Brevet FR2690965A1 — publié le 19931112

i DISPOSITIF POUR ASSURER L'ETANCHEITE DE PIECES, NOTAMMENT DANS DES TURBOMACHINES. L'invention se rapporte à un dispositif pour assurer l'étanchéité de pièces, notamment dans des turbomachines, dans lequel une pièce est fractionnée le long d'un premier plan, en des segments mobiles relativement les uns par rapport aux autres, et est mobile dans un second plan décalé angulairement par rapport au premier plan, en ce sens que des protubérances des segments s'engagent, en assurant l'étanchéité, dans une rainure d'une autre pièce dans laquelle des interstices de dilatation formés entre des bords de jonction des segments, sont rendus étanches, longitudinalement et transversalement à l'étendue de l'interstice, par des tôles d'étanchéité. Dans les turbomachines, notamment des réacteurs à turbine à gaz, des grilles directrices de turbines sont fractionnées, le long de la périphérie, en segments définissant entre-eux des - interstices de dilatation, en vue de maîtriser des différences de dilatation en direction périphérique, apparaissant en raisons de conditions de fonctionnement non stationnaires Par ailleurs, par l'intermédiaire de leur bandes de recouvrement, de telles grilles directrices sont disposées de manière mobile en direction radiale, radialement à l'intérieur ou radialement à l'extérieur, en au moins un point, dans des rainures du carter de turbine, au moyen de protubérances ou de nervures s'étendant sur la périphérie, en vue de compenser des différences de dilatation relatives par rapport au carter La disposition indiquée permet de réduire les contraintes thermiques apparaissant sur la grille directrice. Dans l'intérêt de faibles pertes de fonctionnement, les interstices de dilatation entre les segments de bande de recouvrement sont rendus étanches au moyen de tôles d'étanchéité, qui s'engagent de manière mobile dans des évidements ouverts opposés sur les bords de jonction, et qui, en tenant compte de l'orientation des interstices de dilatation et des protubérances ou nervures, se rencontrent en étant décalées axialement/radialement les unes par rapport aux autres Dans cette disposition, la nervure ou la protubérance forme, en outre, une surface d'étanchéité au moins par rapport à une surface de la rainure Par ailleurs, on suppose que les interstices de dilatation, outre les tôles d'étanchéité, sont exposés, sur le côté opposé à celui de l'écoulement des gaz chauds dans la grille directrice, à de l'air de barrage prélevé du compresseur et servant, le cas échéant, également au refroidissement du carter de turbine En raison de la disposition mobile des tôles d'étanchéité, des circulations d'air de barrage à l'encontre de l'écoulement des gaz chauds, sont pratiquement inévitables Dans cette disposition, il se produit une part d'écoulement de fuite d'air de barrage localement relativement grande, à l'endroit de l'interstice de dilatation, entre chaque tôle d'étanchéité disposée radialement à hauteur de la nervure ou de la protubérance, et la surface d'étanchéité conjuguée considérée, de la rainure, au niveau de la protubérance. Ces problèmes qui viennent d'être abordés apparaissent également de manière analogue, pour d'autres pièces appairées, dont l'une est fractionnée en segments dans la direction longitudinale. Le but de l'invention consiste à fournir un dispositif destiné à assurer l'étanchéité, du type de celui mentionné en introduction, qui permet de réaliser une étanchéité optimale liée à des pertes de fonctionnement extrêmement faibles, notamment en ce qui concerne la zone critique évoquée, au niveau de chaque interstice de dilatation de la pièce fractionnée en segments. Ce but est atteint conformément à l'invention, grâce au fait que chaque interstice de dilatation est rendu étanche, entre une tôle d'étanchéité disposée transversalement à l'étendue de l'interstice et une surface conjuguée de la rainure, faisant office de