Brevet FR2585102A1 — publié le 19870123

Dispositif d'étanchéité d'arbre d'une turbomachine ". L'invention concerne un dispositif destiné à assurer l'étanchéité de l'arbre d'une turbo- machine. I1 est décrit, en se référant aux figures 3 et 4 jointes, un dispositif classique permet- tant d'assurer l'étanchéité de l'arbre d'une turbo- machine. La référence 1 désigne l'arbre d'une turbomachine, et la référence 2 désigne le car- ter de cette turbomachine. Un manchon d'étanchéité 3 est monté le long de l'arbre 1 dans une disposition étanche au fluide, un anneau flottant 4 côté atmosphé- rique, et un anneau flottant 5 csté intérieur de machine, entourant respectivement le manchon d'étan- chéité 3 du côté atmosphérique et du c&té intérieur de machine. Un métal antifriction 6 est appliqué sur les surfaces périphériques intérieures de l'anneau flottant 4 côté atmosphérique et de l'anneau flottant 5 côté intérieur de machine. Des saillies de forme annulaire 4a, 4b prévues sur la partie de bord côté atmosphéri- que de l'anneau flottant côté atmosphérique 4, sont en contact avec une plaque latérale d'étanchéité d'ar- bre 7 fixée au carter 2 dans une position étanche au fluide. Une tige de goujon 8 montée sur la plaque latérale d'étanchéité d'arbre 7 vient s'en- gager contre l'anneau flottant côté atmosphérique 4, et un ressort hélicoidal 9 est logé dans un logement de ressort constitué. par les deux ouvertures formées dans les surfaces se faisant face de l'anneau flottant côté atmosphérique 4 et de l'anneau flottant côté intérieur de machine 5. Une tige de goujon 10 intro- duite dans le ressort hélicoidal 9 est solidaire de l'anneau flottant atmosphérique 4. L'anneau flottant côté intérieur de machine 5 est partiellement en con- tact avec une boite d'étanchéité 11 montée, de manière étanche au fluide, sur le carter 2 dans la partie côté intérieur de machine de la boîte 11, le carter 2 et la boite d'étanchéité 11 comportant res- pectivement des ouvertures d'alimentation d'huile 2a et lla. Du côté atmosphérique de la plaque latérale d'étanchéité d'arbre 7, un capot de carter 12 fixé, de manière étanche au fluide, sur le carter 2, est muni d'un labyrinthe 13 entourant l'arbre 1. La force élastique du ressort hélicoidal 9 pousse les saillies 4a, 4b de l'anneau flottant côté atmosphérique 4, en contact avec la plaque latérale d'étanchéité d'arbre 7, et l'anneau flottant côté intérieur de machine 5 est en contact avec la surface intérieure de la partie côté intérieur de machine de la boîte d'étanchéité 11. Lorsque la turbomachine est entraînée, un fluide d'étanchéité de pression spécifiée, légèrement plus élevée que la pression de fluide à l'intérieur de la turbomachine dont il faut assurer l'étanchéité, traverse les ouver- tures d'alimentation d'huile 2a et lia dans la direction indiquée par la flèche B en figure 3, puis se divise en deux courants. L'un de ces courants traverse l'espace compris entre le manchon d'étan- chéité 3 et l'anneau flottant côté intérieur de - machine 5, puis revient au réservoir de fluide d'étan- chéité. A ce moment, le fluide d'étanchéité sert à assurer l'étanchéité des parties occupées par -le fluide dans la turbomachine, et à lubrifier la zone comprise entre le métal antifriction 6 de l'anneau flot- tant côté intérieur de machine 5 et le manchon d'étan- chéité 3. Dans ce cas, comme l'anneau flottant coté in- térieur de machine 5 est poussé contre l'intérieur de la machine, la bolite d'étanchéité 11 est amenée en con- tact avec l'anneau flottant côté intérieur de machine , dans la partie de contact de celui-ci, comme décrit ci-dessus. Cependant, même si un petit inter- valle reste présent à l'endroit de la partie de contact, du fait par exemple d'une erreur de travail, le fluide d'étanchéité en circulation assure l'étanchéité du petit intervalle situé à cet endroit. L'autre des deux courants ci-des- sus traverse l'espace compris entre le manchon d'étan- chéité 3 et le métal antifriction 6 de l'anneau flottant c8té atmosphérique 4, et l'espace situé