Brevet FR2629890A1 — publié le 19891013

La présente invention concerne des. dispositifs d'étanchéité montés sur des arbres rotatifs tournant à grande vitesse et en particulier le suintement de joints lubrifiés avec de l'huile. Dans un moteur à turbine à gaz le compartiment du palier doit être rendu étanche à l'égard de l'environnement à température et pression plus élevées de l'écoulement des gaz de la turbine. On utilise fréquemment des joints d'étanchéité en carbone et par suite de la vitesse de rotation élevée du moteur à turbine à gaz, ces joints doivent être lubrifiés afin de réduire au minimum le frottement et l'usure et également d'assurer un certain refroidissement. A cet effet de l'huile est amenée à de faibles évidements ménagés dans l'interface entre le joint d'étanchéité et la plaque d'étanchéité. La pression du gaz plus élevée est appliquée à l'endroit du diamètre interne du joint d'étanchéité. En dépit de la force centrifuge et de la pression du gaz tendant à faire sortir l'huile du joint d'étanchéité pour la faire passer vers l'intérieur, vers et dans la chambre du palier, une certaine quantité d'huile se fraye un passage vers et dans le côté du joint d'étanchéité o se trouve le gaz. Si cette l'huile passe dans l'écoulement principal du gaz, elle provoque une contamination des ailettes et/ou des incendies. Il est donc par conséquent important de faire retourner cette huile à la chambre du palier. Le brevet US-4 406 459 concerne le retour de la fuite d'huile vers la chambre du palier. Un anneau tourné vers l'intérieur est formé à l'interface entre le joint d'étanchéité en carbone et la plaque d'étanchéité, les forces centrifuges retenant une masse d'huile dans cet anneau. Des passages pour l'huile sont prévus à travers la plaque d'étanchéité, à partir de l'emplacement dans l'anneau, vers une position située vers l'extérieur dans le sens radial si bien que ces passages opèrent à la manière d'une pompe centrifuge pour pomper l'huile à partir de la zone de l'anneau. Des essais ont montré qu'avec une telle disposition la totalité de l'huile n'est pas retournée à la chambre du palier. D'une certaine manière une partie de l'écoulement d'huile, éventuellement sous la forme d'une pulvérisation, est transportée dans l'écoulement principal du gaz de la turbine à gaz. Un but de l'invention est d'améliorer la récupération de la fuite d'huile afin d'éviter le passage d'une partie de celle-ci dans le trajet d'écoulement du gaz. On suppose que théoriquement l'écoulement d'air limite pompé le long de la face de la structure formant le support du joint d'étanchéité interfère avec le brassage de l'huile dans l'anneau, ce qui provoque une pulvérisation éventuelle d'une portion de l'huile si bien que celle-ci s'échappe au lieu d'être retournée vers la chambre du palier. Par conséquent, suivant l'invention, la structure est modifiée afin de réduire l'écoulement d'air limite pompé par le support du joint d'étanchéité, afin de réduire au minimum la turbulence provoquée dans cette zone par l'écoulement d'air. D'une manière conventionnelle une plaque d'étanchéité circulaire, tournant avec l'arbre, présente une face d'étanchéité radiale qui forme une interface avec l'élément d'étanchéité fixe en carbone et de l'huile est fournie à l'interface d'étanchéité. L'élément d'étanchéité et la plaque d'étanchéité sont conformés de manière à constituer un anneau tourné vers l'intérieur capable de retenir l'huile suintant à travers le joint d'étanchéité. Au moins un passage à travers la plaque d'étanchéité est alimenté afin de pomper l'huile à partir de l'anneau en arrière en direction de la chambre du palier. Une collerette s'étendant axialement, formant une seule pièce avec la plaque d'étanchéité, subdivise la face exposée radiale en portions annulaires interne et externe. Ceci réduit l'extension radiale