Brevet FR2759757A1 — publié le 19980821

L'invention concerne un joint à brosse, et en parti- culier un joint à brosse destiné à réduire les fuites de gaz d'un moteur à turbine à gaz, et un procédé pour la fabrication d'un tel joint à brosse. Les joints statiques empêchant le passage des gaz et les joints qui doivent assurer l'étanchéité autour d'un arbre rotatif ont souvent une forme circulaire et leur configuration est telle que chacun des éléments formant les soies forme un angle d'environ 45 avec une tangente au support circulaire. Dans le cas d'un joint d'arbre, la direction d'inclinaison des soies correspond au sens de rotation de l'arbre. Ces joints sont réalisés avec des soies de densité et de longueur suffisantes pour assurer une étanchéité fiable. La figure 1 représente un organe de serrage pour turbine à gaz, contenant un ensemble à joint à brosse, provenant de la demande de brevet en cours d'examen GB-9510069.9 de la demanderesse et qui comprend deux joints internes 72 et deux joints externes 71. Les joints d'étanchéité comportent un support respectif 80 et un ensemble d'éléments à soies 73, 75 (garniture à soies) fixé au support. Chaque garniture à soies est constituée d'une extrémité fixe enrobée ou serrée dans son support, et d'une extrémité libre ou exposée destinée à être en butée contre une surface d'étanchéité. Les garnitures internes 73 comprenant les soies sont repoussées pendant l'utilisation contre des sections annu- laires internes adjacentes respectives de conduits formant l'interface entre une chambre de combustion et le carter des ailettes de turbine, alors que les garnitures externes à soies 75 sont repoussées de manière analogue contre des sections externes adjacentes respectives. Les paires de joints internes et externes placées aux deux extrémités de l'ensemble d'étanchéité sont utilisées pour enfermer de manière étanche l'espace compris entre les sections de conduit interne et externe entrant et les sections de conduit interne et externe sortant. Ainsi, pendant l'utilisation il est prévu qu'il existe un joint hermétique entre le conduit externe entrant, une des garnitures externes 75 à soies, la garniture interne voisine 73 à soies et le conduit interne entrant d'une part, et entre le conduit externe sortant, l'autre des garnitures externes à soies 75, la garniture interne voisine à soies 73 et un conduit externe sortant d'autre part. Ainsi, l'action des joints est d'enfermer l'espace compris entre les conduits interne et externe à chaque extrémité. Les réalisations connues de joints à brosse comprennent celles qui sont décrites dans la demande de brevet britan- nique GB-2 212 228 publiée le 19 juillet 1989, dans laquelle un joint est divisé en un certain nombre de sections à la circonférence du support, les sections étant délimitées par des espaces formés dans l'ensemble des soies, et celles qui sont décrites dans le document GB-2 021 210 publié le 28 novembre 1979, selon lequel les soies sont réalisées afin qu'elles donnent une section variable d'une partie radialement interne à une partie radialement externe du joint ou au contraire qu'elles aient une section prati- quement constante à tous les rayons, mais avec une forme en développante. Dans un premier aspect, l'invention concerne un joint comprenant plusieurs éléments à soies fixés dans un support, et l'angle d'orientation des éléments à soies par rapport au support varie sur une partie au moins de la dimension longitudinale du support. Une partie au moins du support peut être sous forme d'un demi-cercle et un angle d'orientation des éléments à soies par rapport à une tangente aux points respectifs le long du demi-cercle auxquels les éléments respectifs à soies sortent du support peut varier entre une première valeur, dans une région centrale du demi-cercle, et une seconde et une troisième valeur dans les régions respectives d'extré- mité du demi-cercle. La première valeur peut être avantageusement de 45 , et la seconde et la troisième valeur peuvent être toutes deux pratiquement égales à 900. Le support peut comprendre une partie en demi-cercle et des parties d'extrémité constituant des prolongements tangentiels pratiquement rectilignes d'un demi-cercle. L'angle des éléments de soies des parties d'extrémité peut être pratiquement égal à 900. L'angle d'orientation des éléments des soies aux extrémités longitudinales du support peut être tel qu'il provoque une saillie des éléments de soies à la partie d'extrémité du support. Les éléments en forme de soies de ces extrémités peuvent être orientés avec un angle de 10 par rapport à une perpendiculaire au support. La longueur exposée des soies perpendiculairement au support aux points respectifs du support auxquels les soies sortent peut varier sur une partie au moins de la dimension longitudinale du support. La