28, sont insérésrespectivement dans une première encoche 30 et une deuxième encoche 32, pratiquées dans la surface cylindrique interne de la partie d'étanchéité de décharge du compresseur 3 o O 14 du joint d'étanchéité, près des extrémités de la dite surface interne Ces encoches ont une profondeur suffisante pour assurer la bonne retenue des anneaux brisés d'amortis- sement Un rebord 34 prolonge la surface interne de la par- tie d'étanchéité de décharge du compresseur 14 à l'extrémité avant de la première encoche 30 Un troisième anneau brisé d'amortissement de 3600 en fil métallique 40 est monté dans une encoche 42 pratiquée dans la surface interne de la par- tie d'étanchéité 20, à l'opposé des dents 24, l'encoche ayant une profondeur suffisante pour permettre la bonne re- tenue de l'anneau d'amortissement. Le joint d'étanchéité tournant 10 est monté sur une bride 36 à l'extrémité d'un bras cylindrique 38, prolonge- ment du moyeu conique vers l'arrière 12, au moyen de bou- lons 44 Ce montage étant réalisé, l'intervalle radial en- tre le rebord 34 et le bras cylindrique 38 est inférieur au diamètre du premier anneau d'amortissement 26, ce qui four- nit un moyen supplémentaire de retenue de ce premier anneau d'amortissement 26 - Chaque boulon 44 est doté d'une tête basse 46 à son l 5 extrémité contiguë à la surface du disque 16 d'o part la partie d'étanchéité 20 Le boulon se visse dans un écrou de boulon indesserrable 47, muni d'un crochet anti-rotation 48 dont l'extrémité vient s'appuyer sur le diamètre interne de la bride 36 Dans la réalisation recommandée, le joint. d'étanchéité tournant 10 est fixé sur la bride 36 au moyen de cinquante quatre boulons à tête basse 44 et écrous de boulon indesserrables 47 avec crochet anti-rotation 48 Une fois monté, le joint d'étanchéité tournant 10 forme, con- jointement avec le bras cylindrique 38 et le moyeu conique a rrière 1 12, une cavité rotorique pratiquement fermée Une saillie axiale 52 prolonge le moyeu conique arrière 12 Dans la configuration assemblée, la circonfé- rence interne de la partie de disque alésée 18 du joint d'étanchéité tournant 10 est placée face à la saillie axia- le 52 dont elle est séparée par un intervalle radial prédé- terminé 53 Dans la réalisation recommandée, l'intervalle radial 53 est de 0,127 mm à froid. _ Le moyeu conique arrière 12 comprend plusieurs orifices 54 placés sous la saillie axiale 52 Dans la réa- lisation recommandée, vingt orifices semblables à celui qui est représenté sur la figure 1, sont disposés autour du moyeu conique arrière 12 En outre, plusieurs orifi- ces 56 sont pratiqués dans le bras cylindrique 38 du moyeu conique arrière 12 Dans la réalisation recommandée, quatre orifices 56 semblables à celui qui est représenté sur la figure 1 sont disposés autour du bras cylindrique 38. Les six dents 22 de la partie d'étanchéité de décharge du compresseur 14 du joint d'étanchéité du type à labyrinthe viennent en con- tact, en assurant l'étanchéité, avec une première surface circonférentielle en gradins 58 fixée sur une première piè- ce fixe 60 du bâti Les cinq dents 24 de la partie d'étan- chéité 20 viennent en contact, en assurant l'étanchéité, avec une seconde surface circonférentielle 62 fixée sur une seconde pièce fixe 64 du bâti. L'ensemble du joint d'étanchéité tournant fonctionne ccame expliqué ciaprès L'air provenant de la partie décharge du compresseur haute pression du moteur à turbine à gaz si- gnalé par les flèches "A", circule d'une aube directrice de sortie 66 vers une chambre de combustion (non représentée). Cet air à haute pression est porté à une température pouvant atteindre 593 WC et une partie de l'air à haute pression, haute température A passe dans une première cavité 68 (voir figure 1) Les dents 22 de la partie d'étanchétité de dé- charge du compresseur 14 du joint d'étanchéité tournant 10, assurant l'étanchéité conjointement avec la surface d'étan- chéité à gradins 58, s'oiposentau passage de l'air à haute pression A dans une seconde cavité 70 (voir figure 1), créant ainsi une zone de haute pression du côté avant (côté gauche sur les figures 1 et 2) du joint d'étanchéité tournant 10 par rapport à la pression existant du côté arrière (côté droit sur les figures 1 et 2) de ce joint En outre, de l'air à haute pression et haute température A pénètre dans la cavité rotorique pratiquement fermée 50 par les orifices radiaux 56 pratiqués dans le bras cylindrique 38 De là, l'air s'introduit dans une troisième cavité 71 par l'inter- valle radial 53 En passant dans cet intervalle 53, l'air est accéléré à