Brevet FR2621970A1 — publié le 19890421

DISPOSITIF D'ETANCHEITE DYNAMIQUE PAR CCRPS CENTRIFFUGF Ta présente invention concerne d'une manière génera- le les dispositifs d'étancheité dynamique par corps centrifugé et plus particulièrement ceux utilisés dans les enceintes de moteurs d'aviation tels que turbo réacteurs et turbo propulseurs dans lesquels il est nécessaire d'installer un dispositif d'étancheité entre deux enceintes contigues. En effet il existe à l'intérieur d'un moteur des enceintes qui pour des raisons fonctionnelles présentent des caractéristiques différentes les unes des autres et qu'il est nécessaire de séparer par des étancheités. C'est ainsi que l'on rencontre des enceintes contenant de l'huile, d'autres uniquement de l'air. Cet air pouvant lui-même être à des niveaux de pression et de température différents. De plus les étancheités à réaliser doivent en fonction de la conception propre de chaque moteur s'intégrer soit entre un arbre tournant et un carter fixe soit entre deux arbres tournants. Les technioues antérieures utilisent différents dispositifs d'étancheité suivant les configurations d'enceintes rencontrées. C'est ainsi qu'entre deux enceintes air l'étancheité est assurée par des labyrinthes. Bien ou'ils présentent certains avantages, leur taux de fuite est élevé (perte de performance) et leur encombrement est volumineux (masse nuisible). Dans un autre type de configuration tel qu'en présence d'une enceinte air et d'une enceinte huile contigues l'application de labyrinthes est plus limitée. Ils tendent de plus en plus à être remplacés par des joints carbone (radiaux segmentés, inter-arbres, faciaux à ressorts ou à soufflet, bague flottante) dont le taux de fuite est nettement plus faible.Tes dispositifs d'étancheité par joints carbone présentent certes cet avantage mais en contre-partie sont limités en vitesse de glissement (ce qui compromet le fonctionnement entre deux arbres tournant en sens inverse) nécessitent un refroidissement (évacuation des calories générées par le frottement) et par conséquent limités en température par les caractéristiques du lubrifiant ; sont sensibles aux déplacements axiaux et radiaux induits par le fonctionnement du moteur4 Bien que le but recherché soit d'étancher au mieux, il se peut au'une fuite fonctionnelle soit nécessaire pour assurer une ventilation interne. le calibrage de cette fuite avec les dispositifs antérieurs est très problématique (difficultés à maitriser les jeux qui garantissent cette fuite du fait qu'ils dépendent de plusieurs paramètres de fonctionnement tels que température, vitesse, caractéristioues propres des moteurs, tolérances de fabrication etc...). La solution principale de l'invention consiste à remplacer les dispositifs d'étancheité antérieurs utilisés pour étancher entre une enceinte air et une enceinte huile dont la température est inférieure à 3000C par un dispositif a corps centrifugé -le terme corps est utilisé au sens large il sera défini tout au long du texte selon les différentes variantes, dans ce cas, le corps est l'huile disponible dans l'enceinte huile- qui assure dès la mise en rotation du moteur une étancheité parfaite à l'air et à l'arrêt une étancheité statique pour éviter oue huile se répende dans l'enceinte air, L'tancheiti statique est conque (en fonction des caractéristiques de fonctionnement du moteur) de telle sorte que dès la mise en rotation elle s'escamote sous 11 effet centrifuge afin de ne générer aucun échauffement dû à son frottement sur l'arbre. L'étancheité dynamique est réalisée par un anneau formé par l'huile dans une gorge et un disque fixe dont le diamètre extérieur est plus grand que le diamètre intérieur de l'anneau (interférence). es dimensions (largeur et profondeur) de la gorge ne sont pas limitées et apportent ainsi une solution à tous les problèmes de déplacements (axiaux et ra diaux). Une autre solution apportée par la forme et les caractéristiques du disque (par exemple état de surface) combinées avec les propriétés auto-lubrifiantes de l'huile conduit à une génération de puissance du dispositif très faible. Ce qui dans la pratique permet d'éviter un système de refroidissement et autorise des vitesses de glissement élevées (vitesses linéaires relatives entre le corps et le disque). Une variante de ce dispositif applicable entre deux enceintes air consiste à remplacer le corps c'est-à-dire l'huile par de la graisse. Dans ce dispositif il y a apport de la graisse qui doit être contenue dans la gorge de ce fait une étancheité statique est nécessaire de part et d'autre du disque. Les températures maxi d'utilisation peuvent atteindre 5000 C. Une autre variante de ce dispositif applicable entre deux enceintes air consiste à remlacer l'huile par de la poudre de carbone ou de la poudre