Brevet FR2590937A1 — publié le 19870605

Dispositif d'étanchéité pour arbres de turbomachines, notamment de moteurs à turbines à gaz. L'invention a pour objet un dispositif d'étan- chéité pour arbres de tuiDomachines, notamment pour mo- teurs à turbines à gaz à plusieurs arbres, entre un arbre intérieur et un arbre extérieur coaxial entourant l'arbre intérieur à distance. De tels dispositifs d'étanchéité sont aussi désignés dans le langage spécialisé par "dispositifs d'étanchéité entre arbres". Ils sont prévus, entre autres, pour séparer entre elles des zones de rotors de turbomachines, par exemple de moteurs à turbines à gaz, devant être sollicitées par des fluides identiques ou différents, par exemple gaz/gaz ou gaz/carburant, avec les pertes par fuites les plus faibles possibles. Dans lesmoteurs à réaction à turbines à gaz à plusieurs arbres, les lignes d'arbres creuses, notamment, sont utilisées, par exemple, pour conduire l'air de refroidissement des turbines prélevé dans le compres- seur, l'air de barrage des chambres de paliers, l'air de barrage d'étanchéité rotor-stator ou l'air de dégivrage. On doit alors souvent envoyer l'air prélevé de l'exté- rieur vers le système d'arbres intérieur ou l'évacuer vers l'extérieur à partir du système d'arbres intérieur. Bien que les sections de rotor à plusieurs arbres se recouvrent mutuellement, on doit pouvoir guider,avec le moins possible de fuites, l'air prélevé dans le cadre du parcours qui lui est assigné, ainsi que dans le cadre du niveau de la pression et de la vitesse, pour ne pas nuire au processus de circulation aéro-thermodynamique du moteur et éviter le cas échéant de provoquer des dom- mages mécaniques au moteur (paliers). En tant que dispositifs appelés "dispositifs d'étanchéité entre arbres", on utilise, par exemples,des joints d'étanchéité à labyrinthe, des joints d'étanché- ité à frottement radial ou des joints d'échanchéité à bagues de glissement axial/radial. Les perfectionnements que l'on a cherché à apporter à la conception des dispositifs d'étanchéité mentionnés en ce qui concerne la tendance aux fuites et l'usure (vitesses de rotation des arbres et températures élevées) ont souvent conduit à des solutions compliquées, sujettes aux pannes et défavorables pour lemontage. Dans la plupart des cas, on n'a pas alors tenu compte des déplacements relatifs des arbres en direction axiale. Ce dernier point est valable notamment pour les jointsd'étanchéité à labyrinthe qui obligent à une adaptation relativement précise des pointes d'étanché- ité qui engrènent entre elles comme des peignes ainsi qu'à un nombre relativement important de labyrinthes pour apporter des améliorations en ce qui concerne la tendance aux fuites. Les joints d'étanchéité à frottement radial permettent bien d'envisager des déplacements axiaux relatifs entre deux arbres. Cependant, ils ne convien- nent pas en général pour des vitesses de rotation des arbres relativement élevées et ils sont relativement dé- favorables pour le montage. En effet, par exemple, une bague d'étanchéité du type cuir ou caoutchouc doit être poussée avec un outil spécial, moyennant une déforma- tion plastique, dans un évidement du carter façonné à l'avance en conséquence, suivant une disposition "en prise arrière". La bague doit ensuite être bloquée et en outre liée coaxialement à l'arbre par un fil élastique. Un inconvénient essentiel des joints d'étanché- ité à bagues de glissement axial/radial résulte notamment de la nécessité de baguesd'étanchéité fendues et des zones de fuites supplémentaires qui en résultent. En outre, cette conception d'étanchéité fait naître des problèmes en ce qui concerne la précision de planéité requise et l'usure des surfaces de glissement axiales, ce qui est également valable de façon correspondante 2g590937 pour des joints à bagues de glissement purement radial. On connaît également des joints d'étanchéité à bagues de glissement à fonctionnement par gaz ou hy- drodynamique entre le rotor et le stator d'une turboma- chine correspondante qui, pour réduire l'usure le plus possible, réalisent par commande thermique ou fluidique une structure d