Brevet FR2565314A1 — publié le 19851206

La présente invention concerne de manière générale des joints labyrinthe tournants et plus particulièrement des joints labyrinthe tournants utilisés dans les moteurs à turbine à gaz servant à la propulsion des avions. Les joints labyrinthe tournants comportent une grande variété d'utilisation et l'une d'entre elles est de réaliser l'étanchéité entre des cavités sous différentes pressions dans les moteurs à turbine à gaz. De tels joints consistent généralement en deux éléments principaux, c'està dire un joint tournant et un joint statique. Le joint tour- nant, vu en coupe parallèlement à l'axe longitudinal du moteur, comporte fréquemment des rangées de minces projec- tions analogues à des dents s'étendant à partir d'une base relativement plus épaisse radialement vers le joint stati- que. Le joint statique ou stator est normalement constitué par un mince ruban à structure en nid d'abeille. Ces princi- paux éléments sont situés généralement circulairement autour de la dimension axiale (longueur) du moteur et sont placés de manière à comporter entre eux un faible jeu radial qui permet l'assemblage des composants tournants et statiques. Lorsque l'on fait fonctionner le moteur à turbine à gaz, le joint tournant se dilate radialement plus que le stator et vient frotter contre le joint statique. La cons- truction en ruban mince à structure en nid d'abeille du stator diminue la surface sur laquelle les dents de joints 2- viennent frotter et contribue ainsi à réduire la chaleur transférée dans le joint tournant. De plus, les extrémités des dents du joint tournant sont minces de manière à les isoler thermiquement de leur base de support ou structure d'enveloppe. Cependant la configuration mince des dents, est susceptible de subir des avaries qui peuvent provoquer des fissures dans les extrémités de la dent opposées à la base. Dans certains cas, des fissures engendrées par le frottement en fonctionnement peuvent aussi se former sur les extrémités de la dent. Ces fissures de dents de joints se propagent à travers les dents radialement vers l'intérieur dans la structure d'enveloppe de support et, si on ne les détecte pas, peuvent éventuellement se répandre vers les extrémités de la structure de support avec pour résultat l'avarie du joint. La configuration en coupe des dents de joint de l'art antérieur est généralement une configuration triangu- laire tronquée avec des côtés à forte pente aboutissant à une extrémité mince plane. Ces configurations de dents de joint de l'art antérieur n'ont réalisé qu'un blocage ou arrêt insuffisant des fissures une fois que ces dernières avaient commence. Par conséquent un but général de l'invention de réaliser une configuration améliorée pour les dents de joint des joints labyrinthe tournants qui fournisse une résistance fortement accrue à la propagation des fissures. L'invention a aussi pour but de réaliser une con- figuration nouvelle de dents de joint qui résiste à la pro- pagation des fissures tout en conservant une dent mince et légère qui est nécessaire et souhaitable dans les moteurs à turbine à gaz pour propulsion d'avion. On atteint ce but, ainsi que d'autres, en réali- sant un joint labyrinthe tournant qui comporte plusieurs dents de joints annulaires dirigées radialement s'étendant 3- circulairement autour de la périphérie extérieure d'une base, chacune des dents de joints annulaire ayant une partie principale et une partie d'extrémité, la partie principale étant notablement plus épaisse que la partie d'extrémité. Plus particulièrement, la partie principale com- porte des parois principales généralement parallèles qui s'étendent radialement à partir de la base et circulairement autour de la base et de l'axe central du moteur. La_ partie principale comporte en outre des parois circulaires qui forment la circonférence extérieure de la partie principale et se trouvent de chaque côté de la partie d'extrémité. La partie d'extrémité comporte de la même manière des parois d'extrémité généralement parallèles s'étendant radialement à partir des parois circulaires de la partie principale et circulairement autour de l'axe central du moteur. Les parois d'extrémité se terminent sur une surface d'extrémité circu- laire qui forme la circonférence extérieure de la partie d'extrémité. De manière à obtenir les avantages de blocage de fissure de la présente invention, le rapport entre l'épais- seur de la partie principale