Brevet FR2690493A1 — publié le 19931029

JOINT ANNULAIRE A BROSSE DESCRIPTION DOMAINE DE L'INVENTION L'invention concerne l'étanchéité entre deux volumes gazeux soumis à des pressions différentes et situés autour d'un élément rotatif On rencontre un tel besoin d'étanchéité dans la construction des turboréacteurs pour l'aéronautique. ART ANTERIEUR ET PROBLEME POSE En référence à la figure 1, dans certains types de turboréacteurs, on éprouve le besoin d'assurer l'étanchéité entre deux chambres annulaires 1, 2 délimitées, par exemple, par une cloison 3 du distributeur de turbine 4 qui est fixe et une cloison 5 du rotor de turbine 6 qui tourne autour de l'axe principal du turboréacteur Bien entendu, la cloison 5 du rotor 6 tourne par rapport à la cloison 3 du distributeur de turbine 4. Il est connu d'utiliser un joint du type labyrinthe pour assurer l'étanchéité entre ces deux enceintes 1 et 2 Toutefois, un tel type de joint est encombrant et la dilatation radiale différentielle importante existant entre la partie mobile (rotor) et la partie fixe (stator) a pour conséquence des fuites importantes à certains régimes de rotation et une usure importante dans le temps de ce type de joint, d'o une perte de performance due au manque d'étanchéité entre les deux enceintes 1 et 2. Par contre, on connaît par le brevet ROLLS-ROYCE GB-1 598 926, un joint du type "brosse" constitué principalement d'un faisceau de fibres ou fils placé perpendiculairement à un arbre et à une distance minimale de celui-ci pour que les extrémités des fibres ou fils affleurent juste l'arbre autour duquel le joint doit être monté, de manière à assurer l'étanchéité de part et d'autre de ce joint Le faisceau de fils est maintenu par deux flasques solidarisés à un support fixe. Avec ce type de joint, l'étanchéité peut être réalisée de façon excellente, sous réserve que l'arbre tourne parfaitement rond, c'est-à-dire qu'aucune excentration ne puisse se produire vis-à-vis de la rotation de cet arbre En effet, si l'arbre comporte un balourd ou tourne avec une excentration prononcée, le contact quasi permanent entre l'arbre et l'extrémité des fibres du joint à brosse fait travailler celles-ci au flambage et entraîne les effets suivants: détérioration prématurée de l'extrémité souple de chaque fibre du joint à brosse par écrasement; échauffement ultrarapide de la zone de contact entre le joint et l'arbre (cet échauffement limité à la largeur approximative du joint est d'autant plus grand que la vitesse de rotation de l'arbre est élevée). Le but de l'invention est de remédier à ces inconvénients ou de retarder au maximum la détérioration des fibres du joint à brosse et l'échauffement produit par le contact. RESUME DE L'INVENTION A cet effet, l'objet principal de l'invention est un joint annulaire à brosse destiné à assurer l'étanchéité entre deux volumes annulaires délimités par un arbre d'axe déterminé et autour duquel est monté un stator, un mouvement de rotation autour dudit axe ayant lieu entre l'arbre et le stator Ce joint comprend principalement: un corps de brosse annulaire constitué de deux flasques et monté dans le stator; et des fibres montées par une première extrémité dans le corps de brosse de manière inclinée par rapport à l'axe de l'arbre et orientées vers l'arbre pour que leur deuxième extrémité affleure l'arbre de manière à créer un rideau étanche entre les deux volumes annulaires. Selon l'invention, le corps de brosse est constitué de plusieurs secteurs de couronne montés dans le stator, de manière à permettre aux fibres de s'écarter légèrement de l'arbre en s'inclinant par rapport à l'axe de l'arbre, de façon à autoriser une excentration de l'arbre par rapport au stator tout en assurant l'étanchéité entre les deux volumes annulaires. De préférence, dans la conception du corps de brosse, chaque secteur annulaire possède une tête à une première extrémité montée chacune dans une gorge cylindrique du stator, de manière à permettre un mouvement de rotation du corps de brosse par rapport à l'arbre pour obtenir un écartement des fibres par rapport à l'arbre. Les secteurs du corps de brosse sont de préférence réalisés au moyen de deux flasques placés l'un contre l'autre. Cette réalisation principale se complète avantageusement par des