intervalle d'étanchéité et de graissage entre des surfaces d étanchéité radiales correspondantes. Compte tenu de la réalisation particulière de poches portant du lubrifiant le long des surfaces de glissement ainsi que de conduits de refroidissement de configuration variable sur la périphérie de la bague d'étanchéité tournante, les dispositifs dgétanchéité basés sur de telles conceptions sont de construction relativement compliquée et onéreuse. A la base de -l invention se pose le problème de créer un dispositif'd'étanchéité convenant pour des sens de rotation d'arbres identiques ou opposés, ce dispositif n'entraînant que des fuites extrêmement fai- bles et permettant des déplacements axiaux relatifs sans entraves entre les arbres, le dispositif étant en outre favorable pour le montage et peu sensible à l'usure. A cet effet, l'invention concerne un dispo- sitif d'étanchéité du type ci-dessus caractérisé en ce que: a) il est prévu deux bagues d'étanchéité venant, en posi- tion de repos, en contact étanche sur tout le pourtour de l'arbre intérieur en ménageant un intervalle d'étan- chéité périphérique prédéterminé (B) à lsymtrie de révolu- tion; b) les bagues d'étanchéité sont appuyées élastiquement en direction axiale entre des parois radiales d'un carter de l'arbre extérieur, ledit carter s'étendant sur au moins une partie de la distance entre les arbres; c) les bagues d'étanchéité sont suspendues sur des cen- tres de rotation du carter, de préférence décalés entre eux de 180 et peuvent, sous l'action de la force cen- trifuge développée pendant le fonctionnement, Étre dé- placées latéralement jusqu'au contact des surfaces inté- rieures du carter en parcourant des intervalles périphé- riques extérieurs prédéterminés (A) à symétrie de révo- lution; d) les bagues d' étanchéité s' appuient sur le carter par l'intermédiaire de moyens à ressort imposant dans la position de repos la symétrie de ré- volution de tous les intervalles (A,B). A l'arrêt, il s'établit donc entre les deux bagues d'étanchéité et l'arbre situé à l'intérieur un intervalle d'étanchéité ou intervalle radial coaxial qui est déjà relativement faible. Les éléments élastiques correspondants assurent cette position annulaire coaxiale. Lors de la rotation des deux arbres (rotation en sens inverse ou dans le même sens), chaque baque d'étanchéité-pivote sous l'action de la force centri- fuge qui agit sur elle autour de son point de rotation excentré jusqu'à ce qu'elle s'appuie dans le carter. Il s'établit ainsi un intervalle d'étanchéité non-symétri- que. Par suite de la disposition à point de rotation décalé, la somme des intervalles non-symétriques extrê- mement faibles provoqués par le chevauchement des bagues est bien plus faible que l'intervalle d'étanchéité coa- xial qui est de toute façon déjà relativement faible et qui correspond à l'arrêt. Des modes de réalisation avantageux de l'in- vention sont décrits dans la suite. L'invention est décrite plus en détail ci-après en se référant aux dessins annexés représentant des exemples de réalisation, dessins dans lesquels: la Fig.1 est une vue en coupe transversale du dispositif d'étanchéité avec l'arbre extérieur et l'arbre intérieur; - la Fig. 2 est une coupe axiale du dispositif d'étanchéité avec une représentation partielle de l'arbre extérieur et de l'arbre intérieur, l'unedes bagues d'étanchéité, à droite sur la Fig.2, étant cependant simplement décalée de 90 par rapport à l'autre bague d'étanchéité située à droite, pour indiquer l'intervalle périphérique par rapport au carter; - la Fig. 3 est une vue du dispositif d'étan- chéité suivant la Fig.1, mais en indiquant ici la posi- tion de service de l'une des bagues d'étanchéité avec l'élément à ressort de rappel déformé; - la Fig.4 représente le dispositif à bagues d'étanchéité suspendu et combiné avec un décalage angu- laire effectif de 180 avec indication de la position de service conjointe, en prenant en compte des largeurs éga- les d'intervalles prédéterminés (A = B); et, - la Fig 5 est une vue en coupe partielle schématique correspondant à la Fig.4, en représentant cependant ici une position de service