Brevet FR2532029A1 — publié le 19840224

La présente invention concerne des joints d'étan- chéité par abrasion et des matériaux pour joints d'étan- chéité par abrasion et, plus particulièrement, un joint d'étanchéité par abrasion, non métallique, amélioré incluant un hydrocarbure halogéné. Le rendement d'un moteur à turbine à gaz dépend, au moins en partie, de l'élimination des fuites d'air entre les éléments rotatifs et fixes Par exemple, dans -les par- ties fonctionnelles avant d'un moteur à turbine à gaz dans lesquelles de l'air entrant est comprimé par des éléments rotatifs d'aubage en juxtaposition avec des viroles, on' a utilisé différents moyens d'étanchéité pour éviter la fuite de l'air compr imé ou à pression plus élevée en avant dans le moteur d'une zone de plus faible pression Ces moyens d'é- tanchéité ont inclus des structures métalliques telles que nid d'abeille, dents de joints à labyrinthe et éléments de type métallique fibreux ou poreux De plus, on a utilisé, des matériaux organiques d'abrasion comme décrits dans le brevet des E U A 3 547 455 et des oxydes résistant à haute température comme décrits dans le brevet des E U A 3 339 933 Cette utilisation peut se faire aux extrémités extéri- eures des aubes rotatives ou en juxtaposition avec cel- les-ci, en coopération avec différents éléments de mi-hau- teur, en coopération avec des dents, de joint à labyrinthe, etc. -2- Dans les parties fonctionnelles les plus froides d'un moteur à turbine à gaz il est commode d'utiliser un or- gane de joint d'étanchéité fonctionnant à plus basse tempé- rature, par exemple, fait d'un matériau d'abrasion organique et léger Un tel matériau s'est très bien comporté comme ma- tériau d'abrasion dans des conditions normales de fonction- nement du moteur Cependant, dans le cas d'un déséquilibre du moteur, des quantités relativement grandes de ce matériau organique peuvent être rapidement enlevées par abrasion et transportées comme un produit combustible dans les parties à plus haute température du moteur Ceci peut se traduire par un incendie et un endommagement du moteur dus à un dégage- ment rapide d'énergie. La présente invention a pour objet un organe d'é- tanchéité par abrasion, léger, qui combine les caractéristi- ques de chaleur de combustion relativement faible et de ré- sistance à l'érosion par du fluide, tel que l'air, passant sur sa surface. L'invention a aussi pour but de fournir un joint tournant d'étanchéité incluant un tel organe d'étanchéité par abrasion destiné à être utilisé en coopération avec un organe en saillie juxtaposé qui coopère avec cet organe d'é- tanchéité par abrasion pour fournir une chute de pression du fluide. En bref, une forme de la présente invention est un organe d'étanchéité par abrasion qui comprend un élément de base et un élément non métallique d'abrasion fixé à l'élé- ment de base. L'élément d'abrasion comprend un hydrocarbure ha- logéné avec au moins environ 60 % en poids d'un halogène, de préférence du fluor, -une teneur en solides d'au moins envi- ron 40 % en poids et de préférence 50-90 % en poids, et une chaleur de combustion ne dépassant pas 9302 k J/kg ( 4000 BTU/livre). Une autre forme de l'invention concerne un joint -3 d'étanchéité tournant comprenant un premier organe et un se- cond organe juxtaposés et adaptés pour un déplacement rela- tif l'un par rapport à Vautre Fixé à un élément de base du premier organe se trouve un matériau d'abrasion non métalli- que en hydrocarbure halogéné décrit ci-dessus -Le seconds or- gane comporte au moins une saillie orientée vers le matériau d'abrasion du premier organe et coopérant avec une surface de ce matériau d'abrasion afin de créer un joint d'étan- chéité à chute de pression de fluide, tel que l'air, entre les organes. La suite de la description se réfère aux figures annexées qui représentent respectivement Figure 1, une vue en