Brevet FR2537687A1 — publié le 19840615

- Joints d'étanchéité pour pièces en rotation relative. L'invention concerne les garnitures d'étanchéité pour joints et en particulier les joints entre organes en rotation rela- tive. Une des façons les plus efficaces de réaliser un joint entre deux organes généralement coaxiaux en-rotation relative est d' utiliser une garniture d'étanchéité qui est en contact physi- que avec les organes concernés Tandis que ces joints sont satisfaisants dans les applications pour lesquelles les vi- tesses relatives des organes ne sont pas trop élevées, leur efficacité et leur durée de vie sont généralement considéra- blement réduites si l'on a affaire à des vélocités relatives élevées Une façon commune selon laquelle ce problème est évité est de réaliser un joint ayant deux garnitures écar- tées radialement, chacune attachée à l'un correspondant des organes en rotation relative Un petit intervalle radial est défini entre les garnitures d'étanchéité de façon-que la rotation relative à vélocité élevée entre les organes soit possible, cependant que les fuites à travers le petit inter- valle sont maintenues à un niveau suffisamment bas pour être acceptables De tels joints sont efficaces si l'intervalle entre les garnitures d'étanchéité est petit et reste sensi- blement constant Cependant si l'axe d'un des organes en rotation relative se déplace pour une raison quelconque, il y a un risque que les garnitures d'étanchéité viennent en contact l'une avec l'autre et soient abîmées. C'est un objet de la présente invention de réaliser un joint comprenant deux garnitures écartées radialement l'une de l'autre, dans lequel l'intervalle radial entre les garnitures d'étanchéité reste sensiblement constant même si l'axe de l'un des organes en rotation relative qui porte la garniture ne reste plus coaxial à l'axe de l'autre organe en rotation relative. -2- Conformément à la présente invention, un joint convenable pour assurer l'étanchéité entre deux organes rotatifs l'un par rapport à l'autre montés de façon sensiblement coaxiale comprend deux garnitures d'étanchéité de forme annulaire ayant sensiblement des coefficients d'expansion thermique similaires, et qui sont montés respectivement sur les or- ganes relativement rotatifs, de façon à pouvoir tourner avec eux et avoir des faces de joints annulaires en regard écartées radialement l'une de l'autre, chacun des organes relativement rotatif étant muni de moyens de retenue annu- laire pour retenir axialement lesdites garnitures d'étan- chéité et fournir une étanchéité entre chacune desdites garnitures et l'organe auquel elle est attachée tout en permettant un degré limité de mouvement relatif radial entre eux, une desdite-s garnitures d'étanchéité étant rete- nue sur son organe respectif de façon à ce qu'ils soient maintenus en relation coaxiale fixe, l'autre desdites garni- tures étant retenue sur son organe respectif d'une façon telle qu'ils peuvent se déplacer pour ne plus être coaxiaux, lesdites garnitures d'étanchéité ayant des parties annulaires en regard écartées radialement qui sont conformées de façon telle que pendant la rotation relative desdits organes rela- tivement rotatifs, elles définissent un palier à gaz hydro- dynamique, dont le fonctionnement est tel que ladite garniture d'étanchéité qui a la possibilité de se déplacer pour ne plus être coaxiale à son organe respectif soit supportée hydro- dynamiquement par l'autre garniture d'étanchéité d'une façon telle que lesdites garnitures d'étanchéité soient maintenues en situation coaxiale. D'autres caractéristiques de l'invention apparaîtront au cours de la description qui va suivre, donnée à titre d'exemple non limitatif, en regard des dessins ci-joints, et qui fera bien comprendre comment l'invention peut être réalisée. Sur les dessins, -3- la figure 1 est une vue en coupe suivant la ligne AA de la figure 2 d'un