Brevet FR2639674A1 — publié le 19900601

Dispositif d'étanchéité pour les chambres ménagées entre les arbres coaxiaux de turbomachines ". L'invention concerne un dispositif pour rendre étanches à des fluides, tels que des liquides et/ou des gaz, des chambres soumises à des pressions différentes ménagées entre des sections d'arbres coaxiaux de turbomachines, notamment de moteurs de turbine à gaz. Dans ces machines, une bague d'étanchéité est placée en tant qu'étanchéité secondaire en appui par un ressort d'un boîtier sur une section d'arbre alors que vis-à-vis de l'autre section d'arbre, cette bague forme jeu radial qui constitue l'étanchéité primaire. Dans la pratique, on éprouve des difficultés à faire fonctionner des garnitures du type cité sans contact tout en leur donnant des longueurs et largeurs réduites. Ceci est valable notamment pour les étanchéités placées entre les pièces de rotor tournant autour d'un axe commun, ou entre les systèmes d'arbres correspondants, avec des vitesses de rotation variables et/ou des sens de rotation différents. Pour les fonctions d'étanchéité du type cité ci-dessus, on utilise en général des étanchéités à labyrinthe. D'autres types d'étanchéité connus pouvaient également être utilisés et par exemple des étanchéités à brosses et des garnitures mécaniques radiales, empêchant entre autres les déformations dues à la force centrifuge survenant pendant le fonctionnement. Ainsi, par exemple, dans le cas d'une étanchéité à brosses, il se produit une déformation des brosses, qui, par leurs extrémités libres, viennent de manière étanche au contact de l'arbre correspondant ou d'une portion d'arbre. Par exemple, pour l'étanchéité à brosse citée lorsque les brosses sont dirigées radialement vers l'extérieur, il se produit une abrasion des surfaces de contact concernées; alors que lorsque les brosses sont dirigées vers l'intérieur, les brosses sont soulevées de la surface de contact et il se produit donc une perte d'étanchéité. En outre, lors du fonctionnement, des destructions des bagues d'étanchéité ne sont pas à exclure par suite des forces de balourd, ce qui est valable non seulement pour les garnitures mécaniques radiales connues depuis longtemps, mais aussi pour les systèmes d'étanchéité déjà proposés dans lesquels une garniture à brosses est constituée en combinaison avec la bague intérieure en tant que bague d'étanchéité à glissement. L'invention a pour but de créer un dispositif du type cité au début qui soit d'une longueur axiale relativement courte, et d'une hauteur d'implantation radiale faible qui, lors du fonctionnement ne provoque ni usure, ni d'abrasion notable de l'arbre, ou de la bague d'étanchéité, lesquelles résultent notamment des balourds et de la force centrifuge. L'invention est, à cet effet, caractérisée en ce que la bague d'étanchéité est logée dans un évidement, radial de l'une des sections d'arbre dans lequel elle est centrée en appui élastique radial sur un organe de ressort en forme générale de V ou de U, le jeu radial étant déterminé de telle façon que, pour une différence de pression donnée entre les deux chambres, on forme un jeu du type à palier d'air entre les deux chambres. Le dispositif d'étanchéité selon l'invention présente essentiellement en résumé les avantages suivants: - faible longueur de construction axiale ainsi qu'un encombrement radial réduit du point de vue de l'intervalle entre les arbres, - absence de contact entre les deux systèmes d'arbre concernés, - indépendance vis-à-vis du sens de rotation, - facilité de montage, - efficacité d'étanchéité d'une garniture mécanique radiale à boîtier droit, c'est-à-dire qu'il s'établit un débit qui correspond seulement à environ 10 % de celui d'une étanchéité à labyrinthe équivalente, - la caractéristique du ressort peut être choisie relativement dure, - l'appui radial élastique par ressort de la bague d'étanchéité peut avoir lieu par un corps de ressort unique, annulaire et refermé sur lui-même, - possibilité de réglage extrêmement fin de la raideur du ressort