surface d'étanchéité, par un insert en forme de 'IV", qui est actionné par une différence de pression locale, est disposé de manière à s'évaser avec ses ailes libres en direction du fond de la rainure, s'élargit avec les deux ailes en direction de la surface conjuguée d'étanchéité de la rainure, repose de manière étanche, par l'élargissement, sur des surfaces de jonction obliques correspondantes des segments, et recouvre l'interstice de dilatation, par une paroi de base entre les deux ailes, inclinée en direction de sa surface d'extrémité assurant l'étanchéité dans la rainure. De cette manière on obtient une étanchéité d'une efficacité très élevée, des zones des interstices de dilatation, désignées comme étant critiques; en d'autres termes, la part de l'écoulement de fuite du fluide de barrage, par exemple de l'air très fortement comprimé ayant été amené, qui se produit par le passage local du fluide au-delà de la tôle d'étanchéité qui est disposée radialement ou environ parallèlement à l'étendue localement coudée des protubérances, est réduit de manière draconienne L'invention suppose une différence de pression suffisante entre la pression de fluide (air de barrage) régnant au niveau de la rainure, et la pression de fluide par exemple statique, notamment la pression des gaz chauds, régnant en aval de l'insert en forme de "V" Il en résulte pour le dispositif de l'invention, un insert à trois surfaces d'étanchéité; celles-ci sont constituées par la surface d'extrémité arrière reposant sur un côté de la rainure, et par les deux surfaces d'étanchéité qui sont réalisées latéralement sur les ailes, suivent la forme du "V", et sont de plus inclinées en raison de l'élargissement de l'insert en direction de l'un des côtés de la rainure; grâce à cette inclinaison supplémentaire, l'insert est appliqué de manière étanche, par sa surface d'extrémité arrière, sur un des côtés de la rainure En raison de la forme en "V", l'insert forme des surfaces de glissement pour compenser des tolérances de fabrication et des variations dûes à la température, des interstices de dilatation La paroi centrale ou paroi de base aplatie et oblique en conséquence, entre les deux ailes de l'insert, forme au niveau de l'interstice de dilatation, des surfaces de pression relativement grandes sollicitées par la pression différentielle L'insert peut être aisément monté de l'extérieur, à l'endroit mentionné de l'interstice de dilatation, la zone locale correspondante de l'interstice présentant, entre les bords de jonction voisins des segments, un évidement d'un profil approprié formé à l'avance, pour l'insert. En tenant compte de la largeur d'interstice relativement faible en règle générale, l'interstice forme donc des surfaces de pièce relativement grandes pour l'action de la pression différentielle. Selon une configuration avantageuse de l'invention, la rainure est formée sur un support de joint d'étanchéité, en forme de carter, de l'autre des deux pièces considérées. Selon un mode de réalisation préféré de l'invention, le premier plan est un plan annulaire, dans lequel les segments de la première pièce sont constitués par des segments de bande de recouvrement d'une grille directrice fractionnée d'une turbine, l'autre pièce étant un tronçon de paroi de carter de la turbine sur la périphérie duquel s'étend une rainure. D'après une réalisation préférée de l'invention, l'une et l'autre des pièces considérées sont des éléments de paroi d'une tuyère de poussée ou d'une entrée d'air d'un turboréacteur, notamment d'un turbostatoréacteur. L'invention va être explicitée plus en détail dans la suite, au regard des dessins annexés, qui montrent: Fig 1 une représentation schématique en perspective du dispositif destiné à assurer l'étanchéité entre une pièce fractionnée en segments dans la direction longitudinale, qui s'engage de manière mobile, avec des protubérances coudées, dans une rainure d'une autre pièce, Fig 2, 