Brevet FR2595828A1 — publié le 19870918

La présente invention concerne les joints rotatifs d'étanchéité en général et, plus particulièrement, un dispositif et un procédé pour mesurer le débit des fuites dans des joints d'étanchéité à labyrinthe. Les joints rotatifs d'étanchéité comprennent généralement deux éléments pouvant tourner l'un par rapport à l'autre. Dans un joint rotatif d'étanchéité du type à labyrinthe, l'un de ces éléments comporte typiquement une ou 10 plusieurs dents circonférentielles qui sont placées coaxialement par rapport à une surface circonférentielle d'étanchéité du second élément. On utilise des joints d'étanchéité de ce type pour limiter le débit d'un courant gazeux entre des cavités formées par les éléments fixe et rotatif sans 15 gêner le mouvement de rotation de l'élément tournant. Les joints d'étanchéité de ce type présentent un inconvénient lorsque les forces thermiques et mécaniques agissant sur le joint changent. Typiquement, un élément répond rapidement à la variation de la température, ce qui 20 se traduit par une croissance radiale provoquée thermiquement. En même temps, l'autre élément peut s'échauffer plus lentement, d'ou une croissance thermique à une vitesse plus faible. D'une façon similaire, l'élément tournant subira une croissance mécanique lors de son fonctionnement sous l'effet 25 des forces centrifuges. De telles conditions transitoires - 2 peuvent affecter le jeu en fonctionnement dans des conditions constantes. A la température de marche à 1' équilibre, la séparation ou interstice entre les éléments tournant et 5 immobile est conçu pour être fixé à une valeur typiquement petite. Dans la pratique, il se produit une grande variation du jeu de fonctionnement à l'état constant en partie a cause des conditions transitoires ainsi que de la difficulté a calculer les contraintes thermiques/mécaniques à l'état 10 constant. Ces grandes variations rendent très difficile une provision précise du débit des fuites à travers le joint d'étanchéité. La présente invention a pour objet un procédé nouveau et perfectionné pour déterminer l'interstice entre 15 éléments tournant et fixe d'un joint d'étanchéité à labyrinthe. La présente invention a pour objet un procédé pour la mesure du débit d'un courant gazeux à travers un joint d'étanchéité à labyrinthe. La présente invention a encore pour objet un joint d'étanchéité avec un moyen nouveau et perfectionné pour la mesure du débit des fuites traversant le joint. Un mode de réalisation de la présente invention concerne un procédé pour la mesure du débit d'un courant 25 gazeux à travers un joint d'étanchéité à labyrinthe. Le procédé comprend les étapes consistant à injecter un gaz de traçage au droit d'une zone amont du joint et à détecter la concentration du gaz de traçage au droit d'une zone aval du joint d'o la détermination de la dilution du gaz de traçage 30 et donc du débit du courant gazeux. Un autre mode de réalisation de la présente invention concerne un joint rotatif d'étanchéité comportant un moyen qui permet de mesurer le débit le traversant. Le joint comprend un premier élément rotatif et un second élément 35 statique qui coopère avec le premier élément pour limiter le 3 débit d'un courant gazeux les traversant entre une zone amont et une zone aval. Le joint comporte également un moyen d'injection qui permet d'injecter un gaz de traçage dans la zone amont de manière à le mélanger au courant gazeux, 5 formant ainsi un courant mélangé. Le joint comporte en outre un moyen de détection pour mesurer la concentration du gaz de traçage dans la zone aval, d'o la détermination du débit du courant gazeux. La suite de la description qui va suivre se réfère 10 à la figure annexée qui représente: Une vue partielle d'un joint rotatif d'étanchéité selon un mode de réalisation de la présente invention. Dans la figure on a représenté une vue partielle d'un joint rotatif 10 du type à labyrinthe. Des joints 15 d'étanchéité à labyrinthe de ce type trouvent de larges applications et leur emploi est plus particulièrement approprié dans les moteurs à turbine à gaz. Le joint 10 comporte un premier élément rotatif 12 et un second élément statique 14. Le second élément 14 coopère avec le premier élément 12 20 pour limiter le débit d'un courant gazeux 16 les traversant. Le premier élément 12 comporte une multitude de dents d'étanchéité 18. Des dents contiguës 18 sont séparées par un interstice 20. Une zone amont 22 est définie en partie par un premier interstice 