Brevet FR2518168A1 — publié le 19830617

Joint d'étanchéité à anneaux de glissement avec lubrification dynamique par gaz pour turbomachines à grande vitesse. L'invention a pour objet un joint d'étanchéité à anneaux de glissement avec lubrification dynamique par gaz pour turbomachines à grande vitesse, notamment pour moteurs à turbines à gaz dans lequel l'un des deux anneaux qui se correspondent (contre-anneau) est traversé radiale- ment par des perçages s'étendant parallèlement à la surface d'étanchéité considéréeet pouvant être alimentés au moyen d'un liquide de refroidissement. Pour les joints d'étanchéité à anneaux de glissement tournant à grande vitesse (vitesses de glissement de 130 m/s et au-delà), il n'est pas admissible pour des raisons évidentes (usure, dégagement de chaleur et destruc- tion résultante des surfaces d'étanchéité et de glissement) que deux surfaces de glissement soient en contact pendant une longue période, c'est-à-dire notablement au-delà du démarrageet de lamise à l'arrêt. Jusqu'à maintenant, on a utilisé les procédés suivants pour séparer les surfaces introduction d'huile ou d'autres matières hydrauliques appropriées pour la séparation ( = lubrification) des surfaces, le cas échéant avec vaporisation résultante ou production de coussins de gaz ou d'air de type aérostatique ou dynamique par gaz. Le procédé mentionné en premier lieu comporte, notamment pour l'étanchéité de milieux gazeux, le risque d'encrassement du milieu par le produit lubrifiant ( séparateur) etpour les températures ambiantes ou de milieux élevées, encore le risque de cokéfaction du produit lubrifiant En conséquence, ce procédé convient de préfé- rence pour assurer l'étanchéité de milieux également hydrauliques (milieu = produit séparateur et lubrifiant). Le procédé mentionné en second lieu, notamment lorsqu'on produit un coussin de gaz par voie dynamique,, convient pour assurer l'étanchéité des matières gazeuses. L'un de ces procédés mentionnés en second lieu prévoit, par exemple, la formation intentionnelle de surface de glissement montantes, c'est-à-dire d'éléments dits "lift fads" (coussins élévateurs) pour produire le coin de lubrification dynamique par gaz. Ce procédé entraîne une dépense de fabrication -non négligeable En outre, ces surfaces de glissement montantes ainsi obtenues subissent une usure relativement- élevée qui rend nécessaires des travaux après coup compli- qués et, le cas échéant, des réparations. L'invention a pour but d'éliminer les inconvé- nients apportés par les procédés cités et de créer un joint d'étanchéité à anneaux de glissement convenant pour les vitesses de rotation et les températures élevées. Ce joint doit être de fabrication relativement simple et se distinguer en outre par une usure extrêmement faible avec; en conséquence, des exigences réduites d'entretien et- de réparation. L'invention concerne à cet effet un joint d'étanchéité du type ci-dessus caractérisé en ce qu'une surface de glissement ondulée périodiquement avec la même forme-est formée sur le contre-anneau par un champ de température et donc de dilatation axiale de cet anneau variant périodiquement parce que le nombre des perçages du contre-anneau augmente en direction périphérique pério- diquement de la même façon, puis diminue, la forme de la surface de glissement correspondant au "tracé du coin 3 j O de lubrification" d'un palier axial à lubrification dynamique par-gaz. Des dispositions indiquées dans-la suite permettent d'obtenir des modes de réalisation avantageux de l'invention. L'invention sera mieux comprise en regard de la description ci-après et des dessins annexés représentant des exemples de réalisation de l'invention, dessins dans lesquels: La Fig -l est une coupe axiale d'un palier d'arbre de turbomachine avec le joint d'étanchéité à anneaux de glissement conforme à l'invention La Fig 2 est une vue dans la direction A de la Fig 1 du contre-anneau appartenant au joint d'étanchéité à anneaux de glissement, avec l'indication de la forme des surfaces de glissement obtenues à la température ambiante et à la température de service La Fig 3 représente un exemple de réalisa- tion du contre-anneau modifié par rapport à la Fig 1 et à la Fig 2 en regardant dans la direction indiquée par A sur la Fig 1; La Fig 4 est une vue en coupe axiale d'un exemple de réalisation du contre-anneau encore modifié par rapport aux figures 1, 2 et 3. Conformément à la Fig 1, le joint d'étanchéité