exemple de joint conforme à la présente invention; la figure 2 est une vue en coupe suivant la ligne B-B de la figure 1; la figure 3 est une vue en plan d'une partie d'une des garnitures d'étanchéité représentées sur les figures 1 et 2; la figure 4 est une vue en coupe suivant la liane B'-B' de la figure 1 la figure 5 est une vue en coupe suivant la ligne C-C de la figure 3. En se référant à-la figure 1, un joint indiqué dans son ensemble en 10 comprend deux garnitures d'étanchéité annu- laires 11 et 12 qui sont disposées concentriquement avec un très petit intervalle radial 13 séparant leurs faces de joint en regard 14 et 15 Les garnitures d'étanchéité 11 et 12 sont toutes les deux formées dans un matériau composite com- prenant des fibres carbone englobées dans une matrice de carbone Ce matériau a une rigidité spécifique élevée assu- rant un accroissement radial minimum en raison des charges centrifuges aussi bien qu'un faible coefficient de dilatation thermique qui assure une variation minimale du jeu du joint en fonction de la température. Par conséquent, si les garnitures d'étanchéité 11 et 12 sont sujettes à des variations de température, l'intervalle 13 entre elles reste sensiblement constant. Les garnitures d'étanchéité 11 et 12 sont revêtues d'une céramique afin de résister à l'oxydation du matériau compo- site carbone-fibres de carbone aux températures élevées. Cependant, le joint 10 n'est pas destiné à fonctionner dans des conditions fortement oxydantes, la céramique n'est pas nécessaire On appréciera que d'autres matériaux ayant un 2537687, -4- faible coefficient de dilatation thermique et une rigidité spécifique élevée, tel qu'un composite céramique, pourrait être utilisé à la place du composite carbone-fibres de carbone. Les garnitures d'étanchéité 11 et 12 assurent un joint à gaz entre deux organes 17 et 18 relativement rotatifs montés coaxialement et qui sont maintenus (par des moyens non repré- sentés) contre tout mouvement relatif axial Dans ce cas particulier, l'organe radialement intérieur 17 et l'organe radialement extérieur 18 sont des arbres rotatifs de moteur à turbine à gaz On appréciera cependant que la présente invention peut être appliquée à toute combinaison d'organes relativement rotatifs qui sont maintenus contre un mouvement relatif axial. L'organe 17 radialement intérieur est muni d'une collerette 19 dont la section a la forme d'une manivelle Un organe annulaire 20 dont la section a aussi la forme d'une manivelle est brasé sur la collerette 19 de façon qu'en combinaison ces deux éléments définissent un canal circonférentiel 21. Le canal 21 reçoit la garniture d'étanchéité 12 radialement intérieure de façon à ce que cette garniture puisse glisser en contact étanche pour que le mouvement axial de la garni- ture 12 soit ainsi limité Quatre doigts 22 de-section ovale s'étendant radialement et régulièrement répartis sur la circonférence (comme on peut le voir sur la figure 4) qui sont disposés dans des parties s'étendant axialement de la collerette 19 (comme on peut le voir sur la figure 2) s'en- gagent dans des trous correspondants 23 prévus dans la face radiale interne 24 de la garniture d'étanchéité 12 Les doigts 22 assurent que la garniture d'étanchéité 12 tourne avec l'rogane 17 et maintient aussi l'organe 17 et la garniture 12 en positions coaxiales. Un intervalle radial 25 est prévu entre la surface radialement 2537687. -5- interne 24 de la garniture d'étanchéité 12 et le canal 21 afin de permettre un mouvement radial relatif entre eux dû à la différence de leurscoefficientsde dilatation ther- mique Les dimensions et les coefficients de dilatation thermique de la garniture d'étanchéité 12, de la collerette 19 et de l'organe annulaire 20 sont choisis de façon que la garniture 12 ne soit pas grippée par la collerette 19 et l'organe 20 dans les conditions thermiques que l'on s'attend à rencontrer pendant