recouvrements sur un des deux flasques chevauchant ainsi deux secteurs adjacents pour assurer la continuité de l'étanchéité du joint. Les secteurs sont avantageusement maintenus en place par un jonc élastique, tendu contre une deuxième extrémité du corps de brosse opposé à la tête pour maintenir les secteurs du corps de brosse serrés les uns contre les autres dans une position de repos dans laquelle les fibres sont le moins incliné possible par rapport à un plan radial de l'axe de l'arbre. D'autre part, par le document de brevet européen EP-A-0 293 140, on connaît un joint à brosse dont les fibres ou les poils sont inclinés radialement En d'autres termes, ils ne sont pas perpendiculaires à la surface de l'arbre sur lequel ils frottent. Dans une réalisation avantageuse de l'invention, les fibres sont inclinées dans le sens de rotation de l'arbre. Le joint à brosse selon l'invention est particulièrement efficace lorsqu'on dispose deux butées en rotation placées sur le stator pour limiter la rotation des secteurs du corps de brosse.10 LISTE DES FIGURES L'invention et ses différentes caractéristiques techniques seront mieux comprises à la lecture de la description suivante, annexée des quelques figures représentant respectivement: figure 1, un exemple d'utilisation du joint à brosse selon l'invention dans un turboréacteur; figures 2 A et 2 B, en coupe, deux positions du joint à brosse selon l'invention; figure 3, en vue frontale, le joint à brosse selon l'invention autour d'un arbre; figure 4, une coupe transversale d'un secteur du joint à brosse selon l'invention. DESCRIPTION DETAILLEE D'UN MODE DE REALISATION DE L'INVENTION En référence aux figures 2 A et 2 B, le joint annulaire à brosse selon l'invention comprend principalement un corps de brosse 9 sur lequel est fixé un faisceau de fibres 10 (fils, poils, ou autres éléments filiformes) Ce joint est représenté à côté d'un arbre30 rotatif 11 pouvant tourner autour de son axe longitudinal de rotation 15 D'autre part, le joint est monté sur un stator Ce dernier est constitué sur la réalisation représentée par deux flasques fixes 16 et 17 Une première extrémité 21 des fibres 10 est placée dans le corps de brosse 9 Une deuxième extrémité 22 des fibres est placée contre la surface extérieure de l'arbre il de manière à affleurer cette dernière. On conçoit ainsi que le joint à brosse puisse constituer une cloison étanche entre une première zone annulaire 1 et une deuxième zone annulaire 2 délimitées par l'arbre rotatif 11 et le support représenté par les deux flasques fixes 16 et 17. Dans le cadre de l'invention, le joint à brosse est incliné par rapport aux plans radiaux ou perpendiculaires à l'axe longitudinal 15 de l'arbre 11 En d'autres termes, sur ces deux figures 2 A et 2 B, le joint à brosse n'est pas vertical. Selon l'invention, le corps 9 du joint à brosse est monté de manière à pouvoir pivoter légèrement par rapport au stator De ce fait, les fibres 10 constituant le faisceau de la brosse peuvent s'écarter ou se rapprocher plus ou moins de la surface externe de l'arbre rotatif 11, grâce à ce pivotement On comprend donc qu'il est possible aux joints à brosse de s'adapter à chaque instant aux éventuels différents rayons instantanés de l'arbre rotatif 11 en regard du faisceau de fibres 10. Ainsi, s'il existe un balourd ou une excentration lors de la rotation de cet arbre 11, le joint à brosse peut ainsi s'adapter par un léger pivotement à cette petite variation de rayon. Les deux figures 2 A et 2 B montrent les deux positions extrêmes du joint à brosse On voit sur la figure 2 A que l'inclinaison du corps 9 par rapport à30 l'axe vertical de la figure fait un angle A Les deuxièmes extrémités 22 des fibres 10 touchent alors à peine la surface externe de l'arbre 11. Sur la figure 2 B, l'inclinaison du corps de brosse 9 avec le même axe vertical fait un angle A+ SA En effet, le corps de brosse 9 à pivoter et les deuxièmes extrémités 22 des fibres 10 sont encore en contact avec la surface externe de l'arbre 11, puisque celle-ci a évolué en position en direction du joint sous l'effet d'une excentration de l'arbre 11 En d'autres termes, ce dernier a repoussé les fibres 10 du joint à brosse Le contact a lieu entre le joint à brosse et l'arbre 11; en conséquence, l'étanchéité