à anneaux de glissement pour turbomachines à grande-vitesse, notamment pour moteurs à turbines à gaz, est constitué par deux anneaux agencés pour se correspondre, à savoir un. anneau d'étanchéité 1 et un contre-anneau 2 Des perçages 3 pratiqués dans le contre-anneau 2 sont, d'une part, orientés parallèlement à la surface d'étanchéité considérée et, d'autre part, alimentés au moyen d'un fluide de refroi- dissement, par exemple de l'huile. L'invention se distingue essentiellement par un nombre de perçages 3 par unité d'angle de pourtour du contre-anneau 2 croissant de façon périodiquement uniforme, puis diminuant (Fig 2) En raison de la variation périodique de température ainsi provoquée et du champ de dilatation thermique du contre-anneau 2-en direction axiale qui en résulte, il se forme sur cet anneau, à la température de service, une surface de glissement G à ondulations présentant périodiquement la même forme Cette surface de glissement G correspond sensiblement au "tracé du coin de lubrification' d'un palier axial à lubrification dynamique par gaz La surface de glissement à la température ambiante est désignée par Gr. En ce qui concerne cette surface de glissement ondulée G, on admet que la chaleur produite lors du glisse- ment du contre-anneau 2 sur l'anneau d'étanchéité 1 (ou introduite par le milieu d'étanchéité éventuellement présent) est évacuée de façon plus intense dans les zones o les intervalles entre perçages sont faibles, par exemple en b, c, d et est évacuée de façon moins intense dans les zones o les intervalles entre perçages sont grands, par exemple en e et f. La surface de glissement G ainsi produite à la température de service présente un tracé en forme de coin aplati, le contour d'ondulation dans la direction B du mouvement s'étendant d'abord de l'extérieur vers l'inté- rieur avec une faible inclinaison lorsque les intervalles entre les perçages diminuent Ce tronçon est suivi d'une partie croissant de façon relativement raide jusqu'au maximum de l'ondulation lors du passage de l'intervalle -minimal c à l'intervalle maximal e entre les perçages Ce contour ondulé de la surface de glissement G correspond à la forme souhaitée et désignée par "formation d'un coin- de lubrification" dans un palier axial à lubrification dynamique par gaz Cette forme est provoquée notamment, conformément à la Fig 2, par des perçages 3 pratiqués dans le contre-anneau 2 l'un à la suite de l'autre dans un plan radial commun croissant d'abord de façon périodique et uniforme, puis décroissant, Dans le but déjà expliqué en détail,en se référant à la Fig l et à la Fig 2, le contre-anneau 4 suivant la Fig 3 comporte, dans deux plans radiaux parallèles, des séries de premiers perçages 5 et de seconds perçages 6 Les premiers perçages 5, les plus rapprochés de la surface de glissement, sont répartis de façon uniforme en direction périphérique Les seconds perçages 6 sont disposés en direction périphérique avec un intervalle qui varie périodiquement de la même façon et provoquent, en liaison avec les premiers perçages 5, la formation à la température de service d'une surface de glissement G' ondulée en présentant périodiquement la même forme La surface de glissement correspondant à la îo température ambiante dans le cas de la Fig 3 est désignée par Gr". Dans l'hypothèse de conditions de service (température, vitesse de rotation) sensiblement identiques à celles du cas de la Fig 2, l'exemple de réalisation suivant la Fig 3 permet, par rapport à=celui de la Fig 2, une succession des ondes de la surface de glissement G' plus rapprochée sur l'ensemble du pourtour de la surface. de glissement En effet, la disposition des perçages dans deux plans radiaux permet une succession plus rapprochée des perçages. La Fig 4 représente un autre exemple de réalisation du contre-anneau 4 ', dans lequel les perçages 6 de la seconde rangée sont disposés avec un angle d'incli- naison par rapport aux perçages 5 ' de la première rangée qui sont disposés radialement ou verticalement - Pour la mise en application de l'invention, on a admis en principe de faire se déplacer à sec l'une sur l'autre les surfaces annulaires de glissement de l'anneau d'étanchéité et du contre-anneau Cependant, il serait tout à fait possible d'introduire, au lieu d'un fluide gazeux, un fluide d'étanchéité liquide entre les surfaces annulaires de glissement correspondantes de l'anneau d'étanchéité et du contre-anneau. Comme représenté en