variation de longueur exposée peut être telle qu'elle donne une disposition voulue de logement du joint contre une surface associée d'étanchéité, et peut donner en particulier un centrage du joint contre cette surface. La longueur exposée peut être inférieure dans une région du joint dans laquelle la densité des éléments de soies à une extrémité libre des éléments est relativement grande. La longueur exposée, depuis une première extrémité du joint vers l'autre, peut être la plus petite dans une région du support qui s'étend d'une première extrémité du support à laquelle les éléments en forme de soies sont en surplomb, o il n'existe aucune variation de l'angle des éléments en forme de soies le long du support, à un point le long du support qui forme un angle d'environ 40 avec un axe central bissecteur de la partie en demi-cercle du support, puis elle augmente jusqu'à une valeur maximale pratiquement sur l'axe central, et garde cette valeur maximale jusqu'en un point qui se trouve le long du support, avec formation d'un angle de 65 environ avec l'axe central, puis elle diminue à une valeur intermédiaire au début de la partie linéaire d'extré- mité à laquelle il existe un espace dans les éléments en forme de soies, o il n'existe pas de variation d'angle des éléments en forme de soies le long du support, puis elle reste finalement à la valeur intermédiaire le long de la partie linéaire d'extrémité vers la seconde extrémité du support. Dans un second aspect, l'invention concerne un procédé de fabrication d'un joint à brosse tel que décrit, qui comprend les étapes suivantes: (a) la formation d'un support sous forme d'un élément continu ayant deux parties rectilignes et deux parties en demi-cercle, des premières extrémités correspondantes des parties rectilignes étant raccordées par l'une des parties en demi-cercle et des secondes extrémités correspondantes des parties linéaires étant raccordées par l'autre des parties en demi-cercle, (b) la fixation des éléments en forme de soies dans le support avec une orientation angulaire variable afin que l'orientation angulaire des éléments d'un premier côté d'une droite reliant les points médians des parties rectilignes soit une image spéculaire de l'orientation angulaire des éléments placés de l'autre côté de cette droite, (c) la découpe de la longueur exposée des éléments en fonction de la variation de longueur exposée afin que la variation de longueur des éléments d'un côté de la droite reliant les points médians des parties rectilignes soit une image spéculaire de la variation de longueur des éléments placés de l'autre côté de la droite, et (d) la division du support en deux parties le long de la droite pour la formation d'une paire de joints à brosse. Avant l'étape (d), un élément métallique allongé de protection contre la chaleur peut être fixé au support sur un côté de celui-ci, cet élément de protection contre la chaleur étant divisé en deux parties le long d'une droite pendant l'étape (d). Avant l'étape (d), une gorge peut être réalisée dans le support sur son étendue longitudinale, d'un côté, et, postérieurement à l'étape (d), un élément métallique de protection contre la chaleur peut être fixé dans la gorge de chacune des paires de joints résultants. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront mieux de la description qui va suivre, faite en référence aux dessins annexés sur lesquels: la figure 1 est une vue en perspective d'un organe de serrage utilisé dans un moteur à turbine à gaz et comprenant un ensemble à joint à brosse; la figure 2 est une vue en élévation latérale du joint à brosse qui peut être utilisé dans l'organe de serrage de la figure 1 et qui comporte une configuration classique de soies; la figure 3 est une vue partielle en élévation latérale d'un joint à brosse selon l'invention; la figure 4 représente le joint à brosse de la figure 3 dans lequel la longueur des soies est profilée selon l'invention; la figure 5 représente un profil préféré des soies selon l'invention; la figure 6 représente un second exemple de joint à brosse selon l'invention; la figure 7 représente un troisième exemple de joint à brosse selon l'invention; la figure 8 est un schéma de fabrication utile pour la production du joint à brosse selon l'invention; et la figure 9 est une coupe partielle de bout de la disposition de la figure 8, comprenant un organe solidaire de protection contre la chaleur. Les joints déjà décrits en référence à la figure 1 ont une forme de demi-cercle ayant de petits prolongements rectilignes aux extrémités du demi-cercle. Dans ce cas, l'utilisation de l'orientation classique à 45 des soies donne une situation indésirable dans laquelle il existe un espace à une extrémité du joint et un recouvrement des soies au-delà du profil du support à l'autre extrémité. Cette