entre les deux volumes 1 et 2 est conservé, malgré une différence de pression régnant entre ceux-ci. On voit sur ces deux figures 2 A et 2 B, dans une réalisation possible du corps de brosse 9, que ce dernier est constitué de deux flasques 12 et 13 plaqués l'un contre l'autre, au moyen par exemple de vis de fixation 23 La première extrémité 21 des fibres 10 du faisceau est prisonnière de la deuxième extrémité 24 des deux flasques 12 et 13. Par la première extrémité 25, le corps de brosse 9 est monté pivotant dans le stator grâce à une tête 14. Cette dernière constitue une sorte de rotule et peut être constituée de deux parties hémisphériques constitutives respectivement des deux flasques 12 et 13 En correspondance, est prévue une gorge 20 dans le stator. Ce dernier, peut être constitué de deux flasques de fixation 16 et 17 assemblés par des goujons symbolisés par un axe de fixation 26. Du fait que le joint à brosse est annulaire, c'est-à-dire qu'il entoure complètement l'arbre 11, on peut comprendre que ce joint à brosse ne puisse pas30 pivoter s'il est constitué d'une seule pièce rigide En effet, le pivotement symbolisé par les deux figures 2 A et 2 B impose un changement de diamètre sensible de la deuxième extrémité 24 du corps de brosse 9, ce qui ne peut pas avoir lieu, sauf si le corps de brosse 9 est constitué d'un matériau très déformable En conséquence, selon l'invention, le corps de brosse 9 du joint est constitué de plusieurs secteurs de corps de brosse. Comme le montre la figure 3, les secteurs 27 du corps de brosse sont répartis autour de l'arbre 11 d'une manière analogue aux pétales d'une fleur La rotation de chacun des secteurs 27 est obtenue grâce au fait que la gorge référencée 20 sur les figures précédentes est constituée en fait de plusieurs secteurs cylindriques creux, chaque secteur correspondant à un secteur 27 du corps de brosse, et plus précisément à un secteur de tête 14 Ainsi, chaque secteur 27 du corps de brosse peut pivoter par rapport au stator. Pour limiter le débattement du pivotement des secteurs 27 du corps de brosse 9 par rapport au stator, chacun des deux flasques 16 et 17 de ce dernier possède une surface inclinée respectivement 28 et 29 à la base de la gorge 20. Le joint à brosse selon l'invention est prévu pour fonctionner entre deux volumes 1 et 2 pour lesquels la pression régnant dans le volume 2 est supérieure à la pression régnant dans le volume 1 En conséquence, en fonctionnement normal, le joint est plaqué contre la butée 28 du flasque de fixation 16 dans la position représentée par la figure 2 A On précise qu'un jeu calculé peut être prévu dans cette position entre l'extrémité des fibres 10 et de la surface externe de l'arbre 11. Pour assurer cette position des fibres 10 par rapport à la surface externe de l'arbre 11, il est nécessaire de maintenir les différents secteurs 27 dans la position la moins inclinée du corps de brosse 9 représentée par la figure 2 A Un moyen d'obtenir ce maintien consiste à utiliser un jonc 19 appliqué à la deuxième extrémité 24 des secteurs 27 du corps de brosse 9 Comme le montrent les figures 3 et 2 A, on peut utiliser à cet effet des oeillets 18 ouverts et légèrement élastiques pour permettre l'introduction du jonc 19 à l'intérieur On peut prévoir ainsi un oeillet 18 sur chacun d'un des deux flasques 13 de chaque secteur 27 du corps de brosse 9. Sur la figure 3, on constate que les fibres 10 sont inclinées dans le sens de rotation de l'arbre 11, c'est-à-dire qu'ils ne sont pas perpendiculaires à la surface externe de ce dernier Ceci favorise les contacts des extrémités des fibres 10 sur cette surface et limite l'usure du joint. Si comme le montre la figure 2 B, une excentration de l'arbre 11 a lieu, ce dernier a tendance à repousser les fibres 10 Les différents secteurs 27 du joint se déploient alors autour de l'arbre 11 au fur et à mesure du passage de l'excentration L'élasticité du jonc 19 et sa relative mobilité dans les oeillets de fixation 18 permettent à la fois le déploiement de chaque secteur 27 au point haut de l'excentration et leur rappel vers l'arbre 11 au point bas de cette excentration La butée 28 peut alors permettre de respecter l'éventuel jeu minimal prévu entre l'extrémité des fibres 10 et de l'arbre 