metallicue. Dans ce dispositif il y a apport de la poudre qui doit être contenue dans la gorge de ce fait une étancheité statique est nécessaire de part et d'autre du disque. T es températures maxi d'utilisation peuvent atteindre 700 C. Toutes les solutions proposées ci-dessus concernent des enceintes à un arbre tournant, d'autres variantes sont à considérer dans des enceintes à deux arbres tournants.Donc une autre variante de ce dispositif utilisée entre une enceinte air et une enceinte huile à deux arbres tournants consiste par un aménagement géométrique d'installer la gorge dans l'arbre extérieur et le disque sur l'arbr-intérieur. Le corps étant l'huile disponible dans l'enceinte huile. es températures maxi d'uti isation sont inferieurs à 300 C. Une autre variante du dispositif adapte à deux arbres tournants utilisés entre deux enceintes air consiste à remplacer l'huile par de la graisse. Dans ce dispositif il y a apport de la graisse qui doit être contenue dans la gorge de ce fait une étancheité statique est nécessaire de part et d'autre du disque. la température maxi d'utilisation peuvent atteindre 50000. Une autre variante du dispositif adapté à deux arbres tournants utilisés entre deux enceintes air consiste à remplacer l'huile par de la poudre de carbone ou de la poudre métallique. Dans ce dispositif il y a apport de la poudre qui doit être contenue dans la gorge de ce fait une étancheité statique est nécessaire de part et d'autre du disoue. es températures maxi d'utilisation peuvent atteindre 700 C. Les deux derniers dispositifs décrits à deux arbres tournants s'appliquent indifféremment à des arbres en rotation dans le même sens qu'à des arbres en rotation en sens inverse. Four tous les dispositifs décrits la maitrise parfaite du taux de fuite permet s'il est nécessaire de créer artificiellement une ventilation entre les enceintes de piloter d'une façon précise une fuite fonctionnelle par les trous calibrés. Ce qui apporte une solution au pilotage des fuites fonctionnelles. Une solution à la simplification du montage de tous les dispositifs consiste à concevoir un disque souple en composite ou tresse métallique. Un autre domaine de l'invention est de considérer des solutions pour simplifier le montage de tous les dispositifs.C'est ainsi qu'une solution de otage lorsque les gorges sont intégrées aux arbres est d'uti lisé pour les disques des matériaux souples qui leur assurent une flexibilité e indispensable pour glisser sous le plus petit diamètre de la gorge. ne autre solution en particulier lorsaue le dispositif d'étancheité comporte une double étancheité statique avec de la graisse ou de la poudre consiste à constituer un dispositif complet à éléments indissociables (gorge, disque, étancheités statiques) qui est installé sur moteur dans son intégrité. Les dessins annexés illustrent l'invention La figure 1 représente une vue du dispositif d'étancheitéS dynamique et statique complet à un arbre tournant, le disque fixe, un dispositif d'étancheité secondaire, à alimentation d'huile indirecte selon l'invention. a figure 2 représente une vue détaillée du dispositif d'étan cheité statique selon l'invention. a figure 3 représente une vue détaillée du ressort du dispositif d'étancheité statique. La figure 4 représente une variante du dispositif d'étancheités dynamique et statique complet à un arbre tournant, à deux dispositifs d'étancheité secondaires, à graisse ou à poudre centrifugée selon l'invention. La figure 5 représente une vue du dispositif d'étancheités dynamique et statique complet à 2 arbres tournant dans le même sens, à un dispositif d'étancheité secondaire, à alimentation d'huile directe selon l'invention. a figure 6 représente une vue du dispositif d'étancheités dynamique et statique complet à 2 arbres tournant en sens inverse à un dispositif d'étancheité secondaire, à alimentation d'huile directe selon l'invention. La figure 7 représente une vue du dispositif d'étancheités dynamique et statique complet à 2 arbres tournant dans le même sens, à deux dispositifs d'étancheité secondaires à graisse ou à poudre centrifugée selon l'invention. La figure 8 représente une vue du dispositif d'étancheités dynamique et statique complet à 2 arbres tournant en sensinverse à deux dispositifs d'étancheité secondaires, à graisse ou à poudre centrifugée selon l'invention. La figure 9 représente l'installation d'un dispositif d'étancheité dynamique constitué avant montage sur moteur. La figure 10 représente le détail d'un dispositif d'étancheité dynamique constitué avant montage sur moteur. les figures 11 , 12 et 13 représentent le cycle de montage du dispositif d'étancheité à un arbre tournant avec un disque souple Ia figure 14 représente le montage du dispositif d'étancheité à un arbre tournant avec un disque rigide. Des