sur la surface intérieure du labyrinthe 13 fixé au capot de carter 12, pour revenir au réservoir de fluide d'étanchéité. A ce moment, le fluide d'étanchéité sert à lubrifier l'espace compris entre le métal antifriction 6 et le manchon d'étanchéité 3, et à assurer l'étanchéité de l'espace compris entre les deux, de manière à empêcher l'air atmosphérique de pénétrer à travers celui-ci. L'anneau flottant coté atmosphérique 4 est fortement poussé contre le coté atmosphérique, et les saillies 4a, 4b sont poussées contre la plaque latérale d'étanchéité d'arbre 7, comme décrit ci-dessus. Cependant, même si un petit espace reste présent entre les saillies 4a, 4b et la plaque 7, le fluide d'étanchéité coule dans cet intervalle pour assurer l'étanchéité entre les pièces et empêcher ainsi l'air atmosphérique de pénétrer à travers celui-ci. Lorsque l'arbre 1 est déformé par suite d'une variation des conditions de charge ou d'une vibration, l'anneau flottant côté atmosphérique 4 glisse sur la plaque latérale d'étanchéité d'arbre 7, avec interposition des saillies 4a, 4b, et l'anneau flottant côté intérieur de machine 5 glisse sur la partie de contact avec la boîte d'étanchéité 11. Comme l'anneau flottant côté atmosphérique 4 est en prise avec la plaque latérale d'étanchéité d'arbre 7, du fait de la presence de la tige de goujon 8, et comme l'anneau flottant côté intérieur de machine 5 est relié à l'anneau flottant côté atmosphérique 4 par le goujon 10, la plaque latérale d'étanchéité d'arbre 7 ne suit pas la déformation de l'arbre 1. Par suite, dans le cas du dispo- sitif d'étanchéité d'arbre de la turbomachine repré- sentée aux figures 3 et 4, une pression P de liquide d'étanchéité agit sur la surface côté intérieur de machine de la plaque latérale d'étanchéité d'arbre 7, et sur la surface périphérique de l'anneau flottant côté atmosphérique 4, comme indiqué en figure 5. De plus, la pression atmosphérique agit également sur la surface côté atmosphérique de la plaque latérale d'étanchéité d'arbre 7, et une pression répartie de manière inclinée agit sur la surface du métal anti- friction 6 de l'anneau flottant côté atmosphérique 4. Ceci veut dire que la pression atmosphérique est appliquée sur la partie de surface d'extrémité, du c&té atmosphérique du métal antifric- tion 6 de l'anneau flottant côté atmosphérique 4, et que la pression P du liquide d'étanchéité est appli- quée sur la partie de surface d'extrémité du côté intérieur de machine de ce même métal antifriction 6. Par suite, un moment de courbure (Mb) agit sur la plaque latérale d'étanchéité d'arbre 7, de sorte que cette dernière se courbe dans la direction du moment Mb, et que l'anneau flottant côté atmosphéri- que 4 se courbe dans la direction d'un moment Ma, sous l'influence du moment Ma produit par l'action d'une pression Po constituée par la pression diffé- rentielle entre les deux pressions ci-dessus agissant sur les surfaces du métal antifriction 6. Par suite, la plaque latérale d'étanchéité d'arbre 7 est amenée en contact avec l'anneau flottant côté atmosphérique 4 par la partie de bord extérieur de la saillie 4a, ce qui a pour résultat de diminuer considérablement la surface de contact et d'augmenter notablement la pression de contact. En conséquence, le glissement de l'anneau flottant côté atmosphérique 4 sur la plaque latérale d'étanchéité d'arbre 7 est empêché, de sorte que l'anneau flottant côté atmosphérique 4 ne peut suivre la déformation de l'arbre 1. Pour cette raison, la pression de surface entre le métal antifriction 6 et le manchon d'étanchéité 3 augmente de manière exces- sive, de sorte qu'une perte de frottement de plus en plus forte se fait sur le métal antifriction 6 et sur le manchon d'étanchéité 3. Par suite, l'invention a pour but de créer un dispositif d'étanchéité de l'arbre d'une turbomachine dans lequel aucun contact local ne se produit entre la plaque latérale d'étanchéité d'arbre et l'anneau flottant côté atmosphérique, et dans lequel l'anneau flottant côté atmosphérique suit les