3 et 4 dans l'ordre, une vue arrière, une coupe longitudinale centrale et une vue de dessus d'un insert conforme à l'invention, adapté à être utilisé dans un ensemble selon la figure 1, Fig 5 une vue arrière, selon la flèche X de la figure 6, de deux segments extérieurs de bande de recouvrement d'une grille directrice de turbine, adjacents par l'intermédiaire d'un interstice de dilatation et localement tronqués, mettant en oeuvre l'insert selon les figures 2 à 4 et visualisant la surface d'extrémité de celui-ci, faisant office de surface d'étanchéité, Fig 6 une extrémité du bord de jonction au niveau de l'interstice et côté aval, qui s'engage, avec une protubérance coudée de la bande de recouvrement extérieure et des surfaces d'étanchéité, dans une rainure périphérique d'un support de joint d'étanchéité sur le carter de turbine, comportant, outre des tôles d'étanchéité se rencontrant sous un certain angle, un insert selon les figures 2 à 4, et Fig 7 un tronçon local de turbine haute- pression représenté en tant que coupe longitudinale centrale, comprenant les tronçons correspondants d'un tube de flamme d'une chambre de combustion annulaire en forme de U, ainsi que le dispositif d'étanchéité sur un segment d'aube directrice. La figure 1 montre une première pièce 1 fractionnée, le long d'un premier plan El, en segments 2 mobiles relativement les uns par rapport aux autres; par l'intermédiaire de protubérances 6 ou de nervures coudées vers un côté par rapport aux segments 2, la pièce 1 s'engage de manière mobile dans la rainure 7 d'une seconde pièce 8, qui est située dans un second plan E 2 formant ici un angle droit par rapport au premier plan El, et qui comporte des surfaces d'étanchéité locales 4, 5 Des interstices de dilatation 9 agencés entre les bords de jonction des segments 2, sont ici rendus étanches, au moyen de tôles d'étanchéité 10, 11; ces tôles d'étanchéité se rencontrent en respectant entre-elles le décalage angulaire des plans El,E 2; elles assurent une étanchéité longitudinalement et transversalement à l'étendue de l'interstice; par ailleurs, les tôles d'étanchéité 10, 11 s'engagent de manière mobile ou avec jeu, par leurs extrémités latérales, dans des évidements A, B ouverts en direction des bords de jonction des interstices de dilatation 9. La figure 1 pourrait également être modifiée de la manière suivante, à savoir que l'autre 8 des deux pièces, de façon similaire à une paroi de tuyère, s'étende verticalement, à savoir parallèlement au second plan E 2, la pièce 1 pouvant être constituée par une paroi de canal fractionnée en segments 2 par des interstices de dilatation Des ensembles de pièces appairées et rendues étanches, similaires ou comparables, peuvent également se rencontrer dans les échangeurs de chaleur; dans ce cas, une paroi déflectrice d'un faisceau de tubes, divisée en segments, s'engage par des protubérances 6 dans le carter 8 d'un échangeur de chaleur L'invention peut également être mise en oeuvre dans des cas de ce type. Conformément à l'invention, chaque interstice de dilatation 9 de la pièce 1 considérée, doit par exemple être rendu étanche, conformément aux figures 5 à 7, entre les bords de jonction des segments extérieurs 2 de bande de recouvrement d'une grille directrice de turbine d'une turbine haute-pression, en un endroit de l'interstice formé entre la tôle d'étanchéité il s'étendant radialement à l'étendue de l'interstice dans les nervures 6 et la surface conjuguée, ici la surface arrière, de la rainure 7 A cet endroit, chaque interstice de dilatation 9 doit être rendu étanche au moyen de l'insert 12 en forme de "V" selon les figures 2 à 4. Par les surfaces d'étanchéité 4, 5 (figure 6) déjà évoquées au regard de la figure 1, le long de faces frontales avant et arrière des protubérances 6 sur les segments 2, la grille directrice, formant la pièce 1 considérée, est suspendue en étant mobile en direction radiale, dans la rainure 