figures 15 et 16 représentent le cycle de montage du dispositif d'étancheité à 2 arbres tournants avec un disque souple. Ces solutions ainsi que d'autres ressortiront d'une manière plus apparente à la lecture de la description qui va suivre faite en référence aux dessins annéxés. Le dispositif d'étancheité dynamique représenté en figure 1 est composé d'une part d'un arbre 1 dans lequel sont intégrées deux gorges qui contiennent les anneaux d'huile 2 et 3 ainsi qu'un dispositif d'étancheité statique 5 cui sera décrit figure 2 et d'autre part d'un carter 5 dans lequel est installé un disque fixe 7. I'étancheité dynamique (barrage de l'air vers l'enceinte huile) est obtenue grace à l'interf > - rence a (demi différence entre le diamètre D et le diame- tre #A). I'huile de l'enceinte huile dont sa fonction première est de lubrifier les organes contenus dans cette enceinte est utilisée pour créer l'anneau d'huile. L'anneau est formé dès la mise en rotation de l'arbre.Une des gorges permet de capter l'huile 2 et d'alimenter par les trous 4 la gorge qui contient l'anneau d'huile 3. Le circuit de recyclage de l'huile est représenté sur la figure 1 par des flèches. Le dispositif d'étancheité statique 5 représenté figure 2 est installé entre l'arbre 1 et le carter 6. Il comprend un segment 9 et un ressort de rappel dont la forme est précisée figure 3. Le ressort 8 possède une coupe 16 qui lui donne une meilleure souplesse et facilite son montage. Le dispositif d'étancheité statique a pour fonction d'étancher l'huile contenue dans la gorge pendant l'arrêt du moteur et d'e'v.er sa réintroduction dans l'enceinte air. Dès la mise en rotation de l'arbre, le segment est centrifugé et s'escamote pour éviter tout frottement avec l'arbre.Son déplacement est facilité par le jeu d mais limité par le ressort 8 qui dès l'arrêt plaque le segment sur l'arbre. La température d'utilisation de ce dispositif est limitée par la température maxi d'utilisation de l'huile oui pour les huiles actuellement commercialisées est de l'ordre de 300 C. - es matériaux à retenir pour le disque 7 et le segment c le seront en tenant compte de ce niveau de température. Te dispositif d'étancheité représenté sur la figure 4 est corposé des mêmes éléments que celui décrit figure 1, il possède néanmoins une étancheité statique 5 supplémentaire rapportée et maintenue par les vis 10, l'huile est remplacée par de la graisse ou de la poudre métalliaue 14 et disposé d'un système de remplissage et de controle de niveau 11. Sa fonction est de constituer un barrage de l'air d'une enceinte vers l'autre enceinte air. Ia graisse ou la poudre est emprisonnée dans la gorge par une étancheité de part et d'autre du disque. Le principe de fonctionnement du dispositif d'étancheités stati ques est le même que celui de la figure 2. Dans ce dispositif il y a apport du corps (graisse ou poudre). Le corps retenu n'est pas de l'huile pour plusieurs raisons.Ta première est que létancheitL! est située entre deux enceintes air et ou'il nty a pas d'huile disponible aux bornes du dispositif d'étanchiite. Ta deuxième est que le niveau de température des enceintes air peut être nettement plus élévé. C'est ainsi qu'a- vec les graisses actuellement commercialisées la température maxi d'utilisation de ce dispositif d'étancheité atteint 5Qcor tandis au'avec des poudres de carbone ou des poudres métalligues la température d'utilisation peut atteindre 700 C et plus. Les matériaux à retenir pour le disque 7 et le segment 9 le seront en tenant compte de ces niveaux de température.Les dispositifs d'étancheité dynamique représentés figures 5 et 6 sont composés d'une part d'un arbre mobile 13 sur lequel est monté un disque 7 d'autre part d'un autre arbre mobile 12 sur lequel sont intégrés la gorge contenant l'anneau d'huile 3 et un dispositif d'étancheité statique 5. Les arbres 12 et 13 peuvent soit tourner dans le même sens figure 5 soit tourner en sens inverse figure 6. La vitesse de rotation de l'arbre 12 peut être soit supérieure à celle de l'arbre 13 soit inférieure. Le fonctionnement de ce dispositif tant pour l'étancheité dynamique que pour l'étancheité statique est le même que celui décrit pour la figure 1. La température maxi d'utilisation est également limitée à la température maxi d'utilisation de l'huile soit environ 30000. Il assure une étancheité entre une enceinte air et une enceinte huile. es dispositifs d'étan cheité dynamique représentés figures 7 et 8 sont composés des mêmes éléments que ceux décrits figures 5 et 6 ils possèdent néanmoins une étancheité statique 5 supplémentaire rapportée et maintenue par les vis 10, l'huile est remplacée par de la graisse ou de la poudre de carbone ou de la poudre métallique 14---et dispose d'un système de remplissage et de controle de niveau 11. Le