des bagues résul- tant de largeurs différentes d'intervalles prédéterminés (A>B). Conformément à la Fig.1 et à la Fig.2, le dis- positif d'étanchéité entre arbres est constitué de bagues d'étanchéité 4 et 5 disposées dans un carter 3 entre un arbre extérieur 1 et un arbre intérieur 2. Le carter comporte notamment des parois radiales 6,6' s'avançant dans l'espace intermédiaire entre les deux arbres 1,2, les deux bagues d'étanchéité 4,5 étant appuyées en di- rection axiale entre ces parois avec interposition d'une rondelle Belleville 17. Au lieu de la rondelle Belleville, on pourrait aussi prévoir un autre élément à ressort, par exemple une rondelle ondulée ou similaire. Par la rondelle Belleville 17 ou similaire on peut en outre compenser, par exemple, des différences de dilatation des éléments de construction ou des arbres. Les bagues d'étanchéité sont essentiellement fabriquées avec un matériau métallique. Cependant, par exemple dans le cas présent, elles sont réalisées en même temps sous forme de supports de bagues en carbone 7,8 (Fig.2) qui, dans la position de repos du disposi- tif, entourent l'arbre intérieur 2 avec un intervalle d'étanchéité périphérique à symétrie de révolution (largeur d'intervalle B). Dans certaines réalisatiors les centres de ro- tation des bagues d'étanchéité sont disposés dans un plan médian commun longitudinal ou tranversal aux arbres. Sur des surfaces opposées correspondantes des bagues en carbone 7,8, il y a constamment un contact de surface entre les deux bagues d'étanchéité 4, 5. Les bagues en carbooe 7,8 peuvent, par exemple être posées à chaud sur les bagues d'étanchéité 4,5 ou collées,ou encore cémentées. Comme on peut le voir en outre sur la Fig.1, mais aussi notamment sur la Fig.4, les deux bagues d'é- tanchéité 4,5 sont suspendues pour pivoter sur le carter 3 avec des centres de rotation 9,9' (Fig.4) décalés de sur le périmètre. Il s'agit donc de centres de rotation excentrés 9,9' disposés, suivant la Fig.1 ou la Fig.4, dans un plan médian longitudinal commun. Ce dernier point est valable de façon analogue pour des organes à ressort ,10' disposés en des points des bagues d'étanchéité 4,5 respective- oent opposés aux points de rotation 9,9'. Ces organes à ressort 10,10' provoquent, dans la position de repos, le maintien d'intervalles péri- phériques constants (largeur d'intervalle A), ces inter- valles étant prédéterminés entre les surfaces antago- nistes coaxiales G et les surfaces annulaires extérieures correspondantes. Les surfaces antagonistes coaxiales G qui viennent d'être mentionnées sont constituées sur le carter 3, à savoir sur des parois radiales 18,19 en saillie radiale à partir de ce carter (Fig.1 et Fig.2). Lors de la rotation des arbres et compte tenu de l'action de la force centrifuge ainsi provoquée sur les deux bagues d'étanchéité 4,5, ces dernières sont dé- placées latéralement vers l'extérieur, à laopposé l'une de l'autre, de la largeur d'intervalle prédéterminé A- c 'est-à-dire contre les surfaces antagonistes G {Fig.3 et Fig.4). Ce déplacement a lieu dans une mesure telle qu'il ne subsiste plus de l'intervalle d'étanchéité pé- riphérique coaxial initial (largeur d'intervalle B-Figl) que des intervalles S relativement faibles en forme de croissants, c'està-dire des intervalles minimaux (Fig.4). Pour les figures 1 à 4, on a donc supposé que la largeur A correspondant aux intervalles périphériques était égale à la largeur B de l'intervalle d&étanchéité périph& rique. Lors de L diminution de la vitesse de rotation ou des vitesses de rotation relatives des arbres qui a lieu lors de la coupure du moteur, avec unréduction cor- respondante de l'actionde la force centrifuge, les élé- ments à ressort associés 10,10' imposent la position de repos coaxiale des bagues d'étanchéité 4,5 par déforma- tion de retour appropriée. Cette position de repos suivant la Fig.1 ou la Fig.2 permet un montage et un démontage extrêmement simples des arbres, sans aucune gêne. Conformément à la Fig.5, on a supposé que la largeur d'intervalle A des intervalles périphériques était plus grande que la largeur d'intervalle B de l'intervalle d'étanchéité