disposition est représentée sur la figure 2 sur laquelle les soies 20 (dont quelques- unes sont représentées, bien qu'il soit évident qu'il en existe beaucoup plus en pratique) forment un angle de 45 et s'étendent au-delà du profil du joint à l'extrémité supérieure 22 et en-deçà de l'extrémité inférieure 24, en formant ainsi un espace indésirable 26 à l'extrémité inférieure par lequel le gaz peut s'échapper et qui nécessite une découpe des soies en surplomb 27 à l'extrémité supérieure. On considère maintenant la figure 3 sur laquelle seules les parties exposées des soies sont représentées et qui représente la solution selon l'invention au problème de l'espace indésirable et du surplomb indésirable de la configuration de la figure 2. Cette solution comprend une gradation de l'angle d'inclinaison des soies d'un angle de dans la région médiane A de la partie en demi-cercle du joint jusqu'à 0 aux extrémités B de la partie en demi-cercle et dans les parties rectilignes C. Cette disposition évite qu'il ne reste un espace à l'extrémité inférieure 24 du joint ou un surplomb à l'extrémité supérieure 22. En pratique, bien que cette configuration des soies permette en fait la solution du problème énoncé précédem- ment, elle pose aussi un autre problème, c'est-à-dire celui de la rigidité asymétrique de la garniture de soies si bien qu'il n'est pas possible que le joint s'ajuste concentri- quement autour de la surface d'étanchéité. Ce problème est la conséquence du fait que la densité des soies du joint est plus grande dans une région qui se trouve au-dessus de l'axe central horizontal 28 du joint que dans une région correspondante qui se trouve au-dessous de l'axe central. La plus grande densité des soies donne une plus grande rigidité aux soies si bien qu'une force de déséquilibre est appliquée à la partie correspondante du joint lorsque celui-ci est monté contre la surface d'étanchéité. Dans le cas du joint représenté sur la figure 3, celui-ci peut être déplacé vers le haut et vers la gauche ou une force de réaction newto- nienne déplace le conduit vers le bas et vers la droite. La solution de ce second problème est illustrée sous forme schématique générale par la figure 4 et comprend la découpe de la longueur exposée des soies pour la création d'un profil non uniforme de soies sur l'étendue du support. En principe, le matériau est découpé aux extrémités du joint (rayon C) et dans une certaine mesure dans la partie en demi-cercle, l'amplitude de la découpe diminuant à une valeur nulle en un point qui se trouve à proximité de l'axe central 28. En outre, une plus grande quantité des soies est retirée à l'extrémité supérieure 22 du joint qu'à l'extré- mité inférieure 24. Le degré réel de découpe est déterminé empiriquement afin qu'il donne le meilleur équilibre de logement du joint autour de sa surface associée (c'est-à-dire un siège central), et l'inventeur a déterminé qu'un siège optimal a été obtenu dans cette application particulière lorsqu'un profil de soies du type représenté sur la figure 5 était utilisé. Sur la figure 5, la longueur des soies 20, c'est-à- dire la longueur radiale de la partie en demi-cercle et la longueur réelle pour les parties rectilignes, est plus petite dans la partie supérieure du joint commençant à l'extrémité 22 à laquelle les soies seraient en surplomb, sans variation de l'angle des soies vers un point F le long du joint et formant un angle d'environ 40 avec l'axe central 28, puis augmente progressivement à une valeur maximale au centre-même et reste à cette valeur maximale jusqu'à un point G qui se trouve à 65 environ par rapport à l'axe central, puis diminue progressivement à une valeur inter- médiaire au début de la partie rectiligne C à l'extrémité inférieure du joint, et garde cette valeur jusqu'à l'extrémité 24 du joint. Le rapport de la longueur maximale à la longueur minimale des soies est d'environ 2/1 alors que le rapport de la valeur intermédiaire à la valeur minimale est d'environ 1,2/1. Le profil normal original des soies est représenté sur les figures 4 et 5 par la courbe 25 afin qu'il puisse être comparé à la figure 3 dans laquelle la longueur des soies n'est pas profilée. Dans un second mode de réalisation de l'invention, les soies des extrémités du joint sont placées au-delà de la perpendiculaire, vers un angle compris dans une certaine plage, par exemple seulement un surplomb à une extrémité. La figure 7 représente un autre mode de réalisation de l'invention. Sur la figure 7, le problème de l'espace des soies à l'extrémité inférieure 24 du joint est considéré, avec conservation de la caractéristique de surplomb à l'extrémité supérieure 22 qui résulte du prolongement de l'orientation à 45 des soies depuis l'axe central 28, vers le haut, tout autour dans le sens des aiguilles d'une montre. Il suffit alors