le fonctionnement du joint 10. L'organe radialement extérieur 18 est muni d'une collerette 26 s'étendant intérieurement, qui est analogue à la collerette 19 avec une section en forme de manivelle Sur la face radiale ment interne de la partie de la collerette 26 s'étendant axia- lement est fixé un élément annulaire 27 Un autre élément annulaire 28 qui a aussi une section en forme de manivelle est brasé sur la collerette 26 de façon à buter contre l'organe annulaire 27 et coopérer avec la collerette 26 et l'organe annulaire 27 pour définir un canal 29 circonférentiel. Dans le canal 29 est logée la garniture d'étanchéité 11 radia- lement externe, de façon à pouvoir y glisser en restant en contact étanche de façon que le mouvement axial de la gar- niture 11 soit limité et que les garnitures d'étanchéité 11 et 12 soieent alignées. Un intervalle radial 30 est prévu entre la surface radiale- ment intérieure du canal 29 et la surface radialement exté- rieure 31 de la garniture 11 afin de permettre un degré limité de mouvement radial'entre la garniture 11 et l'organe 18. Comme dans le cas du canal 21, les dimensions et les coef- ficients de dilatation thermique de la garniture 11 de la collerette 26 et de l'élément annulaire 20 sont choisis de façon que la garniture 11 ne soit pas grippée par la colle- rette 26 et l'élément annulaire 28 dans les conditions ther- miques que l'on s'attend à rencontrer pendant le fonctionne- ment du joint 10. 2537687. -6- L'élément annulaire 27 et la garniture d'étanchéité il sont interconnectés par une biellette unique 32 La biel- lette 32 est articulée sur l'élément annulaire 27 et sur la garniture d'étanchéité 11 de façon que l'élément annulaire 27 reste libre de se déplacer radialement dans le canal 29, bien qu'il ne puisse pas tourner par rapport à l'organe radia- lement extérieur 18. Il est prévu sur une partie annulaire axiale de la face interne lia, de la garniture d'étanchéité externe, un certain nombre de cloisons 33 et de cavités 34 similaires, dont une de chaque peut-être vue sur la figure 3 Chaque cavité 34 est en forme de coin rectangulaire, comme on peut le voir surla figure 5, et est entourée sur trois côtés par une cloison 33 Chaque cloison 33 est alignée avec la face d'étanchéité 14 et a deux parties 35 de forme allongée qui définissent les côtés longs de sa cavité associée 34. La majeure partie 36 de chaque cloison 33 définit un des petits côtés de sa cavité associée. Les cloisons 33 et cavités 34 coopèrent avec la face exté- rieure radiale lisse 12 a de la garniture d'étanchéité inté- rieure 12 pour définir un palier à gaz hydrodynamique Ainsi, pendant la rotation de l'organe extérieur 18, la garniture d'étanchéité 11 est supportée hydrodynamiquement en direction radiale par la garniture d'étanchéité intérieure 12 Les faces de joints 14 et 15 sont en regard. On voit donc que comme la garniture d'étanchéité intérieure 12 est commandée par les doigts ovales 22 pour rester coa- xiale à l'organe intérieur 17 et comme l'intervalle entre les faces de joints en regard 14 et 15 est constant, les garnitures d'étanchéité intérieure et extérieure 12 et 11, seront coaxiales De plus, elles resteront coaxiales au cas o les organes relativement rotatifs 17 et 18 se dépla- çant de façon à ne plus être en position relative coaxiale 2537687. -7- parce qu'un mouvement radial relatif est possible entre la garniture d'étanchéité 11 et le canal 29 dans lequel elle est logée En outre, comme les garnitures d'étanchéité 11 et 12 sont libres de se dilater thermiquement et de se contracter radialement dans leurs canaux respectifs 24 et 29, toute dilation ou contraction thermique des organes relativement rotatifs 17 et 18 seront indépendantes en sens radial de toute dilatation ou contraction thermique des garnitures d'étanchéité 11 et 12 Comme les garnitures d'étanchéité intérieure 12 et extérieure 11 sont réalisées dans