7 du support de joint d'étanchéité 8 ' d'un tronçon de paroi de carter 17 (figure 7) L'insert 12 doit en priorité réduire de manière draconienne, la part des fuites L (figure 6) d'air de barrage, qui radialement à l'extérieur peut normalement s'écouler pratiquement librement autour de la tôle d'étanchéité il correspondante, et parvenir, par la partie restante de l'interstice mentionné, dans le canal des gaz chauds 18 (figure 7), en aval des bords arrière des aubes directrices 19 Conformément à la figure 7, seule, par exemple, la surface frontale arrière 5 sur la protubérance 6 -assure une fonction d'étanchéité, parce que, par exemple, le bras avant du support de joint d'étanchéité 8 ' présente des encoches 20 réparties sur la périphérie, et ne forme ainsi essentiellement que des surfaces d'appui axiales pour les protubérances 6 Dans le cas de la figure 7, il est donc possible de réduire de manière draconienne, par l'intermédiaire de l'insert 12, en plus de la part des fuites L, également la part des fuites Li d'air de barrage, résultant des encoches 20. Notamment la vue arrière (figure 2) de l'insert 12, matérialise sa forme principale de 'V", comprenant les deux ailes libres 13, 14 s'évasant latéralement à partir de la paroi de base 15, par lesquelles l'insert 12 s'élargiten plus, à partir de sa surface d'extrémité avant 16 ' en direction de sa surface d'extrémité arrière 16 (figure 4) Au niveau de la surface d'extrémité 16, la partie T 2 correspondante de la paroi de base 15 s'étend essentiellement de manière rectiligne, tandis que la partie Tl de la paroi de base , relativement plus étroite est cintrée au niveau de la surface d'extrémité avant 16 ' Comme le laisse entrevoir la figure 3, la paroi de base 15 de l'insert 12, est inclinée de l'avant et du bas, vers l'arrière et le haut, et est montée avec une telle inclinaison, par rapport à l'axe de la turbine, au niveau de l'interstice restant, entre la tôle d'étanchéité il radiale (figures 6 et 7) et la surface adjacente de la rainure 7 (position de fonctionnement); dans cet état monté, l'insert 12 recouvre, avec sa surface de base 15 sensiblement aplatie, la partie restante évoquée de l'interstice de dilatation 9, les extrémités libres des deux ailes 13, 14 étant opposées au fond de la rainure, et les deux ailes 13, 14 reposant simultanément, en fonctionnement, de manière étanche grâce à l'actionnement par la pression différentielle, sur des surfaces de joint St inclinées correspondante des segments 2 au niveau de l'interstice 9 (voir figure 5). Grâce à l'actionnement par la pression différentielle, en cours de fonctionnement, l'insert 12 réalise, par ailleurs, le long de sa surface d'extrémité arrière 16, une portée d'étanchéité complète contre la surface conjuguée adjacente de la rainure 7 (figure 6) Les surfaces locales d'étanchéité 5, sur les faces frontales arrière des protubérances 6, s'étendent de manière plane et parallèlement aux tronçons localement adjacents de la surface d'extrémité arrière 16 de l'insert 12. Conformément à la figure 7, un espace annulaire 21 est alimenté en air de barrage et de refroidissement de carter (flèche F) L'espace annulaire 21 est enserré entre le tronçon de paroi de carter 17 comprenant le support de joint d'étanchéité 8 ', les segments de bande de recouvrement 2 radialement extérieurs, une partie de tube de flamme 22 faisant subir un renvoi à l'écoulement des gaz chauds H, à l'intérieur, d'une manière favorable d'un point de vue aérodynamique, et une partie de paroi de carter 23 reliée au tube de flamme; aux parties 22 et 23 est reliée une autre partie, localement étagée, du tube de flamme 24 de la chambre de combustion Les parts de fuites L, Ll déjà évoquées sont produites par l'air de refroidissement et de barrage F amené à l'espace annulaire 21 L'actionnement de l'insert 12 par la pression différentielle, s'effectue ainsi par l'intermédiaire de la pression de l'air, qui règne