et l'épaisseur de la partie d'extrémité doit être moins de 5 à 1. De plus, les parois de la partie d'extrémité doivent rejoindre -les parois circulai- res de la partie principale en un congé dont le rayon est approximativement égal à l'épaisseur de la partie d'extrémi- té. Les dents de la présente invention ont montré une amé- lioration d'au moins 3 à 1 quant à la durée de vie de dents et des joints par rapport aux dents des configurations de l'art antérieur. La description qui va suivre se réfère aux figures annexées qui représentent respectivement: - Figure 1, une vue en coupe simplifiée, partiel- lement éclatée d'un moteur d'avion à turbosoufflante; - Figure 2, une vue en coupe partielle d'une tur- bine haute pression à deux étages classiques d'un moteur à -4 turbine à gaz; - Figure 3a, une vue en coupe partielle d'une dent de la présente invention utilisée avec un joint labyrinthe tournant; - Figure 3b, une vue en coupe partielle d'une dent d'un joint labyrinthe tournant de l'art antérieur et, - Figure 4, une courbe représentant la longueur de fissure en fonction des cycles de fatigue pour deux configu- rations de dent de joints labyrinthe tournants. En liaison avec la figure 1, on a représenté de façon schématique un moteur à turbosoufflante généralement désigné par la référence 20. Bien qu'il soit admis que les turbosoufflantes sont bien connues de la technique, une brève description du mode de fonctionnement du moteur 20, permettra de mieux apprécier les relations existantes entre ses différents composants et servira d'arrière-plan à la description de l'invention. On peut considérer que, fonda- mentalement, le moteur 20 comporte un générateur de gaz 22, une soufflante 24 comportant un étage rotatif d'aubes de soufflante 26 et une turbine de soufflante 28 en aval du générateur de gaz 22 et qui est relié à la soufflante 24 par l'arbre 30. Le générateur de gaz 22 comprend un compresseur axial 32 comportant un rotor 34. L'air pénètre par l'entrée 36 se trouvant sur la gauche de la figure 1 en direction de la flèche en trait plein, et est initialement comprimé par les aubes de soufflantes 26. Un capot de soufflante 38 ou nacelle entoure la partie avant du moteur 20 et est relié avec celui-ci par une série d'aubes directrices de sortie 40 s'étendant radiale- ment vers l'extérieur, (une représentée), espacées l'une de l'autre pratiquement avec le même angle tout autour du capot de générateur de gaz 42. Une première partie de l'air fai- blement comprimé, relativement froid refoulé par les aubes de soufflante 26 pénètre -dans la conduite de dérivation de soufflante 44 délimitée entre le capot de générateur de gaz -5 42 et le capot de soufflante 38 et se décharge à travers la tuyère de soufflante 46. Une deuxième partie de l'air com- primé pénètre dans l'entrée 48 du générateur de gaz, est ensuite comprimée par le compresseur axial 32 et est déchar- gée vers la chambre de combustion 50 o l'air est mélangé avec du combustible et enflammé pour fournir des gaz de combustion à énergie élevée qui entraîne la turbine de géné- rateur de gaz 52 (ou turbine haute pression). La turbine 52, à son tour entraîne le rotor 34 au moyen de l'arbre 35 de manière classique pour les moteurs à turbine à gaz. Les gaz chauds de combustion traversent ensuite et entraînent la turbine de soufflante (ou turbine basse pression) qui, à son tour, entraîne la soufflante 24. On obtient ainsi une force de propulsion par l'action de la soufflante 24 déchargeant l'air provenant du conduit de dérivation de soufflante 44 à travers la tuyère de soufflante 46 et par la décharge des gaz de combustion en provenance de la tuyère de générateur de gaz 54 définie en partie par le noyau 56 et le capot 42 du générateur de gaz 22. On remarquera que la pression des différents gaz à l'intérieur du moteur 20 varie en fonction de la position le long de l'axe central du moteur 58. Pour isoler les différentes sections et les pressions qui s'y trouvent l'une de l'autre, on utilise communément des joints labyrinthe tournants. En liaison avec la figure 2, on a représenté une vue partielle d'une turbine haute pression désignée par la référence générale 60 qui est une partie d'un moteur à tur- bine à gaz d'avion qui utilise classiquement des joints labyrinthe tournants. La turbine haute pression comporte une série d'aubes du premier étage s'étendant radialement, mon- tées de manière appropriée sur un disque de premier étage de