suivant chaque cas d'application, notamment par déplacement d'une ou des deux pattes concernées de l'anneau élastique formé pour l'essentiel en V ou U ouvert pour former ce qu'on appelle les "bras flexibles"; le nombre et les dimensions des "bras flexibles" pouvant être choisis librement dans de larges limites, - selon les possibilités de conception du boîtier intégré du côté de l'arbre, la liaison "boîtier, ressort, bague d'étanchéité" est assurée seulement par un ressort, ou avec adjonction d'une liaison mécanique. D'autres caractéristiques avantageuses de l'invention sont décrites ci-dessous. L'invention est décrite plus en détail à l'aide des dessins ci-joints dans lesquels: - la figure 1 représente, en coupe, un dispositif d'étanchéité de sections d'arbres comportant, dans ce cas, des moyens de ressort et de guidage de la bague d'étanchéité intégrée dans le boîtier de la section d'arbre interne. - la figure 2 est une variante de la figure 1 avec les moyens de ressort, de centrage et de guidage pour la bague d'étanchéité qui sont intégrés dans le boîtier de la section d'arbre externe, ainsi qu'avec un moyen d'appui supplémentaire réalisé sous la forme de paroi intégrée appliqué axialement sous l'action d'un ressort, sur la bague d'étanchéité, et contre l'arbre externe. - la figure 3 est une vue partielle, en coupe longitudinale, d'un ressort en forme de V ouvert sur un côté, cette coupe étant établie à hauteur d'une patte souple, - la figure 4 est une vue de face partielle du ressort établie suivant la flèche X de la figure 3 et mettant en évidence les sections flexibles régulièrement réparties sur la périphérie du ressort, - la figure 5 est une variante du dispositif d'étanchéité découlant pour l'essentiel de la figure 2, cette variante étant caractérisée pour l'essentiel par un ancrage, non seulement par ressort, mais aussi mécanique de la bague d'étanchéité et de l'organe de ressort. La figure 1 représente les détails essentiels du dispositif d'étanchéité mentionné ci- dessus. Sur cette figure, les espaces soumis à des milieux, tels que des liquides et/ou des gaz de différentes pressions, sont repérés par les références R1 et R2. Dans cet exemple, il s'agit de ce qu'on appelle une "étanchéité d'arbre intermédiaire", donc une étanchéité entre deux sections d'arbres coaxiaux 1, 2 d'un moteur de turbine à gaz. Dans ce dispositif, une bague d'étanchéité 3 est appuyée avec un effet radial de ressort sur une section d'arbre 2, ici donc sur une section d'un arbre interne, afin de constituer une étanchéité secondaire, tandis qu'elle forme vis-à- vis de l'autre section d'arbre 1 un jeu radial d'étanchéité primaire. Cette section d'arbre 1 peut faire partie de l'arbre externe d'un moteur de turbine à gaz. Selon l'agencement de la figure 1, la bague d'étanchéité 3 est logée dans un évidement radial 5 de la section d'arbre 2. Elle est centrée radialement par son appui élastique sur un organe de ressort 6, pour l'essentiel en U ou en v, ouvert d'un côté qui est disposé axialement à symétrie de rotation. L'organe de ressort est donc un élément couché, s'évasant en V et ouvert d'un côté. Selon le mode d'utilisation ou la force élastique locale attendue, cet organe de ressort de forme de V pourrait être réalisé plus ou moins en forme de U, ou plus ou moins échancré. Selon l'agencement de la figure 1, le jeu radial 4 doit, en outre, être tel que, pour une différence de pression donnée Pl > P2 entre les deux espaces R1, R2, il se forme un jeu porteur 4 du type à palier d'air. Comme on le voit aussi sur la figure 1, la bague d'étanchéité 3, forme ce jeu radial 4 à l'aide de l'extension 7 en forme de T en sens longitudinal et périphérique. En outre, le logement radial 5 de la bague d'étanchéité 3 est formé entre les parois proéminentes 8, 9 de l'une des sections d'arbre 2 et doit être liée du côté de boîtier ou bien faire partie de boîtier. Les deux sections de paroi 8 et 9 cités ci- dessus peuvent aussi faire partie intégrante de l'arbre. Suivant l'exemple de réalisation de la figure 1, la