périphérique. Dans ce cas, il faut compter avec l'usure des bagues en carbone 7,8 (Fig. 2) le long de la zone qui est chaque fois la plus étroite (processus de rodage). Con- formément à la position d'intervalle résiduelle S' en forme de croissant (Fig.5), l'action d'étanchéité peut être davantage optimisée compte tenu de cette circonstance (usure). Conformrdment à la Fig.1, les bagues détan- chéité correspondantes 4,5 sont accrochées dans des évi- dements appropriés des parois radiales interessées 18, 19 du carter 3 par des pattes circulaires 11,11V coaxia- les aux centres ou axes de rotation (12,12'- Fig.2). En examinant la Fig.1 et la Fig.4, on voit en outre que les élements ressort correspondants 10,O ' peuvent être disposes en étant respectivement déca- lés d'un angle de 180 par rapport aux points de rotation 9,9'. Ces éléments à ressort 10,10' sont alors cons- Litués de parties d'extrémité des bagues d'étanchéité 4,5 en saillie latéralement en forme de T. Ces parties d'extrémité s'engagent dans des évidements en forme de poches 13,13' des parois radiales considérées 18, 19 (Fig.1 et Fig.2). Les parties d'extrémité en forme de T comportent des branches élastiques 14,14' recourbées vers l'intérieur en direction radiale, ces branches étant insérées entre des bordures d'extrémité 15, 15' en saillie en direction périphérique des évidements en forme de poches 13,13'. En variante aux éléments à ressort 10,10' décrits précédemment, on a en outre la possibilité, con- formément à la Fig.1, d'appuyer sur le carter 3 au moins une des deux bagues d'étanchéité, par exemple la bague au moyen de deux moyens à ressort 16, 16' décalés d'un angle de 90 environ par rapport au centre de rotation corres- pondant 9, ces moyens exerçant une action de rappel et de centrage. Il peut s'agir notamment de ressorts hélicol- daux, de ressorts spiraux ou similaires. Sur la fig. 1, on voit en outre que les sur- faces antagonistes G formées à l'intérieur du carter ont une symétrie de révolution et sont disposées avec une répartition uniforme par tronçons sur le périmètre. Comme représenté en outre sur la Fig.2, la configuration constructive du carter 3 peut présenter deux éléments séparés, ces éléments étant ensuite assem- blés solidairement avec l'arbre extérieur 1. Mais il serait aussi tout à fait possible, par exemple, de fabri- quer les éléments ou parties de parois 6',18,19 en tant qu'éléments en une seule pièce avec l'arbre 1 et de réaliser seulement la paroi 6 en tant que partie amovi- ble. On pourrait ainsi, par exemple, sans démonter l'arbre et après avoir enlevé la paroi 6, retirer aisément la rondelle Belleville 17 et ensuite les bagues d'étanché- ité 5,4 l'une après l'autre. On peut ainsi effectuer de la façon la plus simple les travaux de montage, d'ins- pection ou d'échange. Ce dernier point est également valable si, par exemple, les éléments de parois 6',18,19 sont des éléments individuels assemblés solidairement en rotation avec l'arbre 1, de sorte qu'en enlevant la paroi 6, la rondelle Belleville 17, par exemple peut être aisément retirée. La réalisation mentionnée en dernier lieu est mise en oeuvre conformément à la fig.2. REVENDICATIONS 1 . Dispositif d'étanchéité pour arbres de turbqmachines, notamment pour moteurs à turbines à gaz à plusieurs arbres, entre un arbre intérieur (2) et un arbre extérieur (1) coaxial entourant l'arbre intérieur à distance, caractérisé en ce aue: a) il est prévu deux bagues d'étanchéité (4, 5) venant, en position de repos, en contact étanche sur tout le pourtour del'arbre intérieur (2) en ménageant un intervalle d'étanchéité périphérique prédéterminé (B) à symétrie de révolution; b) les bagues d'étanchéité (4,5) sont appu- yées élastiquement en direction axiale entre des parois radiales (6,6') d'un carter (3) de l'arbre extérieur (1), ledit carter s'étendant sur au moins une partie de la dis- tance entre les arbres; c) les bagues d'étanchéité (4,5) sont suspen- dues sur des centres de rotation (9,9') du carter (3), de préférence décalés entre eux de 180 et peuvent, sous l'action de la force centrifuge développée, pendant le fonctionnement, être déplacées latéralement jusqu'au con- tact des surfaces intérieures du carter en parcourant des intervalles périphériques extérieurs prédéterminés (A) à symétrie de révolution; d) les bagues d'étanchéité (4,5) s'appuient sur le carter (3) par l'intermédiaire de moyens à ressort (10,10') imposant dans la position de repos la symétrie de révolution de tous les intervalles (A,B). 