de la portion externe à une distance inférieure à 8% du rayon externe de la plaque support et de préférence à une distance qui est inférieure à 6% de ce rayon. On décrira ci-après, à titre d'exemple non limitatif, une forme d'exécution de la présente invention, en référence au dessin annexé sur lequel: La figure 1 est une vue en coupe longitudinale faite à travers la zone du dispositif d'étanchéité. La figure 2 est une vue à plus grande échelle montrant d'une manière plus détaillée la disposition du joint d'étanchéité. La figure 3 est un diagramme illustrant l'action de pompage de la plaque plane. La figure 4 est une vue à plus grande échelle d'une portion de la figure 3. Un arbre 10 d'une turbine à gaz, tournant à une vitesse élevée de l'ordre de 8000 à 15000 tours par minute, est supporté dans un palier à rouleaux 12 logé dans une chambre de palier 14. Un anneau à gaz 16 est exposé au trajet d'écoulement du gaz très chaud qui peut atteindre une température dépassant 540 C. Des joints d'étanchéité à bord en lame de couteau peuvent être disposés, si on le désire, dans cet anneau à gaz, afin d'empêcher l'écoulement de gaz de recirculation dans l'espace annulaire. Cependant de tels joints d'étanchéité à bord en lame de couteau ne seraient pas suffisamment étanches pour assurer un étanchement conduisant à empêcher tout passage du gaz vers l'intérieur 18 du compartiment du palier. Pour atteindre cette étanchéité poussée on utilise un joint d'étanchéité en carbone 20 qui présente une surface d'étanchéité radiale 22 en contact interfacial avec la face d'étanchéité radiale 24 prévue à la périphérie externe d'une plaque d'étanchéité circulaire 26. Le joint d'étanchéité en carbone 20 est monté sur un support de joint 28, cet ensemble étant sollicité par un ressort 30 de manière à assurer un contact étanche. Un segement de piston 32 assure l'étanchéité à l'endroit de la circonférence interne du joint d'étanchéité, tout en permettant un mouvement axial de ce joint. Une portion 34, en saillie vers l'intérieur, du joint d'étanchéité s'étend en regard d'une portion de la face d'étanchéité 22 de manière à former un bord d'un anneau 36 tourné vers l'intérieur et adjacent à l'interface d'étanchéité. La plaque d'étanchéité 26 est maintenue contre une collerette 38 de l'arbre 10 au moyen de douilles formant entretoises 40 et 42 et également de la cage interne 44 du palier, tous ces éléments étant maintenus par un organe de blocage non représenté. Un trajet d'écoulement de l'huile comprend des encoches axiales 46 à travers l'entretoise 40, ces encoches communiquant avec un certain nombre de trous radiaux d'alimentation en huile 48 prévus dans la plaque d'étanchéité. Chacun de ces trous alimente un faible évidement ménagé dans la face d'étanchéité radiale 24, l'écoulement d'huile à partir de cette face d'étanchéité passant à travers des ouvertures non représentées, vers et dans la chambre du palier 18. Il y a peut être trente évidements de ce type autour de la périphérie de la face d'étanchéité, ce qui assure un débit d'huile suffisant pour le refroidissement et pour réduire au minimum l'usure du joint d'étanchéité. Cependant une portion de cet écoulement peut passer vers l'intérieur en direction de l'espace annulaire 16. La plaque d'étanchéité 26 présente également un épaulement 50 tourné vers l'intérieur et qui coopère avec le joint d'étanchéité pour former l'anneau 36 tourné vers l'intérieur. La fuite d'huile est collectée pour former une masse d'huile 52 maintenue dans cet anneau sous l'effet de la force centrifuge. Deux trous 54 sont percés dans la plaque d'étanchéité, ces trous s'étendant du bord externe de l'anneau 36 jusqu'à la périphérie externe de la plaque d'étanchéité. Ces trous assurent une action notable de pompage lorsqu'ils sont remplis avec de l'huile, A cause de l'action de la force