Brevet FR2595410A1 — publié le 19870911

La présente invention concerne dans ses grandes lignes un procédé et un dispositif pour transférer un fluide entre des composants tournant de manière différentielle et, plus particulièrement, des joints tournants de transfert de fluide destinés à être employés dans des ensembles tournants. Il existe de nombreuses application dans lesquelles il faut qu'un fluide soit transféré de manière maîtrisée à travers une interface entre des composants tournant de façon différentielle. La plupart des applications de cette nature impliquent un transfert de fluide entre un élément fixe et un élément tournant. Si la rotation est limitée, un tel transfert peut s'effectuer en employant des tuyaux flexibles qui peuvent s'enrouler et se dérouler selon nécessité. En variante, si la rotation relative est lente, un joint de transfert par frottement peut être maintenu solidement contre la surface tournante, et celui-ci est généralement efficace pour maintenir une relation d'étanchéité bien que l'usure et la fuite en découlant soient courantes. Cependant, si la vitesse relative de rotation entre les composants est élevée, les joints de transfert par frottement s'érodent trop rapidement et sont généralement inefficaces et peu pratiques dans de telles applications. Une application dans laquelle une rotation différen- tielle s'effectue à haute vitesse concerne les moteurs à - 2 - turbine à gaz du type actuellement employé dans les avions. Par "rotation différentielle" on veut dire qu'un dispositif tourne par rapport à un dispositif contigu. Il s'agit, par exemple, d'un corps fixe et d'un corps tournant. A titre d'explication, les moteurs à turbine à gaz comportent généralement un générateur de gaz qui comprend un compresseur pour la compression de l'air s'écoulant vers l'arrière du moteur, une chambre de combustion dans laquelle le carburant est mélangé à l'air comprimé et allumé de manière à constituer un courant gazeux présentant une énergie élevée, et une turbine entraînée par la courant gazeux et montée de manière à entraîner un rotor qui commande à son tour le compresseur. De nombreux moteurs comportent en outre une seconde turbine, appelée turbine de puissance, située à l'avant du générateur de gaz et qui extrait l'énergie du courant gazeux pour entraîner une charge tournante ayant des pales à pas variable telles que celles qu'on rencontre dans le propulseur des hélicoptères, les réacteurs à soufflante canalisée, et les turbo-propulseurs. Un perfectionnement récent des réacteurs à double flux et des turbopropulseurs est le réacteur à soufflante non canalisée, décrit dans la demande de brevet des Etats-Unis n 437 923. Dans le réacteur à soufflante non-canalisée, la turbine de puissance comporte des rotors et des aubes de turbine animés d'un mouvement de contra-rotation qui entrai- nent des aubes de soufflante non-canalisée animées d'un mouvement de contra-rotation ou propulseurs situés radiale- ment par rapport à la turbine de puissance. Les propulseurs du réacteur à soufflante non-canalisée sont des aubes à pas variable de manière à obtenir des performances optimum. La demande de brevet français n 86 15542 ayant pour titre "Dispositif de mise en drapeau des pales d'une hélice d'avion", décrit des servo-moteurs hydrauliques situés dans un rotor du réacteur à soufflante non-canalisée afin de faire varier l'angle des aubes du réacteur. Pour actionner - 3 - 2595410 les servo-moteurs, le fluide hydraulique doit être transféré ou pompé sous pression entre un réservoir et les servo- moteurs. Comme les servo-moteurs tournent avec le rotor, il faut qu'un dispositif procède au transfert du fluide entre un réservoir fixe et le rotor ou que le réservoir et l'équipe- ment associé de pressurisation tournent avec le rotor. Cependant, une telle construction est fâcheuse car la masse supplémentaire due au réservoir et à l'équipement dégradera sensiblement l'inertie rotationnelle de la turbine. La présente invention a pour objet un joint perfec- tionné pour le transfert d'un fluide entre des ensembles tournant de manière différentielle. La présente invention a pour autre objet un joint perfectionné pour le transfert d'un fluide sous pression entre des ensembles tournant l'un par rapport à l'autre. La présente invention