perspective, fragmentaire, partiellement en coupe d'éléments d'aubage coopérant avec une virole qui comporte une partie d'abrasion de joint d'étanchéité; Figure 2, une vue en coupe fragmentaire d'un joint d'étanchéité du type labyrinthe qui comporte une partie d'abrasion non métallique; et Figure 3, une autre forme du matériau d'abrasion associé à la présente invention. L'ingéstion de quantités relativèment grandes d'-un matériau organique d'abrasion pour joint d'étanchéité, par exemple, une résine époxy chargée avec des microsphères phlé- noliques creuses, dans un composant fonctionnant à tempéra- ture élevée d'un moteur à turbine à gaz s'est-traduit par un endommagement du à un dégagement rapide d'énergie Ceci a montré le besoin de remplacer ce matériau d'abrasion par un matériau ayant une plus faible chaleur de combustion Le remplacement du matériau organique d'abrasion par une struc- ture en nid d'abeille à face ouverte s'est traduit par une diminution du rendement du moteur On a reconnu qu'un maté- riau de remplacement devrait avoir une teneur pondérale en carbone et hydrogène plus faible pour satisfaire au critère de chaleur de combustion plus faible Egalement, il devrait -4- être de préférence de masse -volumique plus faible qu'un ma- tériau métallique tout en conservant les caractéristiques d'usure par abrasion et érosion d'un matériau organique En plus, il était souhaitable qu'il soit facilement fabriqué et réparé après une usure normale. On a reconnu, selon l'invention, que l'on pouvait utiliser comme matériau d'abrasion une classe de matériaux qui avait été employée pour sa caractéristique de friction relativement faible à cause de son faible pourcentage pon- _ O déral en carbone et hydrogène Cette classe de matériaux est celle des hydrocarbures halogénés dont la forme la plus classique est commercialisée en tant que tétrafluoro- éthylène Des produits commerciaux sont connus sous les mar- ques Teflon ou Kel-F La présente invention reconnaît qu'un tel hydrocarbure halogéné avec au moins environ 60 % en poids d'halogène a un poids suffisamment faible de carbone et d'hydrogène pour satisfaire les exigences de chaleur de com- bustion pour l'utilisation comme partie d'abrasion de joint. Bien qu'on puisse utiliser un hydrocarbure halogé- né plein pour un tel usage, on recommande d'utiliser un ma- tériau d'hydrocarbure halogéné poreux pour avoir un matériau de plus faible masse volumique, plus léger pour des applica- tions aux avions Les exemples particuliers décrits ci-des- sus de tétrafluoroéthylène sont les formes commerciales-re- commandées car elles contiennent du fluor dans une gamme d'environ 70-80 % en poids et ont une chaleur de combustion d'environ 5116 k J/kg ( 2200 BTU/livre) la masse volumique de ce matériau dans sa forme pleine est d'environ 2 162,5 kg/m 3 bien qu'une masse volumique de 1121,3 à 1281,5 kg/m 3 puisse être obtenue dans un tétrafluoréthylène -ayant environ 50 % de solides et 50 % de vides, en volume, les vides étant en majeure partie reliés Au cours de l'évaluation de la présente invention, on a obtenu du Teflon poreux du com- merce On a trouvé que la masse volumique de ce matériau était de 1121,3 à 1201,4 kg/m telle que déterminée par pe- sées dans Vair et l'eau La chaleur de combustion détermi- née par la méthode de la bombe de Parr était de 5116 k J/kg ( 2200 BTU/livre) On a déterminé l'excellente résistance à l'érosion de ce matériau en utilisant une poudre de A 1203, ayant une granulométrie moyenne de 56 micromè- tres, projetée à l'aide d'une buse sur une éprouvette sous 193 103 Pa, la buse faisant un angle de 200 et étant à ,16 cm de l'éprouvette On a trouvé que l'érosion normali- sée pour cette éprouvette particulière allait de 68,5 s/mm à 76 s/mm pour des éprouvettes ayant une masse volumique allant de 1137,3 à 1233,4 kg/m En ce qui concerne l'abrasivité, on a fait frotter des