centrifuge agissant sur cette huile, tout en fonctionnant en tant qu'organes de restriction de l'écoulement lorsque seul de l'air est présent. Ces trous sont dimensionnés avec précision afin d'assurer le compromis désiré entre un pompage suffisant pour éviter la formation croissante d'une masse d'huile et une fuite d'huile excessive vers et dans la chambre du palier. La plaque d'étanchéité circulaire (figure 2) comporte un support radial 56 et elle présente une face radiale exposée 58 qui est divisée, par une collerette 64, en une portion externe 60 et une portion interne 62. L'épaulement 50 tourné vers l'intérieur, qui est prévu à la périphérie externe de la plaque support radiale a un rayon R1 de 7,5cm. Le rayon R2 du bord externe de la collerette 64 est égal 7,1cm, alors que le rayon R3 à l'endroit de la collerette prévue sur l'arbre 10 est égal à 6,8cm. On peut voir que le rapport entre R2 et Rl est égal à 0,947 et par conséquent l'extension radiale de la portion externe 60 est égale à 5,5% du rayon formé par la collerette 50 à l'endroit de la périphérie externe de la face radiale exposée. Sur la figure 3 la courbe 70 illustre d'une manière générale l'action de pompage d'une plaque plane en fonction du rapport entre le rayon interne d'une plaque et le rayon externe de cette plaque, exprimé en pourcentage de l'écoulement produit par une plaque pleine. L'action de pompage varie comme l'expression (1 - (Ri/Ro) 5,75), dans laquelle Ro est le rayon externe de la plaque et Ri est le rayon interne. On peut voir qu'une faible différence dans l'écoulement se produit lorsque la plaque passe d'un disque plein à une plaque annulaire à rayon interne de 50% (point 72) mais que la variation de l'écoulement devient beaucoup plus notable lorsque la portion annulaire résiduelle de la plaque devient de plus en plus petite. Cette même courbe est représentée d'une façon plus détaillée sur la figure 4. Des essais ont été réalisés sur l'appareil connu antérieurement avec un rayon réel R2 égal à 6,8cm, ce qui donne un rapport entre R2 et R1 de 0, 905 (l'extension radiale de la face exposée étant alors égale à 9,5% du rayon externe), et on a noté alors une fuite d'huile appréciable. D'après la théorie développée il convient de noter que suivant la courbe générale ceci se traduit par un écoulement d'air produit de l'ordre de 52% du maximum (point 74), ce que l'on pense être la cause de l'absence de récupération de l'huile. Des essais effectués en utilisant la collerette 64 pour donner au rayon R2 une valeur égale à 7,1cm et par conséquent pour obtenir un rapport entre R2 et R1 de 0,945, ont montré une amélioration notable de la récupération de la fuite d'huile (point 76). Ceci représente une distance radiale entre la collerette 64 et la périphérie de la face exposée radiale de 5,5 pour-cent et dans ce cas la courbe montre que l'écoulement pompé chute à 34% de l'écoulement maximal. Une certaine distance radiale de la portion externe 60 est exigée afin de former une masse d'huile recueillie et de permettre à cette huile de se déplacer circonférentiellement vers les orifices de sortie. Une distance radiale suffisante doit également exister de telle façon que la collerette 64 n'interfère pas avec la portion 34, en saillie vers l'intérieur, du joint d'étanchéité en carbone 20, lorsque la face d'étanchéité 22 s'use. Il convient de noter qu'il y a une modification notable de l'écoulement d'air pompé même pour de légères variations du rapport des rayons dans cette zone et qu'un rapport avec lequel la distance radiale de l'anneau est inférieure à 8% du rayon externe, entraîne une amélioration appréciable alors qu'un rapport similaire de 6% donne une amélioration encore plus sensible. REVENDICATIONS 1.