11. Comme le montre la figure 4, un des deux flasques 13 du corps de brosse 9 peut comporter un recouvrement 30 dépassant par rapport à l'autre flasque 12 pour venir s'encastrer dans un décrochement 31 correspondant du flasque 13 du secteur voisin On peut ainsi assurer l'étanchéité complète du joint lors des différents déplacements des secteurs 27 les uns par rapport aux autres On place de préférence ces recouvrements 30 du côté o la pression exercée sur le joint est la plus forte Du fait de l'inclinaison des fibres 10 du joint dans le sens de rotation de l'arbre 11, la continuité de l'étanchéité est assurée En-effet, quand les segments 17 s'ouvrent, les fibres 10 restent en contact entre eux. AVANTAGES DE L'INVENTION Le joint annulaire à brosse apporte différents avantages. Une meilleure souplesse de contact est obtenue entre le joint lui-même et l'arbre 11, d'o une meilleure dissipation calorifique sur ce dernier. On élimine le flambage lié à la perpendicularité des fibres 10 du joint vis-à-vis de la surface extérieure de l'arbre rotatif Il On prolonge ainsi la durée de vie du joint. En cas de détérioration accidentelle d'un secteur 27 du joint, ce dernier peut être remplacé tout en conservant les autres secteurs. Bien entendu, l'étanchéité entre les deux zones à séparer est maintenue malgré une excentration de l'arbre. REVENDICATIONS 1 Joint annulaire à brosse destiné à assurer l'étanchéité entre deux volumes annulaires ( 1, 2) délimités par un arbre rotatif ( 5, 11) d'axe déterminé ( 15) et un stator ( 3, 16, 17), un mouvement de rotation autour de l'axe ( 15) ayant lieu entre l'arbre ( 11) et le stator ( 3, 16, 17), comportant: un corps de brosse ( 9) monté dans le stator ( 3, 16, 17); et des fibres ( 10) montées dans le corps de brosse ( 9) de manière inclinée par rapport à l'axe ( 15) de l'arbre ( 11) et fixées par leurs premières extrémités ( 21) dans le corps de brosse ( 9) et orientées vers l'arbre ( 11) pour que leur deuxième extrémité ( 22) affleure l'arbre ( 11) de manière à créer un rideau étanche entre les deux volumes annulaires ( 1, 2), caractérisé en ce que le corps de brosse ( 9) est constitué de plusieurs secteurs de couronne ( 27) montés dans le stator ( 3, 16, 17) de manière à permettre aux fibres ( 10) de s'écarter légèrement de l'arbre ( 11) en s'inclinant par rapport à l'axe de rotation ( 15) de l'arbre ( 11), de façon à autoriser une excentration de l'arbre ( 5, 11) par rapport au stator ( 3, 16, 17) tout en assurant l'étanchéité entre les deux volumes annulaires ( 1, 2). 2 Joint annulaire à brosse selon la revendication 1, caractérisé en ce que le corps de brosse ( 9) et chaque secteur ( 27) possèdent une tête ( 14) à une première extrémité ( 25), chaque tête ( 14) étant montée dans une gorge cylindrique ( 20) du stator ( 3, 16, 17), de manière à permettre le mouvement d'inclinaison de chaque secteur ( 27) du corps de brosse ( 9) par rapport à l'arbre ( 11) pour obtenir l'écartement des fibres ( 10) par rapport à l'arbre ( 11). il 3 Joint annulaire à brosse selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que le corps de brosse ( 9) est constitué de deux flasques ( 12, 13) appliqués l'un contre l'autre. 4 Joint annulaire à brosse selon la revendication 3, caractérisé en ce qu'un des deux flasques ( 13) de chaque secteur ( 27) possède un recouvrement ( 30) chevauchant ainsi le flasque ( 13) du secteur adjacent ( 27) pour assurer la continuité de l'étanchéité. 5 Joint annulaire à brosse selon la revendication 4, caractérisé en ce qu'il comprend un jonc ( 19) élastique, et tendu contre une deuxième extrémité ( 24) du corps de brosse ( 9) opposée à la tête ( 14) de ce dernier pour maintenir les secteurs ( 27) du corps de brosse ( 9) serrés les uns contre les autres dans une position de repos dans laquelle les fibres ( 10) sont le moins incliné possible par rapport à un plan radial à l'axe de rotation ( 15) de l'arbre ( 11). 6 Joint annulaire à brosse selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que les fibres ( 10) sont inclinées dans le sens de rotation de l'arbre ( 11). 7 Joint annulaire à brosse selon la revendication 2, caractérisé en ce que le carter ( 3, 16, 17) possède deux butées en rotation ( 28, 29) pour limiter le mouvement de rotation des secteurs ( 27).