paroi 8 fait partie intégrante de la section d'arbre 2, alors que l'autre paroi 9 est constituée comme une pièce séparée rendue solidaire en rotation de l'une des Sections d'arbres. L'organe de ressort 6 peut, par exemple, comporter des pattes flexibles réparties régulièrement sur sa circonférence, tant sur sa face tournée vers la section d'arbre que sur celle qui est tournée vers la bague d'étanchéité. La paroi 9 peut être rendue solidaire en rotation d'une section d'arbre, par exemple par liaison rainure-clavette; un élément de sécurité cylindrique 12 maintient axialement cette paroi 9 sur la section d'arbre 2. Les figures 3 et 4 représentent, à titre d'exemple un tel organe de ressort 6. Sur ces figures, on a représenté - deux pattes formant des languettes flexibles réparties régulièrement à la périphérie. La figure 2 représente une modification de la figure 1 en ce que la bague d'étanchéité 3' est intégrée dans le système d'arbre externe. Dans cette réalisation, la paroi 9' constitue une pièce séparée réalisée sous la forme d'une plaque de pression, ancrée solidairement en rotation sur la section d'arbre 2' et pouvant se déplacer axialement sous l'action d'un ressort. Par construction, la paroi 9' constitue une plaque de pression mobile par coulissement axial dans des rainures:0 d'une, ou de la section externe d'arbre 2'. En outre, un élément de ressort 11 agissant axialement est disposé entre la paroi 9' et une butée annulaire 12 éventuellement démontable, ancrée en rotation sur l'arbre. La bague d'étanchéité 3' est, suivant l'exemple de la figure 2, réalisée en graphite, et est maintenue par une bague métallique interne 13. En ce qui concerne les dispositifs d'étanchéité décrits précédemment selon les figures 1 et 2, on doit encore remarquer que les bagues d'étanchéité concernées doivent être mises en place, de telle sorte qu'entre l'arbre et la bague d'étanchéité, il se forme un jeu 4, 4' dont l'importance est de l'ordre de grandeur de celui des paliers à air connus. Il s'ensuit que la bague d'étanchéité subit comme un palier d'air, les déplacements d'axe dynamiques et statiques de l'arbre, dans la mesure o les forces de balourd résultant de sa rotation sont plus faibles que les forces de palier d'air. Dans l'étanchéité selon l'invention, le rôle de l'élément de ressort 6 ou 6' réalisé, par exemple, en forme de V est le suivant. Au démarrage et pendant la montée en vitesse notamment, la bague d'étanchéité est centrée vis-à-vis du boîtier concerné intégré du côté de l'arbre et les forces de balourd, dues à des défauts de géométrie et des hétérogénéités de la bague d'étanchéité, sont absorbées jusqu'à ce que la force du palier d'air, résultant du mouvement relatif entre les arbres, ou bien entre l'un des arbres concernés et la bague d'étanchéité, assure le centrage de cette dernière grâce au jeu d'étanchéité avec l'arbre. Le dispositif d'étanchéité selon l'invention remplit aussi parfaitement les conditions d'étanchéité quand il s'agit de rendre étanche les chambres de palier, par exemple, des turbines à gaz vis-à-vis de l'aspiration du moteur ou bien de l'environnement ou des gaz d'échappement, donc des chambres de palier qui habituellement ont un niveau de pression inférieur à celui de la chambre de palier disposée avant l'étanchéité concernée. En se référant par exemple à la figure 2, il peut s'agir ici, pour l'arbre interne 1', de l'arbre du système basse pression d'un moteur de turbine à gaz. Ainsi donc, la turbine basse pression serait aérothermodynamiquement en aval d'une turbine productrice de gaz, de telle sorte que l'arbre 1' soit entraîné, indépendamment mécaniquement de l'arbre externe 2' de la figure 2. Cet arbre externe 2' entoure coaxialement l'arbre interne 1', et fait parte du système d'arbre du générateur de gaz du moteur. La figure 5 représente un développement avantageux du dispositif d'étanchéité selon l'invention, dans lequel, à la différence de l'ancrage qui est obtenu suivant la figure 2 essentiellement par la force du ressort de la bague d'étanchéité 