grande vitesse produisant un coefficient de transfert de chaleur élevé entre l'air et l'alésage du dis- que 18 Ceci provoque, à son tour, la réduction de la cons- tante de temps thermique de l'alésage du disque 18 et réduit le gradient thermique entre alésage du disque 18 et couronne du joint d'étanchéité 22 qui a une réponse thermique très rapide en fonctionnement transitoire La réduction du gra- dient thermique se traduit par une diminution des contrain- tes thermiques Il faut noter que la température de l'air provenant de la partie décharge du compresseur varie en fonction du développement de la poussée du moteur à turbine à gaz Cependant, étan donné que l'air B d'activation du disque circulant dans l'intervalle radial 53, est composé d'une fraction de l'air A en provenance de la partie décharge du compresseur et que les deux ont des températures comparables, le gradient thermique à travers le joint d'étanchéité tour- nant 10 sera toujours diminué quelle que soit la température de l'air provenant de la partie décharge du compresseur. L'air de refroidissement à environ 260 'C ou moins cir- cule à travers l'alésage du compresseur (non représenté) constitué en partie du moyeu conique vers l'arrière 12 Cet air de refroidissement passe de l'avant à l'arrière à tra- vers les orifices 54 du moyeu conique comme l'indiquent les flèches "C" L'air de refroidissement C de l'alésage du com- presseur se mélange à l'air d'activation B de l'alésage du disque sur le côté arrière (droit) du moyeu conique 12 comme représenté sur les figures 1 et 2 Ensuite, ce mélange d'air est rejeté Etant donné que la différence des températures entre l'air de refroidissement de l'alésage du compresseur et de l'air d'activation du disque est relativement élevée, la saillie axiale 52 sert également à dévier l'air de re- froidissement C de l'alésage du compresseur en l'éloignant de la partie d'alésage du disque 18 du joint d'étanchéité tournant 10, ce qui a pour conséquence de réduire au minimum l'effet de refroidissement de cet air sur la partie d'alé- sage du disque 18 Cette caractérisitique de l'ensemble du joint de la présente invention assure, en outre, que la température de la partie d'alésage du disque 18 reste com- parable à celle de la partie décharge du compresseur 14 du joint d'étanchéité ce qui réduit le gradient de température le long de la dimension radiale du joint d'étanchéité tour- nant 10. En fonctionnement, le joint d'étanchéité tournant 10 tourne autour de son axe, représenté par la ligne d'axe D sur les figures 1 et 2, à des vitesses élevées Etant donné que la seconde cavité 70 est constituée en partie par le joint d'étanchéité tournant 10 et en partie par le bâti fixe comprenant les première et seconde pièces de bâti fixe 60 et 64, l'air à l'intérieur de la seconde cavité 70 se dé- place à vitesse relativement lente par rapport à la vites- se du joint d'étanchéité tournant 10 En conséquence, la rotation à grande vitesse du joint tournant 10 induit un échauffement par frottement sur l'air dans la seconde cavi- té 70 Cet échauffement par frottement est sensiblement ré- duit par l'utilisation de boulons avec tête basse 44 dans le joint tournant 10 de la présente invention ce qui réduit au minimum l'échauffement par frottement sur l'air de la bride Etant donné que toute la structure constituant la cavité rotorique fermée 50 tourne en même temps, il existe une différence de vitesse minimale entre l'air de la cavité rotorique fermée 50 et le bâti environnant C'est pourquoi les écrous de boulon indesserrables 47 et le crochet anti- rotation 48, même s'ils se prolongent largement dans la cavité 50 ne provoquent qu'un échauffement minimal par frottement sur l'air ou pas d'échauffement du tout Cette ca- ractéristique de la conception du joint d'étanchéité tournant de la présente invention permet également d'utiliser des boulons de différentes longueurs afin de faciliter l'équi- librage du rotor. Outre la réduction de l'échauffement par frottement sur l'air, l'utilisation de boulons avec tête basse, con- formément à la présente invention, supprime la nécessité de prévoir un rebord anti-frottement sur l'air au-dessus des têtes des boulons ce qui facilite l'accès pour le montage et le démontage normaux ainsi que pour le meulage des têtes de boulons dans le cas de grippage de l'écrou indesserrable. Comme indiqué plus haut, les joints d'étanchéité tour- nants sont aussi utilisés, quelquefois, pour équilibrer les charges de poussée axiale dans les moteurs à turbine à gaz. La relation spatiale axiale fixée entre structure