déformations de l'arbre, ce qui a pour résultat d'éviter les pertes de frottement et de grippage entre le métal antifriction de l'anneau flottant côté atmosphérique et le manchon d'étanchéité fixé à 2585 1 02 l'arbre, en améliorant ainsi la fiabilité du disposi- tif d'étanchéité de fluide de la turbomachine. A cet effet, l'invention concerne un dispositif d'étanchéité d'arbre d'une turbomachine utilisant une plaque latérale d'étanchéité d'arbre fixée à un carter, un anneau flottant côté atmosphéri- que et un anneau flottant côté intérieur de machine disposés dans une botte d'étanchéité et associés à l'arbre avec interposition d'un petit intervalle de jeu, l'anneau flottant côté atmosphérique comportant une surface d'extrémité coté atmosphérique venant en contact avec la plaque latérale d'étanchéité d'arbre, et l'anneau flottant cote intérieur de machine compor- tant une surface d'extrémité coté intérieur de machine venant en contact avec la boîte d'étanchéité; disposi- tif caractérisé en ce qu'un anneau flexible déformable en conformité avec la déformation de l'anneau flottant côté atmosphérique, pendant l'entraînement de la turbo- machine, est interposé entre l'anneau flottant côté atmosphérique et la plaque latérale d'étanchéité d'arbre. Selon l'invention ainsi réalisée, une partie de grand diamètre de la partie de bord latéral atmosphérique de l'anneau flottant côté atmos- phérique, est déformée en direction du côté atmosphé- rique, sous l'effet de la pression du fluide d'étan- chéité, de manière à pousser la partie de grand diamè- tre de l'anneau flexible qui se déforme ainsi vers le côté atmosphérique. Par suite, un contact uniforme peut être obtenu entre la surface côté intérieur de machine de l'anneau flexible, et la partie de bord latéral côté atmosphérique de l'anneau flottant côté atmosphérique, ce qui permet d'atténuer uniformément la pression de surface entre les deux. Par suite, le 7. mouvement de glissement de l'anneau flottant côté atmosphérique sur l'anneau flexible se trouve facilité, et l'anneau flottant côté atmosphérique suit les déformations de l'arbre, avec pour résultat que la pression de surface entre le métal blanc et le manchon d'étanchéité ne devient pas excessivement grande, de sorte que les pertes de frottement et de grippage ne se produisent pas. De plus, la difference entre les pressions des surfaces avant et arrière sur les par- ties côté intérieur de machine de l'anneau flottant côté intérieur de machine et de la boîte d'étanchéité, restent faibles, de sorte que l'anneau flottant côté intérieur de machine glisse facilement sur l'anneau d'étanchéité. En conséquence, l'anneau flottant côté intérieur de machine suit les déformations de l'arbre, et les pertes de frottement et de grippage ne se pro- duisent pas sur la partie de métal blanc de l'anneau flottant côté intérieur de machine. En résumé, le fluide d'étanchéité assure effectivement l'étanchéité du petit espace compris entre l'arbre et chacun des anneaux flottants côté atmosphérique et côté intérieur de machine. L'invention sera décrite en détail en se référant aux dessins ci-joints dans lesquels: - la figure 1 est une vue en coupe verticale d'un dispositif d'étanchéité d'arbre de turbomachine selon l'invention; - la figure 2 est une vue en coupe verticale agrandie de la partie C de la figure 1; - la figure 3 est une vue en coupe verticale d'un dispositif permettant d'assurer l'étanchéité de l'arbre d'une turbomachine classique; - la figure 4 est une vue en - la figure 5 est une vue en coupe représentant l'influence d'un fluide d'étanchéité sur une plaque latérale d'étanchéité d'arbre et sur un anneau flottant côté atmosphérique d'un dispositif d'étanchéité d'arbre pour turbomachine classique; et - la figure 6 est une vue en coupe représentant l'état de déformation de la plaque latérale d'étanchéité d'arbre et de l'anneau flottant côté atmosphérique du dispositif d'étanchéité d'arbre de la turbomachine classique. Il est maintenant décrit une forme de réalisation d'un