2 . Dispositif d'étanchéité selon la reven- dication 1, caractérisé en ce que les bagues d'étanchéité (4,5) sont constituées en tant que supports, fabriqués en un matériau métallique, de bagues de carbone (7,8). 3 . Dispositif d'étanchéité selon l'une quelconque des revendications 1 et 2, caractérisé en ce que les centres de rotation (9,9') des bagues d'étanchéité 259093? (Z,5) sont disposés dans un plan médian commun longitu- dinal ou transversal aux arbres Dispositif d'étanchéité selon l'une quelconque des revendications 1 à 3 caractérisé en ce que les surfaces intérieures du carter limitant les intervalles périphériques extérieurs CA) ont une symé- trie de révolution et sont disposées avec une réparti- tion uniforme par tronçons sur le périmètre. . Dispositif d'étanchéité selon la reven- dication 4, caractérisé en ce que les surfaces intérieur rEs sont formées sur des parois radiales 18,19) dis- posées à l'intérieur du carter 3), parois sur lesquel- les sont également suspendues les bagues dOétanchéité (4,5) d'une façon permettant le pivotement de leunscentres de rotation (9,9î) et de leurs axes de rotation 6 . Dispositif d'étanchéité selon l0une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que les bagues d'étanchéité (4,5) s'engagent, au moyen de pattes latérales circulaires (11,1V> en saillie, coaxiales à leurs axes de rotation, dans des évidements correspondants des parois radiales intéressées g18,19). 7 ' Dispositif d'étanchéité selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que les moyens à ressorts (10,10') de chaque bague d'étanchéité (4,5) sont disposés avec un décalage angu- laire de 180 par rapport au centre de rotation corres- pondant (9,9'). 8 . Dispositif d'étanchéité selon la reven- dication 7, caractérisé en ce que les moyens à ressorts (10,10') sont formés par des parties d'extrémité des bagues d'étanchéité (4,5) en saillie latéralement et en forme de T, les parties d'extrémité s'engageant dans des évidements en forme de poches (13,13') des parois radiales intéressées (18,19), ces parties d'extrémité en forme de T comportant des branches élastiques (14,14') recourbées vers l'intérieur en direction radiale, ces branches étant insérées entre des bordures d'etrémih (15,15') en saillie en direction périphérlgu des évi- dements en forme de poches. 9 . Dispositif d'étailncheité selon l'une quel- conque des revendications 1 à 6, caractérisé sn ce qu'au moins l'une des deux bagues d'étanchéité (4,5j s'appuie sur le carter (3) par deux mcyens a ressorts (16,16) tels que ressorts hélicoidaux, ressorts spiraux ou si- milaires, respectivemernt décalés de 90' pr rapport au centre de rotation correspondant (9,9'), Ces moyens à ressorts ayant une action de rappel et Ce centrage. . Dispositif d'étanchéit- selon l'une quelconque des revendications 1 d 9, caractàris en ce que pour l'appui axial élastique des bagues dJétanchéité [4,5), une rondelle Belleville (17), un ressort onduilé ou un organe similaire est disposé dans le carter {3) entre une paroi radiale {6) et une bague d'étanchéité (5). 11 . Dispositif d'étanchéité selon l'une quelconque des revendications 1 à 10, caractérisé en ce que le carter (3) est construit avec une configuration telle qu'il soit un composant en une seule pièce de l'ar- bre extérieur (1). 12 . Dispositif d'étanchéité selon l'une quel- conque des revendications 1 à 10, caractérisé en ce qu'il est fabriqué avec des éléments de construction distincts et est assemblé solidairement en rotation avec l'arbre (1). 13 . Dispositif d'étanchéité selon l'une quel- conque des revendications 1 à 12, caractérisé en ce que 0 la largeur (A) de chaque intervalle périphérique considéré est égale ou supérieure à la largeur (B) de l'intervalle d'étanchéité périphérique.