a aussi pour objet un dispositif pour transférer un fluide entre un élément fixe et un élément tournant dans un réacteur à soufflante non-canalisée. La présente invention a pour autre objet un dispositif et un procédé pour transférer un fluide entre un élément fixe et un élément tournant avec un minimum de frottement. La présente invention a pour autre objet des joints nouveaux et perfectionnés pour le transfert d'un fluide qui présentent une fuite maîtrisée du fluide à travers une interface tournante de manière à agir en lubrifiant. La présente invention a pour objet un procédé et un dispositif permettant le transfert d'un fluide sous pression entre des ensembles tournant de façon différentielle. Dans une application donnée à titre d'exemple, l'invention est utilisée dans un moteur à turbine à gaz ayant un rotor disposé autour d'un stator pour tourner suivant le même axe que le stator. Un premier passage pour fluide est ménagé à l'intérieur du stator et communique avec une zone limite entre le stator et le rotor. Un second passage pour fluide est pratiqué à l'intérieur du rotor et communique également - 4 - 2595410 avec la zone limite. Un joint annulaire placé à l'intérieur de la zone limite sur les deux côtés des premier et second passages et ayant le même axe que la ligne de rotation du rotor créé une interface de fluide qui communique avec les premier et second passages, d'o il résulte que le fluide transporté vers la zone limite via l'un des passages se dirige vers l'autre passage. Dans un mode de réalisation préféré tel qu'il est appliqué au moteur à turbine à gaz, le stator du moteur comprend un canal annulaire définissant un vide annulaire entre le rotor et le stator, suivant le même axe que ces derniers. Le premier passage de fluide ménagé à l'intérieur du stator et le second passage de fluide pratiqué à l'intérieur du rotor communiquent avec le vide annulaire. Un support annulaire est enfermé dans le vide annulaire, en ayant le même axe que celui-ci, et présente au moins une ouverture pour permettre la circulation du fluide. Disposés sur les deux c8tés du second passage de fluide et entre le support annulaire et le rotor des joints créent une première limite de fluide entre le support et le rotor. De préférence, les forces de frottement dues aux joints provoquent la rotation du support annulaire avec le rotor. L'invention comporte en outre des première et seconde interfaces coulis- santes entre le support annulaire et le canal annulaire du stator, l'ouverture ménagée dans le support et le premier passage de fluide étant disposée entre les deux interfaces. De préférence, les deux interfaces sont les seuls points de contact entre le support tournant et une partie fixe du stator. Les deux interfaces définissent une seconde limite de fluide entre le support et le stator, d'o il résulte que le fluide s'écoule entre l'un des deux passages et l'autre, grâce aux deux limites de fluide et à l'ouverture ménagée dans le support. Le support comprend des zones évidées pour définir l'étendue des interfaces coulissantes et pour fournir des zones permettant l'entrée du fluide haute pression. Le - 5 - 2595410 fluide pressurisé dans les zones évidées sert à centrer automatiquement le support pour rendre minimales les forces de friction présentes aux interfaces. La description qui va suivre se réfère aux figures annexées qui représentent respectivement: figure 1, une vue en coupe longitudinale illustrant un joint de transfert de fluide selon la présente invention; figure 2, une vue à grande échelle d'une bague d'étanchéité et de l'interface coulissante de la figure 1; figure 3, une vue en coupe radiale d'un rotor et d'un stator illustrant le joint de transfert de fluide de la figure 1; et figure 4, une vue en coupe longitudinale d'un rotor et d'un stator comportant une multitude de joints de transfert de fluide selon la présente invention. En figures 1 et 3, on a représenté un joint de transfert de fluide 10 tel qu'il serait -appliqué pour permettre le transfert d'un fluide entre un élément fixe et un élément tournant à l'intérieur d'un moteur à turbine à gaz de haute vitesse. Un tel moteur emploie un stator fixe 14 et un élément extérieur tournant ou rotor 16. Le joint 10 convient particulièrement au transfert d'un fluide entre