les mêmes matériaux, l'intervalle 13 entre elles reste- ra sensiblement constant pendant les variations de températu: L'intervalle 13 peut ainsi être prévu pour être très petit, ci qui assure l'efficacité de l'étanchéité sans risquer que les faces de joints 14 et 15 soient amenées en contact l'une avec l'autre du fait de charges radiales appliquée sur elles par les organes rotatifs intérieur et extérieur 17 ou 18 ou du fait que les organes 17 ou 18 se déplacent pour ne plus être coaxiaux. Il va de soi que le mode de réalisation décrit n'est qu'un exemple et qu'il serait possible de le modifier, notamment par substitution d'équivalents techniques, sans sortir pour cela du cadre de l'invention. 2537687. 8- Revendications 1 Joint approprié à réaliser l'étanchéité entre deux organes relativement rotatifs montés sensiblement coaxialement compre- nant deux garnitures d'étanchéité annulaires ayant sensible- ment les mêmes coefficients de dilatation thermique, qui sont respectivement montées sur lesdits organes relativement rotatifs de façon à pouvoir tourner avec eux et avoir des faces de joints annulaires en regard écartées radialement, chacun desdits organes relativement rotatifs étant muni de moyens de retenue annulaires pour retenir axialement les garnitures d'étanchéité et assurer un joint entre chacune des garnitures et l'organe auquel elle est attachée tout en permettant un degré limité de mouvement radial entre eux, caractérisé en ce qu'une des garnitures d'étanchéité ( 12) est retenue sur son organe respectif ( 17) de façon à y être maintenue en position coaxiale, l'autre ( 11) des garnitures d'étanchéité étant retenue sur son organe respectif ( 18) de façon à pouvoir se déplacer pour ne plus être en position coaxiale, lesdites garnitures d'étanchéité ( 11, 12) ayant des parties annulaires en regard écartées radialement ( 1 la, 12 a) qui ont une configuration telle que lors de la rotation relative des organes ( 17, 18) elles définissent un palier à gaz hydrodynamique, dont le fonctionnement est tel que la garniture d'étanchéité ( 11) qui peut se déplacer pour ne plus être coaxiale par rapport à son organe respectif ( 18) est supportée hydrodynamiquement par l'autre garniture d'étanché- ité ( 12) de façon que les garnitures d'étanchéité ( 11, 12) soient maintenues en position coaxiale. 2 Joint selon la revendication 1, caractérisé en ce que les moyens annulaires pour retenir axialement les garnitures d'étanchéité ( 11, 12) comprennent un canal circonférenciel ( 21, 29) défini sur chacun des organes relativement rotatif ( 17, 18), chacune des garnitures d'étanchéité ( 11, 12) étant montée de façon à pouvoir glisser tout en restant en contact étanche avec son canal respectif ( 21, 29) de façon à être -9- retenues axialement par celui-ci. 3 Joint selon une des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce qu'une ( 12) des garnitures et l'organe ( 17) sur lequel elle est montée sont munis de reliefs ( 22) et de cavités ( 23) correspondantes s'étendant radialement, qui coopèrent pour maintenir la garniture d'étanchéité ( 12) et l'organe ( 17) en position coaxiale. 4 Joint selon une des revendications précédentes, caractérisé en ce que les garnitures d'étanchéité ( 11, 12) sont réalisées en un matériau ayant un faible coefficient de dilatation ther- mique. 5 Joint selon une des revendications précédentes, caractérisé en ce que les garnitures d'étanchéité ( 11, 12) sont réalisées en un matériau ayant une haute rigidité spécifique. 6 Joint selon une des revendications précédentes, caractérisé en ce que les garnitures d'étanchéité ( 11, 12) sont réalisées en un composite céramique ou en un matériau composite compre- nant des fibres de carbone enrobées dans une matrice de carbone. 7 Joint selon une des revendications précédentes, caractérisé en ce que les garnitures d'étanchéité ( 11, 12) sont enduites d'un revêtement anti-oxydant.