tournante et structure fixe est maintenue par les paliers de butée (non représentés) Dans un moteur à turbine à gaz, le com- presseur a tendance à exercer une force vers l'avant par rapport à la structure fixe alors que la turbine tend à exercer une force vers l'arrière par rapport à la structure fixe Afin de réduire au minimum les charges sur les paliers de butée, il est souhaitable d'équilibrer les forces réelles exercées par le compresseur et la turbine Une manière de réaliser ceci, consiste à concevoir le joint d'étanchéité tournant de telle sorte que l'air à haute pression provenant de la sortie haute pression du compresseur, qui s'évacue dans la seconde cavité 70 située en arrière du joint tournant 10, exerce sur ce joint une force orientée vers l'avant par rap- port àla structure fixe, ce qui équilibrerait la force exer- cée vers l'arrière par la turbine (non représentée) Etant donné que la force est égale au produit de la pression par la surface, que la pression dans la seconde cavité 70 est fonction de la poussée du moteur à turbine à-gaz, et que la différence des forces entre compresseur et turbine est aussi fonction de la poussée du moteur, il est possible de concevoir un joint d'étanchéité tournant ayant une surface de disque connue qui équilibrerait les forces axiales dans la plupart des conditions de poussée En utilisant la structure simple du joint d'étanchéité tournant de la présente invention, le concepteur dispose d'une souplesse relativement grande pour déterminer une surface de disque du joint d'étanchéité tour- nant qui, sous l'action de l'air à haute pression de la ca- vité arrière, équilibre les charges axiales dans la plupart des conditions de poussée. On peut voir, d'après la description qui précède, que le joint d'étanchéité tournant de la présente invention, bien que demandant un nombre minimum de pièces dont l'usina- ge est relativement peu onéreux, constitue un joint d'étan- chéité moins sujet aux contraintes thermiques, provoque moins l'échauffement de l'air ambiant par frottement sur cet air et offre plus de souplesse dans la compensation d'équilibrage des charges de poussée axiale que les joints d'étanchéité tournants de l'art antérieur. REVENDICATIONS 1 Joint d'étanchéité tournant pour utilisation dans un moteur à turbine à gaz, caractérisé en ce qu'il comprend: une partie centrale alésée ( 16), présentant une circonféren- ce interne, et une partie d'étanchéité ( 20) destinée à limiter le débit du gaz venant la percuter; un circuit de gaz actif destiné à réduire les gradients thermiques entre la partie centrale alésée ( 16) et la partie d'étanchéité ( 20), ledit circuit de gaz actif comprenant un moyen ( 53) pour dévier au moins une partie du gaz d'impact à travers une partie ( 18) au moins de la partie centrale alésée de l'autre côté de sa circonférence interne. 2 Dans un moteur à turbine à gaz, méthode de réduc- tion des contraintes thermiques dans un joint d'étanchéité tournant ( 10) pour réduire le débit de gaz à haute tempéra- ture en provenance d'une première cavité ( 68), de pièces intermédiaires tournante ( 12) et fixe ( 60) du moteur et d'une deuxième cavité au moins, ce joint d'étanchéité com- prenant une pièce en forme de disque présentant une partie centrale alésée ( 16) et une partie circonférentielle d'étan- chéité ( 20); méthode caractérisée en ce qu'elle consiste à a) former une cavité pratiquement fermée ( 50) compre- nant une partie de la pièce en rotation ( 12) et une partie du disque ( 16) de joint d'étanchéité tournant, l'alésage ( 18) de ce disque étant situé à une distance prédéterminée par rapport à la pièce en rotation ( 12) en vue de laisser un in- tervalle ( 53) entre les deux; et b) orienter au moins une partie du débit de gaz à haute température au-delà du joint d'étanchéité, vers ladite cavité fermée ( 50) et à travers l'intervalle précité ( 53). 3 Joint d'étanchéité tournant pour utilisation sur un moteur à turbine à gaz en vue de limiter le débit du gaz à haute température provenant d'une première cavité ( 68), de pièces intermédiaires tournante ( 12) et fixe ( 60) du mo- teur et d'une seconde cavité au moins, caractérisé en ce il qu'il comprend une pièce en forme de disque ( 16) comprenant un alésage central ( 18) disque présentant une circonférence interne et une partie d'étanchéité ( 20), un circuit de gaz actif pour limiter les gradients thermiques entre la partie centrale ( 16) alésée et la partie d'étanchéité ( 20), ledit circuit de gaz actif comprenant un moyen pour dévier une partie au moins du gaz à haute température à travers une partie au moins de la partie centrale alésée ( 16), au-delà. de sa circonférence interne. 