un réservoir situé dans le stator 14 et le rotor 16. Le rotor 16 tourne par rapport au stator 14. Dans le mode de réalisation représenté, le rotor 16 tourne autour de l'axe du stator 14. Le stator 14 comporte un canal annulaire 20 qui définit un vide annulaire 21 entre le rotor 16 et le stator 14. Des premiers passages 22 pour fluide sont ménagés dans le stator 14 et leurs premières extrémités 23 communiquent avec le canal 20 et leurs secondes extrémités avec un réservoir de fluide (non représenté). Le rotor 16 comporte des seconds passages 24 pour fluide, dont les premières extrémités 25 communiquent avec le vide annulaire 21 et les secondes extrémités 27 avec des tubes correspondants de fluide 28. On souhaite acheminer le fluide hydraulique entre les - 6 - 2595410 premiers passages 22 et les seconds passages 24 et vice versa de manière à actionner un servo-moteur fluidique 3 monté sur le rotor tournant 16 afin de faire varier le pas d'une aube 5 d'une hélice. Ce transfert de fluide s'effectue par le joint 10. Le joint 10 comprend un support annulaire 30 et deux bagues d'étanchéité 32 et 34. Le support annulaire 30 est situé à l'intérieur du vide annulaire 21 suivant l'axe du stator 14. Une multitude d'ouvertures 31 ménagées dans le support 30 permettent le passage du fluide. Les bagues d'étanchéité 32 et 34 sont enfermées dans des rainures annulaires correspondantes 33 et 35 du support 30. De préférence, les bagues 32 et 34 sont sollicitées contre le rotor 16 de manière à créer une force de frottement entre eux. Ainsi, les bagues 32 et 34 tournent avec le rotor 16. De plus, des goujons correspondants 36 et 38, respectivement, bloquent les bagues 32 et 34 contre le support 30. Par conséquent, le support 30 tourne avec le rotor 16. Les bagues d'étanchéité 32 et 34 créent une première couche limite de fluide 40 entre le support 30 et le rotor 16. La première limite 40 communique tant avec le second passage 24 qu'avec les ouvertures 31. De préférence, les seuls contacts entre l'élément tournant et l'élément fixe se produisent aux première et seconde interfaces coulissantes 44 et 46. La première interface coulissante 44 est située entre une première paroi latérale 50 du support 30 et une première paroi latérale superposée 52 du canal 20. La seconde interface coulissante 46 se trouve entre une seconde paroi latérale 54 du support 30 et une seconde paroi latérale superposée 56 du canal 20. Les deux interfaces coulissantes 44 et 46 définissent une seconde couche limite de fluide 60 entre le support 30 et le stator 14. Pendant la marche, du fluide s'écoule à partir du réservoir pour entrer dans le stator 14, traverse le premier passage 22 et pénètre dans la seconde couche limite 60, traverse l'ouverture 31, entre dans la première couche limite - 7 - 2595410 , puis dans les seconds passages 24 ménagés dans le rotor 16. Ainsi, le fluide est transféré du stator 14 au rotor 16 par l'intermédiaire du joint de transfert de fluide 10. De façon identique, le joint de transfert de fluide 10 permet au fluide de s'écouler du rotor 16 au stator 14. La figure 2 est une vue à grande échelle de la seconde bague d'étanchéité 34. La bague d'étanchéité 34 comporte une première partie évidée 60 sur un côté contigu au rotor 16. De plus, une seconde partie évidée 62 est ménagée sur le côté de la bague 34 dirigée dans le sens opposé à la bague 32 de la figure 1. Les parties 60 et 62 permettent l'écoulement du fluide hydraulique à haute pression autour de la bague 34 et la poussent pour la mettre en relation d'étanchéité avec le rotor 16 et le support 30. Si un déplacement latéral brutal du moteur à turbine provoque le décalage du support vers la droite par rapport au rotor 16, le fluide hydraulique fuira à partir d'un endroit contigu à la seconde zone évidée 62 jusqu'à la zone basse pression 64 du vide annulaire. Cette fuite créera une couche limite basse pression à la seconde zone 62 et une pression différentielle agissant sur le joint 34. Cette pression différentielle provoque le déplacement de la bague 34 vers la droite, dans l'orientation de la figure 2, et sa venue en relation d'étanchéité avec le support 30. Ainsi, la bague 34 est à auto-étanchéité. L'action d'auto- étanchéité de la bague 34 permet un léger mouvement latéral du support 30 par