principe de fonctionnement et les limites d'u tilisation sont les mêmes que ceux énoncés pour la figure 4. Ces dispositifs assurent une étancheité entre deux enceintes air. les dispositifs d'étancheité dynamique représentés figures 9 et 10 ont la même fonction que ceux représentés figures 7 et 8. La figure 9 représente l'intégration du dispositif 15 entre les arbres 12 et 13. La fixation du dispositif est réalisée sur l'arbre extérieur et l'arbre intérieur par deux circlips ou spirolox 16 et 17. Ta figure 10 représente la constitution du dispositif 15 dont la particularité est qu'iffi est composé d'éléments indissociables prêts à être installés entre les deux arbres.Ce dispositif est constitué d'un tourillon 18 intégrant le disque, de deux coupelles 19 et 20 assemblées par des vis 10 qui forment la gorge, de deux étan chertés statiques 5 et de l'anneau de graisse ou de poudre de carbone ou de poudre métallique 14. Les figures 11, 12 et 13 montrent les différentes étapes du montage d'un dispositif d'étancheité à disque souple. la figure 11 représente avant montage l'arbre 1 et le carter 6 sur lequel est monté le disque 7. Le diamètre D du disque est supérieur au diamètre k de la gorge. Le sens de montage est celui donné par les flèches F. la figure 12 représente le passage du disque sous le A de la gorge.Te passage du disque ne peut être possible qu'avec des matériaux souples. la figure 13 représente le dispositif monté et le retour à la position initiale du dique 7. la figure 14 représente le montage d'un disque 7 rigide installé sur le carter 6. le montage ne peut être réalisé qu'avec une coupelle amovible 21 fixée par des vis 10 sur l'arbre 1. les figures 15 et 16 montrent suivant le même principe que pour les figures 11, 12 et 13 le montage d'un disque souple 7 dans un dispositif d'étancheité à deux arbres 12 et 13. Bien que des formes particulières de la présente invention aient été représentées et décrites en concoit que des variantes d'é- xécution peuvent être envisagées par les spécialistes de cette technique. ar exemple la largeur c dépend directement des d- placements axiaux de la gorge par rapport au disque, l'interférence a dépend des déplacements radiaux entre ces deux mê -aes éléments. Tes caractéristiques du ressort 8 ainsi que du segment dépendent des paramètres moteur (vitesse, diamètre de l'arbre, thermique). Le choix des matériaux du disque et du segment prend en compte les niveaux thermiques. les possibilités d'utilisation d'un disque rigide ou non sont fonction des facilités rencontrées pour le montage. Toutes ces hypothèses devront être prises en compte afin d'optimiser au mieu le dispositif d'étancheité. Le dispositif d'étancheité dynamique et ses variantes selon l'invention sont particulièrement destinés à rem- --lacer sur tous les moteurs d'aviation francais et étrangers tous les dispositifs d'étancheité dynamique antérieurs. REVENDICATIONS 1) Dispositif d'étancheités dynamique et statique caractérisé en ce que d'une part l'étancheité dynamique est réalisée -,ar sur anneau d'huile - centrifugé dans une gorge tournante intégrée à l'arbre 1 et un disque fixe 7, solidaire du carter 6, dont le diz- nètre extérieur D interfère d'une valeur a avec le diamètre inté- Tieur de l'anneau d'huile, d'autre part l'étancheité statique 5 est escamotable en fonctionnement (Figures 1 et 2). 2) Disrositif d'étancheité selon la revendication 1 caractérisée en ce que l'étancheité dynamique est réalisée par un annecu de graisse ou de poudre de carbone ou poudre métallique 14 et vue deux tancheits statiques 5 sont placées de part et d'autre du disque 7 (Figure 4) 3) Dispositif d'étancheité selon revendication 1 caractérisé en ce ue le disque 7 tourne dans le êe sens de rotation ou inverse du sens de rotation de la gorge (Figures 5 et ). 4) Dispositif d'étancheité selon revendication 1 caractérisé en e que l'étancheité dynamique est réalisée par un annea@ de se ou de poudre de carbone ou de poudre métallique 14, que ,ue 7 tourne dans le même sens de rotation ou dans le sens inver- se du sens de rotation de la gorge 12 et nue deux étancheités statiques 5 sont placées de part et d'autre du disque 7 (@igures 7 et 8). 5) Dispositif d'tanceit selon l'une quelconque des revendica- tions 1 , c, 3, 4 caractérisé en ce qu'une fuite fonctionnelle est parfaitement maitrisée par percage de trous calibrés dans le dis que. 6) Montage des dispositifs d'étanchéité selon l'une quelconque des revendications 1, 3 caractérisé en ce que les matériaux retenus (élastomère ou composite) pour le disque lui autorisent une flexibilité (Figures 11, 12, 13 et Figures 15, 16). 7) Dispositif d'étanchéité complet selon revendication 4 caractérisé en ce que tous les éléments constitutifs forment un ensemble indissociable prêt au montage (Figure 10).