4 Joint d'étanchéité tournant selon la revendication 3, caractérisé en ce que le moyen de déviation d'au moins une partie du gaz à haute température à travers une partie au moins de la partie centrale alésée, au-delà de sa circon- férence interne, comprend une cavité pratiquement fermée ( 50) constituée d'une partie de la pièce tournante ( 10) et d'une partie du disque ( 16) du joint d'étanchéité tournant ( 10), la circonférence interne de la partie centrale alésée étant située à une distance prédéterminée par rapport à la pièce tournante;, en vue de laisser un intervalle ( 53) entre les deux, ladite cavité fermée ( 50) disposant d'au moins un ori- fice ( 56). Ensemble de joint-d'étanchéité tournant caractérisé en ce qu'il comporte: a) une partie tournante comprenant (i) une pièce de forme essentiellement conique ( 12) présentant une surface externe; (ii) un bras essentiellement cylindrique ( 38), prolongeant ladite surface externe et ayant une bride ( 36) à son extrémité distale; et (iii) une saillie essentiellement cylindrique ( 52), prolongement de la surface externe; b) une partie ayant pratiquement la forme d'un disque ( 16) présentant une partie pour l'étanchéité, disposée au- tour de sa circonférence externe, et un alésage ( 18) dans sa partie centrale; c) des moyens de fixation ( 44,46,47) de la partie en foren de disque 16) sur la bride ( 36), la périphérie de l'alésage étant disposée à une distance prédéterminée par rapport à la sail- lie ( 52) en vue de laisser un intervalle ( 53) entre les deux; et d) une cavité essentiellement fermée ( 50) constituée d'au moins une partie de la partie tournante( 12) et d'une partie de la partie en forme de disque ( 16). 6 Ensemble de joint d'étanchéité tournant, selon la revendication 1, caractérisé en ce que la partie d'étanché- ité ( 14) consiste en un joint à labyrinthe ayant au moins une dent ( 22). 7 Ensemble de joint d'étanchéité tournant, selon la revendication 2, caractérisé en ce que la partie assurant l'étanchéité ( 14) comprend un joint à labyrinthe doté de six dents ( 22). 8 Ensemble de joint d'étanchéité tournant, selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comprend, en outre, un bras essentiellement cylindrique ( 38)de support de joint, rattaché à une surface de la partie en forme de disque ( 16) à l'opposé de la cavité fermée ( 50), ce bras support de joint étant muni d'une seconde partie ( 20) du joint d'étanchéité à son extrémité distale. 9 Ensemble de joint d'étanchéité tournant, selon la revendication 4, caractérisé en ce que la seconde partie du joint ( 20) est constituée d'un joint à labyrinthe doté d'au moins une dent ( 24). Ensemble de joint d'étanchéité tournant, selon la revendication 5, caractérisé en ce que la seconde partie du joint ( 20-) est constituée d'un joint à labyrinthe doté de cinq dents ( 24). 11. Ensemble de joint d'étanchéité tournant, selon la revendication 1, caractérisé en ce que le moyen de fixation comprend au moins un boulon ( 44) avec tête basse ( 46) et un écrou fixe ( 47) par filetage à l'extrémité du boulon ( 44) opposée à la tête basse ( 46,, cet écrou ( 47) et cette extré- mité faisant saillie dans la cavité fermée' ( 50). 12 Ensemble de joint d'étanchéité tournant, selon la revendication 7, comprenant, en outre, un moyen de réali- ser l'équilibrage de rotation. 13 Ensemble de joint d'étanchéité tournant, selon la revendication 8, caractérisé en ce que le moyen d'équili- brage de rotation comprend au moins deux boulons de fixation ( 44) avec tète basse ( 46), de longueurs différentes. 14 Ensemble de joint d'étanchéité tournant, selon la revendication 1, comprenant, en outre, un moyen de ré- duction de la différence des températures entre la partie ( 14) de joint d'étanchéité et la périphérie de l'alésage ( 18) de la partie en forme de disque ( 16). 15 Ensemble de joint d'étanchéité tournant, selon la revendication 10, caractérisé en ce que le moyen de réduc- tion de la différence des températures comprend un passage du fluide ( 56) dans la cavité fermée 150) à travers l'a par- tie tournante ( 12). 16 Ensemble de joint d'étanchéité tournant, selon la revendication 11, caractérisé en ce que la cavité fermée ( 50) est constituée d'une partie de la pièce de forme coni- que ( 12), du bras cylindrique de disque ( 16). 17 Ensemble de joint d'étanchéité tournant, selon la revendication 12, caractérisée en ce que ledit passage du fluide comprend au moins un orifice pratiqué ( 56) dans le bras cylindrique ( 38).