rapport au rotor 16. Bien que la figure 2 n'illustre que la seconde bague d'étanchéité 34, on compren- dra que la première bague d'étanchéité 32 de la figure 1 agit d'une manière similaire. On remarquera que les bagues d'étanchéité 32 et 34 sont des bagues métalliques d'une construction semblable à celle des segments de piston du type qu'on utilise dans ies moteurs à combustion interne. La seconde paroi latérale 54 du support 30 se déplace sur une pellicule de fluide le long de la seconde paroi latérale 56 du stator. La pellicule est créée par une légère - 8 - fuite du fluide hydraulique le long des surfaces 54 et 56 afin de former une couche de fluide 65 à l'intérieur de la seconde interface 46. Cette couche de fluide 65 agit en lubrifiant pour réduire le frottement entre le rotor 14 et le support 30. Ainsi, un nouveau joint à friction est créé à la seconde interface. La seconde paroi latérale 54 du support 30 comporte en outre une partie évidée 68. Cette partie 68 permet au fluide hydraulique d'exercer une pression fluidique latérale sur le support 30. En liaison avec la figure 1 et en conjonction avec la figure 2, une partie évidée 70 est également ménagée dans la première paroi latérale 50 du support 30. Si le support se déplace vers la gauche, lorsqu'on regarde la figure 1, il se produit une fuite plus importante à la seconde interface 46 qui se traduit par une diminution de la pression fluidique agissant sur la paroi latérale 54. Cette diminution de pression provoque la création d'une pression différentielle qui a tendance à obliger le support à se centrer de lui- même à l'intérieur du canal annulaire 20 de manière à atteindre un équilibre des pressions. Cette caractéristique d'auto-centrage réduit le risque de coincement du support contre le stator 14, et créé une interface à faible frottement, relativement constant, entre le rotor et le stator. On se reportera maintenant à la figure 4 qui illustre une multitude de joints 10 de transfert de fluide accouplés au stator 14. Le stator comprend un arbre 70, un premier manchon 72 et un second manchon 74. Le premier manchon 72 a des dimensions qui permettent son montage sur l'arbre suivant le même axe. Le premier manchon 72 comporte une multitude de passages de fluide afin de permettre le transfert du fluide par leur intermédiaire. Une multitude de joints toriques 72 rendent étanche le premier manchon 72 vis- à-vis de l'arbre 70. Les joints toriques sont disposés de chaque côté de chacun des passages ménagés dans le premier manchon 72 de manière à éviter les fuites de fluide _ 9 2 2595410 hydraulique entre l'arbre 70 et le premier manchon 72. Le second manchon 74 est dimensionné de manière à se monter sur le premier manchon 72 suivant le même axe. Le second manchon 74 comporte une multitude de canaux annulaires 20 destinés à recevoir les joints 10 de transfert de fluide. Une multitude d'ouvertures ménagées dans le second manchon 74 sont en alignement avec les passages de fluide du premier manchon 72 de manière à permettre la communication au canal 20 du fluide s'écoulant à partir de l'arbre 70. Une multitude de joints toriques 78 sont disposés de chaque côté de chaque ouverture de manière à éviter les fuites de fluide entre le premier manchon 72 et le second manchon 74. De préférence, une multitude de joints d'appui à haute pression en matériau dit Téflon sont placés en un endroit contigu de chacun des joints toriques 77 et 78. De plus, une multitude de barbacanes 90 sont pratiquées dans le rotor 16 entre les joints 10 de transfert de fluide. Les fuites de fluide hydraulique provenant des interfaces pour les lubrifier s'écoulent dans les barbacanes 90 pour entrer dans un carter situé à l'intérieur du rotor 16. - 10 - 22595410 REVENDICATIONS 1. Joint perfectionné de transfert de fluide (10) dans un moteur à turbine à gaz comprenant un stator (14), un rotor (16) ayant le même axe que le stator, un servo-moteur hydraulique (3) accouplé pour rotation avec le rotor et un dispositif de fourniture de fluide dans le stator afin de fournir du fluide pressurisé au servo-moteur, le joint servant à appliquer du fluide au rotor à partir du stator, caractérisé en ce qu'il comprend: (a) des canaux annulaires (20) formés dans le stator, ces canaux ayant au moins un passage (22) pour fluide