turbine, un ensemble de ce montage étant représenté et réfé- rencé en 62 et 64 respectivement. La turbine haute pression comporte aussi une série d'aubes du deuxième étage s'étendant radialement, montées de manière appropriée sur -6- des disques de turbine du deuxième étage, dont on a repré- senté un ensemble en 66 et 68 respectivement. Les aubes du premier étage 62 et le disque 64 se trouvent en amont en rapport aux aubes de deuxième étage 66 et au disque 68 qui se trouvent vers l'aval. L'écoulement des gaz chauds dans la turbine haute pression 60 se fait de l'amont vers l'aval, c'est-à-dire de la gauche vers la droite sur la figure 2. La turbine haute pression 60 comporte en outre un joint labyrinthe tournant 70 et un joint statique ou stator 71. Le joint labyrinthe tournant 70 est monté de manière appropriée entre le disque de turbine de premier étage 64 et le disque de turbine de deuxième étage 68. Le joint statique fixe 71 est fixé à l'aube directrice de deuxième étage 73. L'aube directrice de premier étage (non représenté) se trou- ve vers l'amont par rapport aux aubes de premier étage. Le joint labyrinthe tournant 70 comporte une base 72 et une série de dents de joints 74 s'étendant radialement à partir de la surface extérieure périphérique 75 de la base 72. La circonférence extérieure de la dent de joint 74 tour- ne à l'intérieur d'une tolérance faible de la circonférence intérieure du stator 71, réalisant ainsi une étanchéité entre la chambre de premier étage 61 et la chambre de deu- xième étage 63. La base 72, telle que représentée a une configuration annulaire et une section droite de forme géné- ralement courbe, mais d'autres configurations peuvent être fréquemment rencontrées dans les moteurs à turbine à gaz. Les dents de joints 74 peuvent être fixées par exemple par soudage ou bien être usinées d'un seul tenant dans les joints 70 et s'étendent de manière annulaire circulairement autour de la base 72 et de l'axe central 58. Chacune des dents de joints 74 selon la présente invention, comme mieux représenté figure 3A, comporte une partie principale 77 et une partie d'extrémité 78. Chacune des parties principales 77 comporte des parois principales généralement parallèles 79 et 80 qui s'étendent radialement 7- à partir de la base et circulairement autour de l'axe cen- tral du moteur. La partie principale 77 comporte aussi des parois circulaires principales 82 et 84 qui se trouvent le long de la circonférence extérieure de la partie principale 77 de chaque côté de la partie d'extrémité 78. Chacune des parties d'extrémité 78 comporte des parois d'extrémité généralement parallèles et s'étendant radialement 86 et 88, qui s'étendent radialement à partir des parois circulaires 82 et 84 respectivement. La partie d'extrémité 78 comporte en outre une surface d'extrémité circulaire 90 qui s'étend le long de la circonférence exté- rieure de la partie d'extrémité 78, et o les parois d'ex- trémité 86 et 88 s'achèvent, la surface 90 étant coaxiale avec les parois circulaires principales 82 et 84. Pour com- paraison avec les dents de joints de la présente invention représentées figure 3A, on a représenté figure 3B une dent de joint de l'art antérieur 74' qui est généralement de forme triangulaire tronquée. De manière générale, 6 est de l'ordre de 15 et la largeur de la surface d'extrémité 90' (tt,)est de l'ordre de 0,38 mm. Selon la présente invention, de manière à obtenir un blocage ou arrêt effectif de la propagation des fissures, le rapport entre les distances qui séparent les parois prin- cipales 79, 80 (épaisseur principale ou tb)et les parois d'extrémité 86, 88 (épaisseur d'extrémité ou tt,) doit être au moins d'environ 5 à 1. De préférence, les parois d'extrémité 86 et 88 doivent rencontrer les parois circulai- res 82, 84 sans rayon de transition (congé),' mais pour des raisons de résistance à la fatigue on a trouvé q'un certain rayon à cette jonction est souhaité et un rayon de congé ou de jonction, tr, approximativement égal à l'épaisseur d'extrémité tt, est le rayon recommandé. L'efficacité des dents de joints selon la présente invention est représentée en figure 4. On a représenté la longueur de la fissure en fonction des cycles de fatigue en -8- tension. Les essais de tension représentent les contraintes en boucle provoquées par la fatigue auxquelles de tels joints sont communément exposés pendant le fonctionnement du moteur. Un segment de dents de joints classique ayant = 15 , tt, = 0,38 mm a été essayé ainsi qu'un segment de dents de joints de la présente invention ayant tt = 0,38 mm, tb = 2,03 mm et tr = 0,38 mm. Le maté- riau de dent était un alliage à base de nickel que l'on utilise classiquement pour fabriquer de tels joints et la longueur de fissure initiale (X) était 0,508 mm. Comme on le remarquera sur la figure 4, la dent de joint de la présente invention présente une amélioration de 3 à 1 dans le nombre de cycles de rupture par rapport à la dent de joint classique. -9- REVENDICATIONS 1. Joint labyrinthe tournant caractérisé en ce qu'il comporte une base (72) ayant une surface périphérique extérieure (75) et une série de dents de joints (74) diri- gées radialement, d'un seul tenant avec la surface périphé- rique et s'étendant circulairement autour de la surface périphérique extérieure de la base, chacune des dents de joints ayant une partie principale (77) et une partie d'ex- trémité (78), la partie principale (77) étant notablement plus épaisse que la partie d'extrémité (78). Z. Joint labyrinthe tournant selon la revendica- tion 1, caractérisé en ce que chacun des parties principales (77) comportent deux parois principales s'étendant radiale- ment (79, 80) qui sont pratiquement parallèles, la distance entre les parois principales étant l'épaisseur de la partie principale (tb), chacune des parties d'extrémité (78) comporte deux parois d'extrémité s'étendant radialement (86, 88) qui sont pratiquement parallèles l'une à l'autre et aux parois principales, la' distance entre les parois d'extrémité étant l'épaisseur (tt) de la partie d'extrémité, les pa- rois d'extrémité se terminant en une surface d'extrémité (90) s'étendant circulairement. 3. Joint labyrinthe tournant selon la revendica- tion 2, caractérisé en ce que le rapport entre l'épaisseur de la partie principale (tb) et l'épaisseur de la partie d'extrémité (tt) est au moins environ de 5 à 1. 4. Joint labyrinthe tournant selon la revendica- tion 2, caractérisé en ce qu'il comporte en outre des surfa- ces circulaires principales (82, 84) qui se trouvent le long de la circonférence extérieure de la partie principale (77) de chaque côté de la partie d'extrémité associée (78). S. Joint labyrinthe tournant selon la revendica- tion 4, caractérisé en ce que les parois d'extrémité (86, 88) rejoignent les surfaces circulaires (82, 84) principales avec un congé ayant un rayon (tr) pratiquement égal à - 10 - l'épaisseur des parois d'extrémité. 6. Joint labyrinthe tournant adapté pour réaliser l'étanchéité entre deux chambres dans un moteur à turbine à gaz, caractérisé en ce qu'il comporte une base (72) ayant une surface périphérique extérieure (75) et une série de dents de joints annulaires dirigées radialement (74) s'éten- dant circulairement autour de la surface périphérique exté- rieure (75) de la base, chacune des dents de joints annulai- res (74) comportant une partie principale (77) et une partie d'extrémité (78), chacune 'des parties principales (77) ayant deux parois principales pratiquement parallèles s'étendant radialement (79, 80), la distance entre les parois principa- les étant l'épaisseur de la partie principale (tb), chacu- ne des parties d'extrémité (78) comportant deux parois d'ex- trémité s'étendant radialement (86, 88), pratiquement paral- lèles l'une à l'autre et aux parois principales, la distance entre les parois d'extrémité (tt) étant l'épaisseur de la partie d'extrémité, et le rapport entre l'épaisseur princi- pale et l'épaisseur d'extrémité étant au moins d'environ 5 à 1. 7. Joint labyrinthe tournant selon la revendica- tion 6, caractérisé en ce que chacune des parties principa- les (77) comporte deux surfaces circulaires principales (82, 84) situées sur des côtés opposées de la partie d'extrémité (78) associée. 8. Joint labyrinthe tournant selon la revendica- tion 7, caractérisé en ce que chacune des parties d'extrémi- té (78) comporte une surface circulaire d'extrémité (90) coaxiale aux deux surfaces circulaires principales (82, 84) de la partie principale (77) associée. 9. Joint labyrinthe tournant selon la revendica- tion 8, caractérisé en ce que les parois d'extrémité (86, 88) rejoignent les surfaces circulaires principales (82, 84) avec un congé ayant un rayon (tr) pratiquement égal à l'épaisseur des parois d'extrémité. - il - 10. Joint labyrinthe tournant selon la revendica- tion 6, caractérisé en ce que la base est annulaire et a une section droite courbe.