Brevet FR2557208A1 — publié le 19850628

MOYEN DE LIAISON ENTRE DEUX ELEMENTS CYLINDRIQUES COAXIAUX NOTAMMENT FIXATION D'UN JOINT LABYRINTHE SUR L'ARBRE D'UNE TURBOMACHINE L'invention porte sur un moyen de liaison entre deux élé- ments cylindriques emboîtés l'un dans l'autre grâce auquel ces deux éléments sont immobilis6s l'un par rapport à l'autre aussi bien en translation qu'en rotation. L'inven- tion concerne en particulier la fixation d'un joint laby- rinthe sur un arbre de turbomachine. Le fonctionnement desturbomachines met en jeu des fluides à différents niveaux de pression entre des zones séparées par des éléments coaxiaux rotatifs entre eux qui sont le siège de débits de fuite de la haute vers la basse pres- sion au droit des joints d'étanchéit6. La qualité de tels joints d'étanchéité est déterminante pour les performances de la turbomachine car l'importance des débits de fuite a un effet direct sur le rendement global de la machine et en particulier sur la consommation spécifique. De tels joints, lorsqu'ils sont du type à labyrinthe, sont constitués d'une série de dents ou léchettes de forme an- nulaire montées généralement parallèlement entre elles à la périphérie de l'un des éléments mobiles par rapport à l'autre c'est-à-dire soit sur le rotor, soit sur le sta- tor, l'arête de ces léchettes ménageant un jeu déterminé avec une surface d'étanchéité, rapportée sur l'autre élément. Les léchettes sont susceptibles d'usure ou de détériora- tion lorsqu'elles viennent frotter inopportunément la surface d'étanchéité, en cours de fonctionnement. Il est alors nécessaire de les réparer ou de les remplacer. Dans l'application o les joints labyrinthes sont montés sur l'arbre ou le tambour de la turbomachine, les léchet- tes étaient généralement obtenues par usinage dans la masse si bien qu'on ne pouvait remplacer les léchettes qu'en changeant l'arbre complètement. Pour cette raison, on préfère usiner les léchettes dans des viroles cylindri- ques épaisses que l'on rapporte selon l'application sur les arbres ou les stators auxquels ils sont fixés par boulonnage. On peut ainsi les remplacer et les réparer aisément lorsque c'est nécessaire. Dans les moteurs modernes, toutefois, on s'efforce de réduire le nombre de liaisons boulonnées dans les encein- tes dont une paroi est constituée par un élément rotatif, car le frottement de ces boulons sur le fluide de l'en- ceinte provoque un "barattage" et un échauffement interne préjudiciable à la tenue des éléments en présence. L'invention a pour objet un moyen de liaison entre deux éléments cylindriques ajustés l'un dans l'autre, tels qu'un joint labyrinthe et un arbre de turbomachine, dont aucune partie ne constitue en elle-même d'aspérité ou de protubérance entrainant un échauffement par friction avec le milieu ambiant. Selon une caractéristique essentielle de l'invention, ce moyen est constitué par un segment en forme de secteur d'anneau interposé entre les deux éléments; ce segment est en appui par une face contre la paroi de l'un des éléments et s'emboîte dans une gorge de forme complémen- taire à lui,ménagée dans la paroi du second élément. La dimension radiale du segment et de la gorge varie circon- férentiellement de sorte que le segment est bloqué dans la gorge aussi bien en rotation qu'en translation. Le segment est immobilisé par rapport au premier élément au moyen de pions rayonnants. Selon un mode de réalisation préféré de l'invention, la gorge est ménagée dans la paroi de l'élément intérieur à l'autre et a la forme d'une surface torique excentrée par rapport à l'axe commun des éléments et, le segment est un secteur d'anneau symétrique par rapport a sa section transversale d'épaisseur maximale correspondant à la pro- fondeur maximale de la gorge. Un des avantages supplémentaires d'un tel moyen de liaison est de conserver l'intégrité de l'élément intérieur; grâce à ce moyen on évite les perçages qu'aurait nécessi- tés une liaison par boulonnage; dans le cas d'un arbre de turbomachine ceci est un facteur important de tenue méca- nique. Un autre avantage est la répartition sur une plus grande surface des efforts transmis à l'élément intérieur par l'élément extérieur, tels que ceux transmis par le joint labyrinthe à l'arbre lorsqu'il frotte contre l'élément d'étanchéité adjacent. On évite ainsi les surcontraintes locales. D'autres caractéristiques et avantages ressortiront de la description détaillée qui suit donnant un mode de réalisa- tion préféré de l'invention en relation avec les dessins annexés sur lesquels: - la figure 1 représente une portion d'arbre de turboma- chine au niveau d'un joint labyrinthe avec des parties arrachées dévoilant les éléments de fixation, - la figure 2 est une vue en demie- coupe transversale de la figure I selon II, - la figure 3 