en amont dans l'espace annulaire 21, et qui est supérieure à la pression statique de l'écoulement des gaz chauds régnant localement dans le canal de turbine 18, dans la zone en aval des bords arrière des aubes directrices 19. La figure 7 laisse par ailleurs entrevoir une partie de tube de flamme 25 guidant extérieurement l'écoulement des gaz chauds H et lui faisant subir un renvoi en direction de la grille directrice 1. Frontalement, sur le haut, la grille directrice 1 est suspendue en K, axialement/radialement, par l'intermédiaire des segments de bande de recouvrement 2 extérieurs, à la manière d'un crochet, à la partie de tube de flamme 22 qui, le cas échéant, est de configuration élastique en direction radiale La grille directrice 1 est en outre suspendue, côté amont et côté aval, à la manière de crochets en Ki et K 2, de façon immobile en direction radiale, par l'intermédiaire de segments de bande de recouvrement 2 ' situés au niveau du pied des aubes, ceci sur un support d'aubes directrices il ' et une pièce de suspension 26 reliée à ce dernier et destinée à la partie de tube de flamme 25 Font en outre partie de l'étage haute pression de la turbine, des aubes mobiles 28 ancrées sur la périphérie d'un disque de rotor 27, et dont les sommets sont enveloppés par un anneau de carter 29, laissant subsister des interstices radiaux. Les modes de réalisation et les exemples explicités en détail et/ou représentés sur les dessins, même n'étant pas explicitement revendiqués, font partie intégrante de l'invention. REVENDICATIONS. 1 Dispositif pour assurer l'étanchéité de pièces, notamment dans des turbomachines, dans lequel une pièce ( 1) est fractionnée le long d'un premier plan (El), en des segments ( 2) mobiles relativement les uns par rapport aux autres, et est mobile dans un second plan (E 2) décalé angulairement par rapport au premier plan, en ce sens que des protubérances ( 6) des segments ( 2) s'engagent, en assurant l'étanchéité, dans une rainure ( 7) d'une autre pièce ( 8; 17) dans laquelle des interstices de dilatation ( 9) formés entre des bords de jonction des segments, sont rendus étanches, longitudinalement et transversalement à l'étendue de l'interstice, par des tôles d'étanchéité ( 10, 11), caractérisé en ce que chaque interstice de dilatation ( 9) est rendu étanche, entre une tôle d'étanchéité ( 11) disposée transversalement à l'étendue de l'interstice et une surface conjuguée de la rainure ( 7), faisant office de surface d'étanchéité, par un insert ( 12) en forme de "l V", qui est actionné par une différence de pression locale, est disposé de manière à s'évaser avec ses ailes libres ( 13, 14) en direction du fond de la rainure, s'élargit avec les deux ailes ( 13, 14) en direction de la surface conjuguée d'étanchéité de la rainure ( 7), repose de manière étanche, par l'élargissement, sur des surfaces de jonction (St) obliques correspondantes des segments ( 2), et recouvre l'interstice de dilatation ( 9), par une paroi de base ( 15) entre les deux ailes ( 13, 14), inclinée en direction de sa surface d'extrémité ( 16) assurant l'étanchéité dans la rainure ( 7). 2 Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que la rainure ( 7) est formée sur un support de joint d'étanchéité ( 8 ') en forme de carter, de l'autre pièce ( 17). 3 Dispositif selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que le premier plan est un plan annulaire, dans lequel les segments ( 2) de la première pièce sont constitués par des segments de bande de recouvrement ( 2) d'une grille directrice ( 1) fractionnée d'une turbine, l'autre pièce ( 17) étant un tronçon de paroi de carter de la turbine sur la périphérie duquel s'étend une rainure ( 7). 4 Dispositif selon l'une des revendications 1 à 2, caractérisé en ce que l'une et l'autre des pièces ( 1; 8) sont des éléments de paroi d'une tuyère de poussée ou d'une entrée d'air d'un turboréacteur, notamment d'un turbostatoréacteur.