aubes en alliage et des joints à labyrinthe contre des éprouvettes en Teflon poreux à des taux de frottement de 25,4 10-4 mm/s jusqu'à une profondeur finale de 2, 54 mm sans usure mesurable des bouts des aubes ou des joints entrant en contact avec le Teflon. Afin de déterminer les caractéristiques au feu ou d'explosion du matériau d'abrasion pour joint, on a placé de la poudre de Teflon (-30 micromètres) dans un tube de Hart- mann à 84,5 N en présence d'un arc à haute fréquence Il n'y avait pas d'inflammation de la poudre de Teflon et pas d'ac- croissement de pression Dans une autre évaluation, on a in- jecté de la poudre de Teflon de même granulométrie dans un tunnel à flamme fonctionnant à 537,80 C à 889,6 N avec un en vironnement d'auto-inflammation Il n'y avait pas d'inflam- mation de la poudre de Teflon et pas d'accroissement de pression. De ces données, on a tiré qu'un hydrocarbure halo- géné, tel que représenté par un matériau de tétrafluoro- éthylène ayant une teneur en fluor d'au moins environ 60 % en poids peut fonctionner comme un matériau d'abrasion pour joint d'étanchéité dans l'environnement d'un moteur à tur- bine à gaz jusqu'à une température o il commence à se dé- composer notablement, par exemple à environ 3430 C Le choix -6- de la masse volumique du matériau poreux du commerce tel que du Téflon poreux dépend de l'application envisagée On a trouvé que l'on pouvait usiner aisément du Téflon poreux, par exemple au moyen d'un outil à grande vitesse à pointe unique avec un angle de dépouille positif de 100, une vites- se surfacique de 91,4 m/mn à 152,4 m/mn et une avance de 7,62 10 3 cm par passe Le cas échéant, on peut rendre la surface usinée plus lisse par un léger brunissage avec un tissu abrasif. On peut utiliser différents moyens bien connus pour fixer un hydrocarbure halogéné à une base ou support tel qu'un élément de virole ou de joint d'étanchéité Outre des moyens mécaniques il existe une variété d'adhésifs tels que des résines époxy, des résines de polyimide, etc se- lon la température envisagée pour l'application Comme il est envisagé que l'hydrocarbure halogéné soit usé par abra- sion, la force de liaison à l'hydrocarbure halogéné avec ou sans préparation de surface lorsqu'on utilise ces adhésifs est généralement plus forte que l'hydrocarbure halogéné lui-même Le cas échéant et pour des commodités de fabrica- tion, on peut utiliser des films adhésifs de matériaux ap- propriés pour une telle liaison On peut obtenir l'assembla- -ge d'une manière classique dans la technique comme en utili- sant un sac à vide avec une pression et une température ap- propriées On a utilisé ces procédés pendant longtemps pour lier des matériaux divers comme des matières plastiques à des matières plastiques ou des métaux Dans un exemple par- ticulier, on a lié un matériau de Teflon poreux de 0,381 cm d'épaisseur à un élément de virole métallique avec un film supporté par une résine époxy adhésive, dont des formes sont disponibles dans le commerce sous les marques Metl Bond 328 ou Hysol EA 9649 R. En se référant au dessin, la figure 1 est une vue en perspective, partiellement en coupe, fragmentaire d'un joint d'étanchéité tournant sous la forme d'un premier élé- ment ou élément de base tel qu'une virole 10 coopérant avec des éléments d'aubage 12, ces éléments étant agencé pour avoir un déplacement relatif l'un par rapport à l'autre, par exemple la rotation des éléments d'aubage 12 Les éléments d'aubage 12 comportent des saillies ou bouts 14 orientés vers un matériau d'hydrocarbure halogéné d'abrasion, poreux 16 ayant une surface 17 et en juxtaposition avec celui-ci. Comme décrit ci-dessus, on peut fixer ce matériau à des par- ties de support métalliques du premier élément au moyen d'adhésifs et matériaux de liaison ainsi que, le cas éché- ant, au moyen de fixations mécaniques Pendant le fonction- nement de ces