3' disposé dans l'évidement en forme de boîtier de la section d'arbre 2', il est prévu, suivant cette figure , un ancrage mécanique dans lequel l'organe de ressort 6' est en prise dans la rainure axiale 10 de la section d'arbre 2 et dans la rainure axiale 16 de la bague d'étanchéité 3', ici de la bague métallique 13. Cela est obtenu par les languettes 14 et 15 se trouvant à une extrémité latérale du ressort ou à l'autre extrémité latérale de ce ressort, c'est-à-dire à l'extrémité des languettes flexibles 10. On obtient ainsi une sécurité anti-rotation périphérique (bague d'étanchéité 3'/organe de ressort 6'). Les languettes 14 et 15 et les rainures axiales 10 et 16 sont, de préférence, réparties régulièrement sur le pourtour. A la différence de la figure 2, l'élément de sécurité est constitué sur la figure 5 par une section de paroi 12' liée à la section d'arbre 2. REVENDICATIONS 1l) Dispositif pour rendre étanches à des fluides, tels que des liquides et/ou des gaz, des chambres (Ri, R2) de turbomachines soumises à des pressions différentes et ménagées entre des sections d'arbres coaxiaux (1, 2), notamment des chambres de moteur de turbine à gaz, dispositif dans lequel une bague d'étanchéité (3) est disposée en tant qu'étanchéité secondaire en appui radial sur une section d'arbre (2) par un ressort alors qu'elle est placée en tant qu'étanchéité primaire avec un jeu radial (4) par rapport à l'autre section d'arbre (1), dispositif caractérisé en ce que la bague d'étanchéité (3) est logée dans un évidement radial (5) de l'une des sections d'arbre (2) dans lequel elle est centrée en appui élastique radial sur un organe de ressort (6) en forme générale de V ou de U, le jeu radial (4) étant déterminé de telle façon que, pour une différence de pression donnée (P1 > P2) entre les deux chambres (R1, R2), on forme un jeu du type à palier d'air entre les deux chambres (R1, R2). 2*) Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que le jeu radial (4) est délimité le long d'une extension (7) en T longitudinale et périphérique de la bague d'étanchéité (3). 3') Dispositif selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que l'évidement radial (5) pour la bague d'étanchéité (3) est formé à l'intérieur d'un boîtier formé entre les parois droites radiales (8, 9) d'une section d'arbre (2). 4') Dispositif selon la revendication 3, caractérisé en ce qu'une paroi (8) est formée par une section d'arbre (2), l'autre paroi (9) étant constituée par une pièce séparée rendue solidaire d'une section d'arbre (2). ') Dispositif selon l'une ou plusieurs des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que l'organe de ressort (6) comporte des pattes flexibles (10'), réparties régulièrement à sa périphérie, sur la face dirigée vers une section d'arbre (2) et/ou vers la bague d'étanchéité. 6') Dispositif selon l'une ou plusieurs des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que l'autre paroi (9'), réalisée sous la forme d'une pièce séparée, constitue une plaque de pression mobile axialement sous l'effet d'un ressort immobilisé en rotation sur une section d'arbre (2'). 7') Dispositif selon la revendication 6, caractérisé en ce que la paroi (9') constituant une plaque de pression est logée en glissement axial dans une rainure axiale (10) d'une section d'arbre (2'), un ressort (11) agissant axialement étant placé entre la paroi (9') et une butée (12) annulaire démontable et ancrée solidairement avec l'arbre. 8') Dispositif selon l'une ou plusieurs des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que la bague d'étanchéité (3') est ancrée, aussi bien sous l'action d'une force que mécaniquement grâce à l'organe de ressort (6'), dans l'évidement (5') en forme de boîtier. 9') Dispositif selon la revendication 8, caractérisé en ce que l'organe de ressort est en prise par l'un et l'autre de ses extrémités dans des rainures axiales (10; 16) d'une section d'arbre (2') et de la bague d'étanchéité (3'), notamment par des languettes (14, 15) réparties régulièrement sur sa périphérie.