représente une variante de la virole du joint labyrinthe. Dans un but de clarté, les éléments non nécessaires à la bonne compréhension de l'invention n'ont pas été repré- sentés. Sur la figure 1, la référence 1 désigne un arbre de turbo- machine; cet arbre traversant les parois d'enceinte à différents niveaux de pression, par exemple les parois d'enceintes de palier ou bien les diaphragmes séparant les étages de compresseur ou de turbine, des moyens d'étan- chéité appelés ci-dessus joints sont nécessaires. La figure 1 représente le montage d'un tel joint sur l'arbre. L'arbre 1 comporte sur sa face externe trois portées cy- lindriques 2, 3 et 4 destinées à recevoir les parties correspondantes 10 et 11 d'une virole 6 de joint labyrin- the. Entre les portées 3 et 4 une gorge 5 a section trans- versale en arc de cercle a été usinée; conformément à l'invention, la surface torique ainsi définie par le fond de la gorge est excentrée par rapport à l'axe de l'arbre comme cela apparaît sur la figure 1. Le joint labyrinthe est constitué d'une virole cylindrique 6 qui comprend sur sa face externe une série de léchettes 7 circulaires situées dans des plans radiaux parallèles les uns aux autres. Ces léchettes coopérBnt avec des surfaces d'étanchéité non représentées montées concentriquement à l'arbre sur un élément statorique de la turbomachire. En prolongement de ces léchettes la virole comprend une partie cylindrique plus épaisse 61 sur laquelle sont pré- vus les moyens de fixation du labyrinthe sur l'arbre. A cet effet, une pluralité de perçages radiaux 8 sont répar- tis dans un plan transversal à l'intérieur d'un arc de cercle; dans le mode de réalisation representé, on prévoit 7 perçages répartis sur une demie-circonférence; perpendiculairement à chacun des perçages une fente 9 axiale traverse de part en part la partie cylindrique 61 de la virole, à proximité de sa face externe. Les moyens de fixation sont constitués par un segment 12, des pions cylindriques 16 et des plaquettes de verrouil- lage 17. Le segment 12 est un secteur d'anneau comportant une face cylindrique 14 et une face de section circulaire 13; il est conformé de façon à venir s'ajuster entre la portée 11 de la virole 6 et le fond de la gorge 5, symétriquement par rapport à un plan radial passant par l'axe de l'arbre et l'axe excentré de la gorge. Afin de permettre son mon- tage, le segment est coupé dans sa partie la plus mince sur environ un quart de la circonférence. Il comporte une pluralité de perçages radiaux 15 correspondant aux perça- ges 8 de la virole, un pion cylindrique 16 de fixation vient se loger dans chacun des trous radiaux formés des perçages 8 et 15 alignés. Chacun des pions est immobilisé radialement entre le fond de la gorge et une plaquette de clinquant 17 glissée dans la fente 9, cette plaquette 17 comporte une cuvette 18 en son milieu, dont la convexité vient se loger dans les pergages 8 verrouillant ainsi les pions radialement et les plaquettes axialement. Le procédé de montage apparaît clairement au vue de la description qui précéde. La première étape consiste à ajuster le segment dans la gorge en prenant soin de le placer symétriquement par rapport au point de profondeur maximal de la gorge. Dans cette position, sa face externe 14 est ainsi dans le prolongement des portées 3 et 4. La seconde étape consiste à faire coulisser la virole 6 sur l'arbre jusqu'à ce que la portée 10 vienne en appui sur la portée 2 et, que la portée 11 chevauche les portées 3 et 4 ainsi que le segment 12; en position les perçages 8 coin- cident avec les perçages 15. On immobilise enfin le laby- rinthe en introduisant les pions 16 dans leur logement et on verrouille l'ensemble au moyen des plaquettes 17 dont on fait coincider les cuvettes 18 avec les trous 8. Pour le démontage du joint labyrinthe, on procède de façon inverse: on retire les plaquettes de clinquant libérant ainsi les pions de fixation qui une fois enlevés permet- tent le coulissement et le retrait du joint labyrinthe de l'arbre. En fonctionnement,en cas de frottement du labyrinthe sur la garniture d'étanchéité,la virole ne peut être entrainée en rotation autour de l'arbre car le segment vient en bu- tée contre le fond de la gorge. Les efforts tangentiels transmis du labyrinthe a l'arbre se répartissent sensible- ment uniformément sur la surface du fond de la gorge évi- tant ainsi les surcontraintes locales. Cependant, en cas de frottement important du labyrinthe contre la garniture d'étanchéité, l'échauffement peut être suffisant pour entrainer une dilatation de la virole et du segment telle, qu'un jeu apparaisse; le segment n'est alors plus en butée contre le fond de la gorge et n'assu- re plus l'immobilisation du labyrinthe. Pour éliminer ce risque on prévoit un moyen retardant la