que les soies en surplomb soient découpées jusqu'à une droite 29 qui est légèrement au-delà du profil 22 d'extrémité, d'une manière analogue à la configuration de la figure 6. Le profil variable de la longueur exposée des soies n'est pas représenté sur la figure 7, mais il est obtenu empiriquement de la même manière que dans les modes de réalisation précédents. Manifestement, le fait que, sur la figure 7, l'angle de 45 est conservé tout autour de l'extrémité de la partie supérieure du joint d'étanchéité signifie que le profil découpé est différent de celui de la figure 4 ou de la figure 5 à cet emplacement. Il faut noter que, dans un dispositif de serrage tel que représenté sur la figure 1, les deux joints internes 72 sont identiques, mis à part le fait qu'ils ont une orien- tation opposée des soies, et la même réflexion s'applique aux deux joints externes 71. En conséquence, chaque paire de joints peut être réalisée en une seule pièce initialement puis divisée. Cette disposition est représentée sur la figure 8 sur laquelle un support 40 est réalisé avec ce qu'on peut appeler une configuration en "piste de course" comprenant deux parties en demi- cercle 41 et deux parties rectilignes 42. Les soies 43 sont alors fixées dans le support 40 suivant les angles indiqués précédemment puis découpées à une longueur variable comme décrit aussi précédemment. La configuration d'orientation angulaire et le profil des longueurs des soies sont sous forme de deux moitiés constituant des images spéculaires réfléchies à l'axe vertical central 44 (la courbe 25 des soies non profilées est aussi représentée sous forme réfléchie, toujours pour être comparée à la configuration profilée). L'étape suivante est la division du support 40 en deux parties suivant la droite 44 pour l'obtention de deux joints identiques qui peuvent être utilisés comme joints externes ou internes représentés sur la figure 1. Comme décrit précédemment au début en référence à l'ensemble de serrage à turbine à gaz de la figure 1, un organe métallique de protection contre la chaleur est incorporé à l'organe de serrage pour protéger celui-ci du contact avec les gaz chauds qui fuient entre les joints internes. Le procédé de fabrication des joints ainsi décrit se prête aussi à la mise en oeuvre facile de cette caractéristique puisque les gorges qui logent la bande métallique 77 (voir figure 1) peuvent être réalisées sur toute la longueur du support 40 d'un seul côté de celui-ci si bien que, lorsque le support 40 est divisé, les gorges des deux moitiés sont tournées l'une vers l'autre pour le logement de la bande. Dans une variante à l'utilisation d'une bande avec des gorges, un côté du support 40 peut comporter une patte métallique ayant une largeur exposée égale à la moitié de la largeur de la bande 77 représentée sur la figure 1. Dans ce cas, lorsque le support 40 est divisé suivant l'axe central, la patte l'est aussi; ensuite, lorsque les joints (les deux moitiés de l'ensemble représenté sur la figure 8) sont montés dans l'ensemble de serrage de la figure 1, les pattes des deux joints d'étan- chéité sont en butée et forment un organe de protection agissant en fait sur toute la largeur. Cette disposition est représentée en coupe sur la figure 9 sur laquelle une patte est représentée fixée à chaque support 40, les soies 43 étant aussi représentées. Il est bien entendu que l'invention n'a été décrite et représentée qu'à titre d'exemple préférentiel et qu'on pourra apporter toute équivalence technique dans ses éléments constitutifs sans pour autant sortir de son cadre. REVENDICATIONS 1. Joint à brosse qui comprend plusieurs éléments en forme de soies (20, 43) fixés dans un support (40), caracté- risé en ce que l'angle d'orientation des éléments en forme de soies (20, 43) par rapport au support (40) varient sur une partie au moins de la dimension longitudinale du support (40). 2. Joint à brosse selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'une partie au moins du support (40) est sous forme d'un demi-cercle, et l'angle d'orientation des éléments en forme de soies (20, 43) par rapport à une tangente aux points respectifs le long du demi-cercle auquel les éléments respectifs en forme de soies (20, 43) sortent du support (40) varie entre une première valeur dans une région centrale du demi-cercle et une seconde et une troisième valeur aux régions respectives d'extrémité du demi-cercle. 3. Joint à brosse selon la revendication 2, caractérisé en ce que la première valeur est pratiquement égale à 45 et la seconde et la troisième valeur sont toutes deux prati- quement égales à 900. 4. Joint à brosse selon la revendication 3, caractérisé en ce que le support (40) comporte une partie en demi-cercle et des parties d'extrémité constituant des prolongements tangentiels pratiquement linéaires du demi-cercle. 