éléments, les saillies ou bouts d'aube 14 et la surface 17 de l'élément d'abrasion poreux 16 se déplacent en juxtaposition les uns par rapport aux autres pour réali- ser un joint à chute de pression d'air entre ces éléments. Comme représenté en partie et en coupe figure 2, une autre forme de l'invention est un joint du type labyrin- the Le matériau d'abrasion non métallique décrit ci-dessus sous la forme d'un hydrocarbure halogéné poreux est prévu en 16, fixé à un premier élément 20 juxtaposé et coopérant avec les saillies ou dents de l'élément à labyrinthe 18 pour -réa- liser un joint rotatif. Comme mentionné ci-dessus, l'élément d'abrasion. non métallique associé à la présente invention peut gtre sous la forme d'une structure composite non métallique in- cluant une partie superficielle ou externe pleine; pratique- ment exempte de vides ou film 22 dans la vue fragmentaire en coupe de la figure 3 fixée à une partie interne 24 sous la forme d'une structure poreuse ayant des pores 26, entière- ment fixé à une base ou premier élément 20 On peut réaliser la structure composite d'abrasion de la figure 3 en utili- sant l'hydrocarbure halogéné décrit ci-dessus, tel qu'un ma- tériau de Teflon, sur laquelle on peut lier le film ou feuille 22 On peut obtenir une liaison par diffusion en pressant les matériaux ensemble sous une pression comprise -8- entre 0,689 Bar et 1,72 Bar et à une température d'environ 260-3710 C. Un tel agencement comme représenté figure 3 amé- liore encore la résistance à l'érosion du matériau d'hydro- carbure halogéné d'abrasion qui, pour des raisons de gain de poids, peut inclure jusqu'à 60 % en volume de vides Comme peuvent l'apprécier les spécialistes, l'épaisseur des élé- ments d'abrasion n'est pas critique car c'est la partie su- perficielle qui est à user par abrasion Par conséquent, on s O choisit l'épaisseur du matériau en fonction de l'applica- tion Au cours de l'évaluation de la présente invention, on a testé des épaisseurs comprises entre 0,0762 cm et 0,508 cm. - -9- REVENDICATIONS 1 Organe d'abrasion pour joints d'étanchéité caractérisé en ce qu'il comprend un élément de base ( 20); et un élément d'abra- sion non métallique ( 16) fixé à l'élément de base et compre- nant (a) un hydrocarbure halogéné ayant au moins % en poids d'halogène; (b) une teneur en solides d'au moins 40 % en poids; et (c) une chaleur de combustion -d'au plus 9302 k J/kg. 2 Organe selon la revendication 2, caractérisé en ce que l'halogène est le fluor. 3 Organe selon la revendication 2, caractérisé en ce que le fluor représente de 70 à 80 % en poids. 4 Organe selon la revendication 2, caractérisé en ce que l'hydrocarbure est le tétrafluoroéthylène. Organe selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il est poreux, avec une teneur en solides comprise en- tre 50 et 90 % en poids. 6 Organe selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il a une structure composite comprenant une partie in- terne ( 24) et une partie superficielle ( 22), chaque partie étant une forme du matériau d'abrasion non métallique; la partie interne étant en matériau d'abrasion po- reux selon la revendication 5; et la partie superficielle étant une forme essentiellement exempte de vides du matériau fixée à la partie interne. 7 Joint d'étanchéité rotatif comportant un pre- mier organe et un second organe juxtaposés et agencés pour se déplacer respectivement l'un par rapport à l'autre, le premier organe comportant un matériau d'abrasion non métal- lique fixé à la surface d'un élément de base, le second or- gane incluant au moins une saillie orientée vers le matériau - d'abrasion du premier organe et coopérant avec une surface du matériau d'abrasion pour fournir un joint à chute de pression de fluide entre les organes, joint caractérisé en ce que le premier organe est tel que défini dans l'une quel- conque des revendications 1 à 6.