propagation de la chaleur entre les léchettes et l'élément de liaison. La figure 3 montre une variante de virole appliquant ce principe. Entre les léchettes 7 et la partie cylindrique de fixation 61, on a ménagé une masse thermi- que 62 o la virole est plus épaisse, formant ainsi un puits de chaleur pour les calories engendrées par frottement au niveau des léchettes. Afin de limiter la conduction de chaleur entre la masse 62 et la partie 61, celles-ci sont reliées par un col thermique 63 d'épaisseur réduite. La description qui précède s'est attachée a un mode de réalisation préféré, mais il est clair qu'une telle liaison peut avoir un champ d'application très large, notamment: - le labyrinthe peut être fixé de cette façon à un élément stationnaire, - plus généralement, la liaison peut s'appliquer à deux corps de révolution concentriques, stationnaires ou non, sur lesquels on ne souhaite pas ménager de brides de fixation, la gorge peut être ménagée, suivant les nécessités, non dans la paroi du corps de révolution qui est intérieur à l'autre mais dans la paroi de celui qui est extérieur. REVENDICATIONS 1. Moyen de liaison entre deux éléments cylindriques (2, 6) emboités l'un dans l'autre, caractérisé par un segment annulaire (12) disposé entre les deux éléments (2 et 6) en appui contre la paroi de l'un (6) des éléments et logé dans une gorge annulaire (5) de forme complémentaire au dit segment, ménagée dans la paroi adjacente du second élément (2), l'épaisseur du segment et la profondeur cor- respondante de la gorge variant le long de la circonféren- ce des éléments de sorte que lorsque le segment est soli- darisé au premier élément (6) par un moyen de fixation amovible (16) les deux éléments sont immobilisés l'un par rapport à l'autre aussi bien en translation qu'en rotation. 2. Moyen de liaison selon la revendication précédente caractérisé en ce que le moyen de fixation amovible du segment au premier élément (6) est constitué par au moins un pion cylindrique (16) logé dans un perçage rayonnant commun (8 et 15) au dit élément (6) et au segment (12). 3. Moyen de liaison selon la revendication précédente caractérisé en ce que un moyen de verrouillage (17) empêche tout déplacement radial des pions de fixation. 4. Moyen de liaison selon l'une des revendications précé- dentes caractérisé en ce que la gorge (5) est ménagée dans l'élément cylindrique intérieur à l'autre et a la forme d'une surface torique excentrée par rapport à l'axe commun des éléments (2 et 6). 5. Moyen de liaison selon la revendication précédente caractérisé en ce que le premier élément cylindrique est un joint labyrinthe (6) en forme de virole cylindrique comportant des léchettes (7) sur sa face externe, et le deuxième élément est un arbre (2) de turbomachine. 6. Moyen de liaison selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que la gorge (5) est ménagée dans l'élément cylindrique extérieur à l'autre et a la forme d'une surface torique excentrée par rapport à l'axe commun des éléments (2 à 6). 7. Moyen de liaison selon la revendication précédente caractérisé en ce que le premier élément cylindrique est un joint labyrinthe en forme de virole cylindrique compor- tant des léchettes (7) sur sa face interne et le deuxième élément est une partie statorique de turbomachine. 8. Moyen de liaison selon l'une des revendications 4 à 7 caractérisé en ce que le segment (12) est en forme de secteur d'anneau symétrique par rapport à sa section trans- versale d'épaisseur maximale correspondant à la profondeur maximale de la gorge (5) et coupé à sa partie la plus mince afin de permettre l'introduction du segment dans la gorge. 9. Moyen de liaison selon l'une des revendications 5, 7 et 8 caractérisé en ce que la virole (6) du joint labyrinthe comprend dans le prolongement des léchettes (7) une partie cylindrique (61) pourvue d'une pluralité de perçages rayonnants (15) coopérant avec des perçages correspondants dans le segment (12) pour le logement des pions de fixation (16). 10. Moyen de liaison selon la revendication 9 caractérisé en ce que les pions (16) sont verrouillés radialement chacun par une plaquette de clinquant (17) logée dans une fente (9) longitudinale ménagée dans la partie cylindrique (61) de la vircle (6) perpendiculairement aux perçages 8. Les plaquettes étant elles-mêmes verrouillées axialement par une cuvette (18) dans leur partie centrale qui vient 11. Moyen de liaison selon l'une des revendications 9 et caractérisé en ce que la virole (6) est pourvue entre les léchettes (7) et'la partie cylindrique (61) d'une section épaisse (62) suivie d'une section mince (63) jouant le rôle de masse thermique respectivement de col thermique afin de limiter la propagation de la chaleur entre les léchettes et les éléments de fixation du joint sur l'arbre.