dispositif d'étanchéité d'arbre de turbomachine selon l'invention, en se réfé- rant aux figures 1 et 2. Le dispositif comprend un arbre 21, un carter 22, une ouverture d'alimentation d'huile 22a, un manchon d'étanchéité 23, un anneau flottant côté intérieur de machine 25, un métal antifriction 26 appliqué sur la surface périphérique intérieure de l'anneau flottant côté intérieur de machine 25, un ressort hélicoidal 29, une tige de goujon 30, une boite d'étanchéité 31, une ouverture d'alimentation d'huile 31a, un capot de carter 32, et un labyrinthe 33. Ces éléments correspondent à ceux repétés par les références 1, 2, 3, 5, 6, 9, 10, 11, 12 et 13 sur la figure 3. Les caractéristiques de l'inven- tion sont les suivantes: La surface d'extrémité côté atmosphérique 34 d'un anneau flottant côté atmosphéri- que 24, est perpendiculaire à l'axe de l'arbre 21, et cette surface d'extrémité 34 est munie d'une part, en son milieu, d'une rainure de forme annulaire 35, et d'autre part, sur sa partie de grand diamètre, d'un certain nombre de rainures radiales 36. Un métal anti- friction 26 est appliqué sur la surface périphérique in- térieure de l'anneau flottant côté atmosphérique 24, une partie de petit diamètre 37 constituant la sur- face côté intérieur de machine d'une plaque latérale d'étanchéité d'arbre 27 fixée de manière étanche sur le carter 22, est perpendiculaire à l'axe de l'arbre 21, et une cavité de forme annulaire 38 est prévue au voisinage de la partie de petit diamètre 37, une partie d'extrémité extérieure de cette cavité 38 présentant une surface cylindrique 39. De plus, un anneau flexible 40 en résine synthétique est monté entre la plaque laté- rale d'étanchéité d'arbre 27 et l'anneau flottant côté atmosphérique 24, les diamètres intérieur et extérieur de cet anneau flexible 40 étant exactement égaux à ceux de l'anneau flottant côté atmosphérique 24. Une surface D côté intérieur de machine de l'an- neau flexible 40, est perpendiculaire à l'axe de l'arbre 21, et sa surface côté atmosphérique E se présente sous la 'forme d'une surface courbe convexe faisant saillie du côté atmosphérique. Une tige de goujon 28 est fixée à la plaque latérale d'étanchéité d'arbre 27 et s'engage dans une partie d'engagement 24a de l'anneau flottant côté atmosphérique. Lorsque la turbomachine est en- traînée, un fluide d'étanchéité de pression spécifiée légèrement plus élevée que celle du fluide contenu dans la machine, s'écoule dans la direction de la flèche B en traversant les ouvertures d'alimentation d'huile 22a et 31a, pour se diviser ensuite en deux courants. L'un de ces deux courants traverse l'espace compris entre l'anneau flottant côté intérieur de machine 25 et le manchon d'étanchéité 23, pour revenir à un réservoir de fluide d'étanchéité. Dans ce cas, le fluide d'étanchéité se comporte comme dans le cas d'un dispositif d'étanchéité d'arbre de turbo- machine classique. L'autre des deux courants ci- dessus traverse l'espace compris entre le manchon d'étanchéité 23 et le métal blanc 26 de l'anneau flot- tant côté atmosphérique 24, et l'espace compris entre les parties de petit diamètre de l'anneau flexible 40 et de la plaque latérale d'étanchéité d'arbre 27, vers le côté atmosphérique, pour revenir au réservoir de fluide d'étanchéité par une partie intérieure du labyrinthe 33 du capot de carter 32. Dans ce cas, comme indiqué dans la description relative à la figure 5, la surface d'extrémité 34 de l'anneau flottant côté atmosphérique 24 est déformée dans la direction de la flèche F, de sorte que la surface côté intérieur de machine D de l'anneau flexible 40 subit une force de pression, et qu'en réponse à cette force de pression, l'anneau flexible 40 se déforme dans la direction de la flèche F. D'autre part, la plaque latérale d'étanchéité d'arbre 24 est également déformée dans la direction de la flèche C, comme dans la description de la figure 5, mais étant donné que la surface côté atmosphé- rique E de l'anneau flexible 40 présente une forme convexe, le mouvement de la partie