les reliant au dispositif de fourniture de fluide; (b) au moins un passage de fluide (24) ménagé dans le rotor en un endroit contigu au canal et communiquant avec le servvo-moteur; (c) un support annulaire (30) disposé à l'intérieur du canal annulaire en ayant le même axe que celui-ci et comportant au moins une ouverture (31) pratiquée dans le support pour permettre le passage du fluide; (d) un moyen d'étanchéité (32, 34) entre le support annulaire et le rotor, co-axial à la ligne de rotation du rotor et disposé sur les deux c6tés du second passage de fluide afin de créer une première couche limite de fluide (40) entre le support et le rotor; et (e) des premières et secondes interfaces coulissantes (44, 46) entre le support annulaire et le stator, ces deux interfaces définissant une seconde couche limite de fluide (60) entre le support et le stator, avec l'ouverture du support et le premier passage du fluide communiquant avec la seconde couche limite de fluide, d'o il résulte que le fluide s'écoule entre l'un des deux passages et l'autre par l'intermédiaire des deux couches limites de fluide et de l'ouverture pratiquée dans le support. 2. Joint de transfert de fluide selon la revendication 1, caractérisé en ce que le moyen d'étanchéité comporte deux - il - 2595410 bagues (32, 34), contenues chacune à l'intérieur de rainures correspondantes (33, 35) du support, qui sont sollicitées contre le rotor de manière à créer entre eux une force de frottement, la première couche limite de fluide (40) étant définie par les bagues. 3. Joint de transfert de fluide selon la revendication 2, caractérisé en ce qu'il comprend en outre un moyen (36, 38) accouplé au support pour amener les bagues en contact avec le support afin qu'elles tournent avec lui. 4. Joint de transfert de fluide selon la revendication 2, caractérisé en ce que le fluide de la première couche limite de fluide s'écoule pour entrer dans une partie de chacune des rainures annulaires (33, 35) et exerce une force contre chacune des bagues (32, 34) de manière à les solliciter pour les mettre en relation d'étanchéité avec le support et le rotor. 5. Joint de transfert de fluide selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comporte des parties évidées (68, ) qui sont définies le long des bords extérieurs du support (30) en un endroit contigu aux côtés correspondants du canal, ces parties évidées communiquant avec le fluide sous pres- sion, d'o il résulte que le support est entraîné dans une position centrale à l'intérieur du canal en réponse à des pressions différentielles s'exerçant à l'intérieur de ces parties évidées. 6. Dispositif comprenant un stator (14), un rotor (16) ayant le même axe que le stator, un vide annulaire (21) entre le rotor et le stator et de même axe que ceux-ci et comprenant un canal annulaire (20) dans le stator en un endroit contigu au rotor, un premier passage de fluide (22) ménagé à l'intérieur du stator qui communique avec le vide annulaire et un second passage de fluide (28) pratiqué dans le rotor qui communique avec le vide annulaire, un moyen (10) pour permettre le transfert de fluide entre les premier et second passages, caractérisé en ce qu'il comprend: - 12 - 2595410 (a) un support annulaire (30) contenu à l'intérieur du vide annulaire et de même axe que celui-ci, dans lequel est pratiqué au moins une ouverture (31) pour permettre le passage du fluide; (b) un moyen de joint (32, 34) entre le support annulaire et le rotor, de même axe que la ligne de rotation du rotor et disposé sur les côtés opposés du second passage du fluide afin de définir une zone d'une première couche limite de fluide (40) entre le support et le rotor; (c) des première et seconde interfaces coulissantes (44, 46) entre le support annulaire et le canal annulaire du stator, avec l'ouverture ménagée dans le support et le premier passage de fluide disposé entre les deux interfaces, ces deux interfaces définissant une zone d'une seconde couche limite de fluide (60) entre le support et le stator, d'o il résulte que le fluide s'écoule entre l'un des deux passages et l'autre par l'intermédiaire de l'ouverture ménagée dans le support et est dirigé vers l'ouverture par les couches limites de fluide. 