20a séparant des dents 25 amont 18a et 18b. Une zone aval 24 est définie en partie par un second interstice 20b séparant deux dents aval 18c et 18d. Le joint rotatif 10 comporte également un moyen pour mesurer le débit d'un courant gazeux 16. Un tel moyen comporte un moyen d'injection 26 afin d'injecter un gaz de 30 traçage dans la zone amont 22, le mélanger au courant gazeux 16 et former ainsi un courant mélangé 28. Ce moyen comporte également un moyen de détection 30 pour mesurer la concentration du gaz de traçage dans la zone aval 24. Dans le mode de réalisation représenté, le moyen 35 d'injection 26 comporte un tube de pulvérisation 32 situé à - 4 l'intérieur d'un premier évidement 34 ménagé dans l'élément statique 14. Le tube 32 est placé dans la direction radiale de l'extérieur par rapport au premier interstice 20A et injecte un gaz de traçage dans la zone amont 22. Selon un 5 mode de réalisation préféré, le tube 32 comporte une multitude de petits trous qui sont généralement dirigés dans le sens radial, comme cela est représenté par la flèche 36. Le moyen de détection 30 comporte un tube perforé 38 situé à l'intérieur d'un second évidement 40 ménagé dans 10 le second élément statique 14 afin de prélever des échantillons du courant mélangé 28. Le tube 38 comporte une pluralité de seconds trous qui, dans un mode de réalisation préféré, sont généralement dirigés dans le sens radial, comme cela est représenté par la flèche 42. Le moyen de détection 30 comprend en outre un analyseur 44 de gaz de traçage, tel que le modèle dit 50-450 Hi-Purity Analyser, analyseur de conductivité thermique qu'on peut se procurer auprès de la société dite GOWMAC Industries, Inc. Dans un autre mode de réalisation de la 20 présente invention, on peut utiliser un appareil de chromatographie en phase gazeuse ou un spectromètre de masse. En fonctionnement, du gaz de traçage en provenance d'une alimentation 46 traversera un dispositif de dosage 48 pour entrer dans un collecteur de distribution ou moyen 25 d'injection 26. Le dispositif de dosage 48 contrôle et mesure le débit du gaz de traçage. On peut se procurer un dispositif de dosage approprié 48, par exemple un débitmetre à surface variable ou un appareil de mesure pour turbine, auprès de la société dite Fisher et Porter, Warminster, 30 Pennsylvanie. On peut utiliser utilement dans la présente invention des gaz divers. Selon un mode de réalisation préféré de l'invention, on utilise du gaz carbonique ou de l'hélium. Le mode de réalisation préféré utilise un analyseur de conductivité thermique comme analyseur de gaz de 35 traçage 44 et du gaz carbonique et de l'hélium conviennent - 5 plus particulièrement pour une telle analyse. Après injection du gaz de traçage, celui-ci se mélange au courant gazeux 16 pour former le courant mélangé 28. Une multitude de trous dirigés vers l'intérieur s'avè5 rent très efficaces pour obtenir un bon mélange du gaz de traçage et du courant gazeux 16. On procède à un échantillonnage du courant mélange 28 dans le tube perforé 38 et cet échantillon entre dans l'analyseur de gaz de traçage 44 afin de détecter la concen10 tration du gaz de traçage dans le courant mélangé. Pour un certain débit du gaz de traçage injecté dans le joint d'étanchéité et une certaine concentration du gaz de traçage dans le courant mélangé, on peut calculer comme suit la fuite du joint d'étanchéité: si Y est le débit massique du 15 courant gazeux 16 traversant le joint, on a alors: y = x(1-c) R(c-j)' expression dans laquelle x est le débit massique du gaz de 20 traçage tel qu'il est mesuré par le dispositif de dosage 48, c est la concentration en volume du gaz de traçage dans le courant mélangé telle qu'elle est mesurée par l'analyseur du gaz 44, R est le rapport entre la densité du gaz de traçage et la densité du l'air, et j est la concentration, en cas 25 d'existence d'une telle concentration, du gaz de traçage dans le courant gazeux 16. Une autre caractéristique de la présente invention concerne la relation entre le nombre des premiers trous ménagés dans le tube 32 et celui des seconds trous pratiqués 30 dans le tube 38. On a découvert qu'on peut choisir l'orientation et le nombre des premiers trous par rapport aux seconds trous pour réduire les effets de mise en phase. En d'autres termes, il peut n'y avoir qu'un mélange partiel du gaz de traçage avec le courant gazeux 16 de sorte qu'il se 35 produit une distribution nonuniforme du courant mélangé 28 - 6 dans le voisinage de la seconde