de contact de la partie de petit diamètre 37 de la plaque latérale d'étanchéité d'arbre 27 et de la surface côté atmos- phérique E, en direction de la partie de grand diamètre, est plus petit que lorsque la surface latérale E pré- sente une forme plate. Par suite, l'anneau flexible 40 se courbe doucement et un contact uniforme est main- tenu entre la surface côté intérieur de machine D de l'anneau flexible 40 et la surface d'extrémité 34 de l'anneau flottant côté atmosphérique 24. Par suite, la pression de surface entre les deux devient unifor- mément faible, l'anneau flottant côté atmosphérique 24 glisse facilement sur l'anneau flexible 40, et la pression de surface entre le métal antifriction 26 de l'anneau flottant côté atmosphérique 24 et le man- chon d'étanchéité 23 ne devient pas excessivement grande, ce qui a pour résultat d'éviter les pertes de frottement et de grippage du métal antifriction. Ainsi, le fluide d'étanchéité assure l'étanchéité des parties occupées par le fluide et l'atmosphère dans la machine, et lubrifie l'espace compris entre chacune des parties de métal antifriction 26 et le manchon d'étanchéité 23. De plus, l'anneau flottant côté atmosphérique 24 est en prise avec la plaque latérale d'étanchéité d'arbre 27, grâce à l'interposition de la tige de goujon 28, et l'anneau flottant côté intérieur de machine 25 est en prise avec l'anneau flottant côté atmosphérique 24 grâce à la tige de goujon 30. Par suite, l'arbre 21 tourne doucement à l'intérieur des parties de métal antifriction 26, 26, par l'intermédiaire du manchon d'étanchéité 23, de sorte que la turbomachine fonc- tionne dans des conditions de grande douceur. Selon l'invention, un anneau flexible est interposé entre la plaque latérale d'étan- chéité d'arbre et la surface d'extrémité côté atmos- phérique de l'anneau flottant côté atmosphérique, ce qui permet ainsi de diminuer la pression de surface entre l'anneau flexible et l'anneau flottant côté atmosphérique, de façon que l'anneau flottant côté atmosphérique puisse glisser facilement sur l'anneau flexible. De plus, comme l'anneau flottant côté inté- rieur de machine peut également glisser facilement sur la boîte d'étanchéité, dans sa partie de contact, une charge excessive n'est pas appliquée entre les parties de métal antifriction des deux anneaux d'étan- chéité et le manchon d'étanchéité, de sorte qu'on peut ainsi éviter les pertes de frottement et de grippage du métal antifriction, en augmentant ainsi la fiabili- té de l'étanchéité de la turbomachine (antifriction peut signifier également "métal blanc.) R E V E N D I C A T I 0 N S 1 ) Dispositif d'étanchéité d'arbre d'une turbomachine utilisant une plaque laté- rale d'étanchéité d'arbre fixée à un carter, un anneau flottant côté atmosphérique et un anneau flot- tant côté intérieur de machine disposés dans une boîte d'étanchéité et associés à l'arbre avec interposition d'un petit intervalle de jeu, l'anneau flottant côté atmosphérique comportant une surface d'extrémité coté atmosphérique venant en contact avec la plaque latérale d'étanchéité d'arbre, et l'anneau flottant côté intérieur de machine comportant une surface d'extrémité côté intérieur de machine venant en con- tact avec la boîte d'étanchéité; dispositif caracté- risé en ce qu'un anneau flexible déformable (40) en conformité avec la déformation de l'anneau flottant côté atmosphérique (24), pendant l'entraînement de la turbomachine, est interposé entre l'anneau flot- tant côté atmosphérique (24) et la plaque latérale d'étanchéité d'arbre (27). 2 ) Dispositif d'étanchéité d'arbre de turbomachine selon la revendication 1, caractérisé en ce que les diamètres intérieur et extérieur de l'anneau flexible (40) sont exactement égaux à ceux de l'anneau flottant côté atmosphérique (24), en ce que la surface côté intérieur de machine de l'anneau flexible est perpendiculaire à l'axe de l'arbre (21), et en ce que la surface côté atmosphé- rique de l'anneau flexible (24) présente une forme convexe en saillie du côté atmosphérique.