7. Dispositif selon la revendication 6, caractérisé en ce que le moyen de joint comprend des première et seconde bagues d'étanchéité (32, 34) contenues chacune à l'intérieur de rainures annulaires correspondantes (33, 35) pratiquées dans le support et sollicitées contre le rotor de manière à créer une force de frottement entre les bagues et le rotor, la zone de la première couche limite de fluide étant disposé entre les bagues. 8. Dispositif selon la revendication 7, caractérisé en ce qu'il comprend en outre un moyen (36, 38) accouplé au support pour venir en contact avec les bagues afin de provoquer la rotation du support avec les bagues. 9. Dispositif selon la revendication 7, caractérisé en ce que le fluide de la première couche limite s'écoule pour entrer dans une partie de chacune des rainures annulaires afin d'exercer une force contre les deux bagues et les - 13 - solliciter de manière à les mettre en relation d'étanchéité avec le support et le rotor. 10. Dispositif selon la revendication 6, caractérisé en ce que la première interface (44) se produit entre une première paroi latérale du canal annulaire et le support et la seconde interface (46) entre une seconde paroi latérale du canal annulaire et le support. 11. Dispositif selon la revendication 10, caractérisé en ce que les parties du support contiguës aux première et seconde parois latérales du canal annulaire sont évidées de manière à réduire la surface de chacune des interfaces et permettre au fluide provenant de la seconde couche limite de fluide (60) de communiquer avec les parties évidées, de manière à fournir un auto-centrage automatique du support à l'intérieur du canal. 12. Dispositif comportant des premier et second élé- ments (14, 16) ayant des rotations différentes, disposés pour rotation suivant un axe, une zone limite entre les éléments, un premier passage de fluide (22) à l'intérieur du premier élément et communiquant avec la zone limite et un second passage de fluide (28) à l'intérieur du second élément et communiquant avec la zone limite, un moyen (10) pour permettre le transfert de fluide entre les premier et second passages de fluide comprenant un moyen de joint annulaire (32, 34) à l'intérieur de la zone limite sur les c6tés opposés des premier et second passages du fluide et de même axe que la ligne de rotation du second élément pour créer une couche limite de fluide (40) qui communique avec les premier et second passages du fluide, d'o il résulte que le fluide acheminé jusqu'à la couche limite de fluide au moyen de l'un des passages de fluide s'écoulera jusqu'à l'autre passage. 13. Procédé, dans un moteur à turbine à gaz comportant un stator (16), un rotor (14) ayant le même axe que le stator, un servo-moteur hydraulique (3) accouplé de manière à - 4 - 2595410 tourner avec le rotor et un dispositif de fourniture de fluide dans le stator afin d'alimenter le servo-moteur en fluide pressurisé, le procédé étant destiné à appliquer au rotor du fluide provenant du stator, caractérisé en ce qu'il comprend les étapes consistant à: (a) ménager un canal annulaire (20) dans le stator; (b) pratiquer au moins un passage de fluide (22) dans le stator pour relier le canal audispositif d'alimentation en fluide; (c) ménager au moins un passage de fluide (28) dans le rotor en un endroit contigu au canal; (d) accoupler au servomoteur le passage de fluide ménagé dans le rotor; (e) insérer un support (30) de joints annulaires (32, 34) à l'intérieur du canal annulaire de façon que le support ait le même axe que le canal; (f) pratiquer au moins une ouverture (31) dans le support pour permettre le passage du fluide; (g) rendre étanches des première et seconde parties du support annulaire contiguës aux côtés opposés du second passage du fluide vis-à-vis du rotor afin de définir une première couche limite de fluide (40) entre le support et le rotor; et (h) former des première et seconde interfaces coulis- santes (44, 46) entre le support annulaire et le stator de manière à définir une seconde couche limite de fluide (60) entre le support et le stator, avec l'ouverture du support et le premier passage de fluide communiquant avec la seconde couche limite de fluide, d'o il résulte que le fluide s'écoule entre l'un des deux passages et l'autre par l'intermédiaire des deux couches limites de fluide et de l'ouverture ménagée dans le support.