détail sur la Fig 1, le contre-anneau 2 est monté, par exemple, à côté ou sur la bague intérieure 8 du palier 7 sur un arbre de machine cylindrique creux 9 à partir duquel les perçages cor-res- pondants 3 du contre-anneau 2 peuvent être alimentés au moyen d'un liquide -de-refroidissement, par exemple de l'huile Ce liquide arrive d'abord, en traversant des perçages radiaux 10 de l'arbre de la machine, dans un espace annulaire Il formé entre cet arbre et le contre- anneau 2, cet espace communiquant avec les autres perçages 3 pour assurer le refroidissement différencié du contre- anneau. L'anneau d'étanchéité 1 maintenu comme un piston s'appuie élastiquement en direction axiale au moyen d'un soufflet 12 sur des éléments de construction stationnaires correspondants de l'enveloppe Mais l'appui élastique en direction axiale peut aussi être assuré au moyen d'un ressort ou au moyen d'une membrane agissant en fonction de conditions de pression appropriées. L'invention peut être mise en application avantageusement aussi bien'pour des installations de turbines à gaz fixes que pour des moteurs à réaction à. turbines à gaz ainsi que pour des turbocompresseurs de suralimentation. REVENDICATIONS 1 Joint d'étanchéité à anneaux de glissement ( 1, 2, 4, 4 ') avec lubrification dynamique par gaz pour turbomachines à grande vitesse,' notamment pour moteurs à turbines à gaz, dans lequel l'un des deux anneaux qui se correspondent (contre-anneau 2, 4, 4 '-) est traversé radialement par des perçages ( 3, 5, 5 ', 6, 6 ')-s'étendant parallèlement à la surface d'étanchéité considérée et -pouvant être alimentés au moyen d'un liquide de refroidis- l O sement, caractérisé en ce qu'une surface de glissement (GY ondulée périodiquement avec la même forme est formée sur le contre-anneau ( 2, 4, 4 ') par un champ de température et donc de dilatation axiale de cet anneau variant pério- diquement parce que le nombre des perçages ( 3, 6, 6 ')'du contre-anneau ( 2) augmente en direction périphérique pério- diquement de la même façon, puis diminue, la forme de la surface de glissement (G) correspondant au "tracé du coin de lubrification" d'un palier axial à lubrification dyna- mique par gaz. 2 Joint d'étanchéité à anneaux de glissement selon la revendication 1, caractérisé en ce que les perçages ( 3) sont pratiqués dans le contreanneau ( 2) au même niveau et l'un derrière l'autre dans un plan radial commun, le nombre de ces perçages augmentant périodiquement de la même façon, puis diminuant. 3 Joint d'étanchéité à anneaux de glissement- selon la revendication 1, caractérisé en ce que le contre- anneau ( 4) comporte, dans deux plans radiaux parallèles, des séries de premiers perçages ( 5) et de seconds perçages ( 6), les premiers perçages ( 5), les plus rapprochés de la surface de glissement, étant répartis de façon uniforme en direction périphérique, les seconds perçages ( 6) étant disposés en direction périphérique avec un intervalle qui varie périodiquement de la même façon et provoquant, en combinaison avec les premiers perçages ( 5), la formation 2518168. d'une surface de glissement (G') ondulée en présentant périodiquement la même forme. 4 Joint d'étanchéité à annçaux de glissement selon la revendication 1, caractérisé en ce-que le contre- anneau ( 4 ') comporte une série de premiers perçages ( 5 ') disposés dans un plan radial ou vertical et une série de seconds perçages-( 6 ') inclinés par rapport au plan radial- ou vertical des premiers perçages, les premiers perçages ( 5 '), les plus rapprochés de la surface de-glissement, étant répartis de façon uniforme en direction périphérique; les seconds perçages ( 6 ') étant disposés en direction périphérique avec un intervalle qui vide périodiqegent de la mime façon et provoqant, en oombinaison avec les premiers perçages ( 5 '), la formation d'une suface de glissement ondulée en présentant périodiquement la m& formeq -5 Joint d'étanchéité à anneaux de-glissement selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que les surfaces annulaires de glissement-de l'anneau d'étanchéité ( 1) et du contre-anneau ( 2, 4, 4 ') se déplacent à sec l'une sur l'autre. 6 Joint d'étanchéité à anneaux de glissement selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé -en ce qu'au lieu du fluide gazeux, on peut aussi introduire un fluide d'étanchéité liquide entre les surfaces annulaires de glissement correspondantes de l'anneau d'étanchéité et du contre-anneau ( 2, 4, 4 ').