- Dispositif d'étanchéité pour un arbre rotatif tournant & grande vitesse, caractérisé en ce qu'il comprend une plaque d'étanchéité circulaire (26) tournant avec l'arbre (10) et présentant une face d'étanchéité radiale (24) à proximité de sa périphérie externe, cette plaque d'étanchéité (26) comportant également une portion (56) formant support radial laquelle supporte la face d'étanchéité (24) et présente une face exposée radiale (58) située vers l'intérieur par rapport à la face d'étanchéité (24), un élément d'étanchéité fixe (20) ayant une surface d'étanchéité radiale (22) en contact étanche, en formant une interface, avec la face d'étanchéité (24), des moyens (46,48) pour fournir de l'huile à l'interface entre la face d'étanchéité (24) et la surface d'étanchéité radiale (22), l'élément d'étanchéité (20) et la plaque d'étanchéité (26) étant conformés de manière à constituer, à l'endroit du bord interne de la surface d'étanchéité radiale (22) et de la face d'étanchéité (24), un anneau circonférentiel (36) tourné vers l'intérieur, la plaque d'étanchéité (26) étant percée d'au moins un trou (54) à travers elle, ce trou s'étendant de l'anneau (36) jusqu'à la périphérie externe de la plaque d'étanchéité (26), et une collerette (64) s'étendant axialement, formant une seule pièce avec la plaque d'étanchéité (26) pour diviser la face exposée radiale (58) de celle-ci en deux portions annulaires interne (62) et externe (60). 2.- Dispositif suivant la revendication 1 caractérisé en ce que la distance radiale entre la collerette (64) et la périphérie de la face exposée radiale (58) est inférieure à 8% du rayon (R1) de la périphérie de la face. exposée radiale (58). 3.- Dispositif suivant la revendication 2 caractérisé en ce que la distance radiale entre la collerette (64) et la périphérie de la face exposée radiale (58) est inférieure à 6% du rayon (Ri) de la périphérie de la face exposée radiale (58). 4.- Dispositif d'étanchéité pour un arbre rotatif tournant à grande vitesse, caractérisé en ce qu'il comprend une plaque d'étanchéité circulaire (26) tournant avec l'arbre (10) et présentant une face d'étanchéité radiale (24) à proximité de sa périphérie externe, cette plaque d'étanchéité (26) comportant également une portion (56) formant support radial laquelle supporte la face d'étanchéité (24)- et présente une face exposée radiale (58) située vers l'intérieur par rapport & la face d'étanchéité (24), un élément d'étanchéité fixe (20) ayant une surface d'étanchéité radiale (22) en contact étanche, en formant une interface, avec la face d'étanchéité (24), des moyens (46,48) pour fournir de l'huile à l'interface entre la face d'étanchéité (24) et la surface d'étanchéité radiale (22), l'élément d'étanchéité (20) et la plaque d'étanchéité (26) étant conformés de manière à constituer, à l'endroit du bord interne de la surface d'étanchéité radiale (22) et de la face d'étanchéité (24), un anneau circonférentiel (36) tourné vers l'intérieur, au moins un trou (54) percé à travers la plaque d'étanchéité {26), ce trou s'étendant de l'anneau (36) jusqu'à la périphérie externe de la plaque d'étanchéité (26), la face exposée radiale (58) ayant une périphérie externe et une extension ininterrompue, dans le sens radial, vers l'intérieur à partir de sa périphérie externe, l'extension radiale ininterrompue de la face exposée radiale (58), à partir de sa périphérie externe, ne dépassant pas 8% du rayon (Rl) de la périphérie externe. 5.- Dispositif suivant la revendication 4 caractérisé en ce que l'extension radiale ininterrompue de la face exposée radiale (58), à partir de sa périphérie externe, ne dépasse pas 6% du rayon (Ri) de la périphérie externe. 6.- Dispositif suivant la revendication 4 caractérisé en ce que la plaque d'étanchéité (26) comporte un épaulement (50) s'étendant axialement et tourné vers l'intérieur, cet épaulement formant une portion de l'anneau (36) à la périphérie externe de la face exposée radiale (58).