zone 24. De manière à réduire une telle absence d'uniformité, on doit choisir de manière appropriée le motif des trous 32 et 38. Par exemple, dans un mode de réalisation, on utilise 24 trous dans le tube 12 et 18 trous dans le tube 38. Il apparaîtra à l'homme du métier que la présente invention n'est pas limitée au mode de réalisation spécifique décrit et illustré ici. La présente invention n'est également pas limitée aux joints rotatifs d'étanchéité à 10 labyrinthe pour moteurs à turbine à gaz. Au contraire, la présente invention peut également s'appliquer à des joints d'étanchéité pour n'importe quelle autre machine tournante. La présente invention n'est pas non plus limitée aux gaz de traçage ou au moyen de détection particulier qu'on vient de 15 décrire. - 7 2595828 REVENDICATIONS 1. Procédé pour la mesure du débit d'un courant gazeux dans un joint d'étanchéité, caractérisé en ce qu'il comprend les étapes consistant à: injecter un gaz de traçage au droit d'une zone amont (22) du joint; mélanger le gaz de traçage avec le courant gazeux (16) pour former un courant mélangé (28); et détecter la concentration du gaz de traçage dans 10 le courant mélangé au droit d'une zone aval (24) du joint afin de déterminer le débit du courant gazeux. 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que le gaz de traçage comprend CO2 ou He. 3. Joint rotatif d'étanchéité, comprenant: 15 un premier élément rotatif (12); un second élément statique (14) coopérant avec le premier élément pour limiter le débit d'un courant gazeux (16) passant entre eux entre une zone amont (22) et une zone aval (24); et des moyens pour mesurer le débit d'un courant 20 gazeux qui le traverse, caractérisé en ce que ces moyens de mesure comprennent: un moyen d'injection (26) pour injecter un gaz de traçage dans la zone amont afin de le mélanger au courant gazeux, formant ainsi un courant mélangé (28); et un moyen de détection (30) pour mesurer la concentration du gaz de traçage dans la zone aval, d'ou la détermination du débit du couraznt gazeux. 4. Joint selon la revendication 3, caractérisé en ce que le premier élément rotatif (12) comporte une multi30 tude de dents d'étanchéité (18), des dents contiguës étant séparées par un interstice (20). 5. Joint selon la revendication 4, caractérisé en ce que la zone amont (22) est définie en partie par un premier interstice (20a) entre deux dents amont (18a, 18b) 35 et la zone aval (24) définie par un second interstice (20b) entre deux dents aval (18c, 18d). - 8 6. Joint selon la revendication 5, caractérisé en ce que le moyen d'injection (26) comprend un tube de pulvérisation (32) placé à l'intérieur d'un premier évidement (34) ménagé dans le second élément statique. 7. Joint selon la revendication 6, caractérisé en ce que le tube (32) est situé dans la direction radiale de l'extérieur du premier interstice (20a). 8. Joint selon la revendication 5, caractérisé en ce que le moyen de détection (30) comporte un tube perforé 10 (38) situé à l'intérieur d'un second évidement (40) ménagé dans le second élément statique pour procéder & l'échantillonnage du courant mélangé (28). 9. Joint selon la revendication 8, caractérisé en ce que le moyen de détection (30) comprend en outre un analyseur de gaz de traçage (44). 10. Joint selon la revendication 9, caractérisé en ce que l'analyseur de gaz de traçage (44) est un analyseur de conductivité thermique, un appareil de chromatographie en phase gazeuse, ou un spectromètre de masse. 11. Joint selon la revendication 3, caractérisé en ce que le moyen d'injection (26) comprend un tube de pulvérisation (32) dans lequel on a ménagé une multitude de premiers trous. 12. Joint selon la revendication 11, caractérisé 25 en ce que les premiers trous sont généralement dirigés dans le sens radial. 13. Joint selon la revendication 3, caractérisé en ce que le moyen de détection (30) comporte un tube perforé (38) dans lequel on a ménagé une multitude de seconds trous. 30 14. Joint selon la revendication 13, caractérisé en ce que les seconds trous sont généralement dirigés dans le sens radial. 15. Joint selon la revendication 3, caractérisé en ce que le moyen d'injection (26) comprend un tube de pulvé35 risation (32) dans lequel on a ménagé une multitude de - 9 premiers trous, le moyen de détection (30) comporte un tube perforé (38) dans lequel on a ménagé une multitude de seconds trous et le nombre des premiers et seconds trous est choisi de manière à réduire la mise en phase entre les trous. e