5. Joint à brosse selon la revendication 4, caractérisé en ce que l'angle des éléments en forme de soies (20, 43) dans les parties d'extrémité est pratiquement égal à 900. 6. Joint à brosse selon l'une quelconque des revendi- cations 2, 4 et 5, caractérisé en ce que l'angle d'orienta- tion des éléments en forme de soies (20, 43) aux extrémités longitudinales du support (40) est tel qu'il provoque une saillie des éléments en forme de soies (20, 43) du profil d'extrémité du support (40). 7. Joint à brosse selon la revendication 6, caractérisé en ce que les éléments en forme de soies (20, 43) des extrémités sont orientés dans une plage angulaire de 10 par rapport à la perpendiculaire au support (40). 8. Joint à brosse selon l'une quelconque des revendi- cations précédentes, caractérisé en ce que la longueur exposée des soies (20, 43), perpendiculairement au support (40) en des points respectifs du support (40) auxquels sortent les soies (20, 43), varie sur une partie au moins de l'étendue longitudinale du support (40). 9. Joint à brosse selon la revendication 8, caractérisé en ce que la variation de la longueur exposée est telle qu'elle donne une disposition voulue d'appui du joint contre une surface associée d'étanchéité. 10. Joint à brosse selon la revendication 9, carac- térisé en ce que la variation de longueur exposée est telle qu'elle assure un centrage du joint d'étanchéité contre la surface. 11. Joint à brosse selon la revendication 9 lorsqu'elle dépend de l'une des revendications 2 et 4, caractérisé en ce que la longueur exposée est plus petite dans une région du joint dans laquelle la densité des éléments en forme de soies (20, 43) à une extrémité libre des éléments est plus grande. 12. Joint à brosse selon l'une quelconque des revendi- cations 8 à 11 lorsqu'elle dépend de l'une quelconque des revendications 4 à 7, caractérisé en ce que, d'une première extrémité du joint à l'autre, la longueur exposée est la plus petite dans une région du support (40) qui s'étend d'une première extrémité du support (40) à laquelle les éléments en forme de soies (20, 43) sont en surplomb, o il n'existe aucune variation de l'angle des éléments en forme de soies (20, 43) le long du support (40), à un point le long du support (40) qui forme un angle d'environ 40 avec un axe central bissecteur de la partie en demi-cercle du support (40), puis elle augmente jusqu'à une valeur maximale pratiquement sur l'axe central, et garde cette valeur maximale jusqu'en un point qui se trouve le long du support (40), avec formation d'un angle de 65 environ avec l'axe central, puis elle diminue à une valeur intermédiaire au début de la partie linéaire d'extrémité à laquelle il existe un espace dans les éléments en forme de soies (20, 43), o il n'existe pas de variation d'angle des éléments en forme de soies (20, 43) le long du support (40), puis elle reste finalement à la valeur intermédiaire le long de la partie linéaire d'extrémité vers la seconde extrémité du support (40). 13. Procédé de fabrication d'un joint à brosse selon l'une quelconque des revendications 8 à 12, caractérisé par les étapes suivantes: (a) la formation d'un support (40) sous forme d'un élément continu ayant deux parties rectilignes et deux parties en demi-cercle, des premières extrémités correspon- dantes des parties rectilignes étant raccordées par l'une des parties en demi-cercle et des secondes extrémités correspondantes des parties linéaires étant raccordées par l'autre des parties en demi-cercle, (b) la fixation des éléments en forme de soies (20, 43) dans le support (40) avec une orientation angulaire variable afin que l'orientation angulaire des éléments d'un premier côté d'une droite reliant les points médians des parties rectilignes soit une image spéculaire de l'orientation angulaire des éléments placés de l'autre côté de cette droite, (c) la découpe de la longueur exposée des éléments en fonction de la variation de longueur exposée afin que la variation de longueur des éléments d'un côté de la droite reliant les points médians des parties rectilignes soit une image spéculaire de la variation de longueur des éléments placés de l'autre côté de la droite, et (d) la division du support (40) en deux parties le long de la droite pour la formation d'une paire de joints à brosse. 14. Procédé selon la revendication 13, caractérisé en ce que, avant l'étape (d), un élément métallique allongé de protection contre la chaleur est fixé au support (40) d'un côté de celui-ci, cet élément de protection contre la chaleur étant divisé en deux parties suivant ladite ligne pendant l'étape (d). 15. Procédé selon la revendication 13, caractérisé en ce que, avant l'étape (d), une gorge est formée dans le support (40) sur l'étendue longitudinale d'un côté de celui- ci et, après l'étape (d), un élément métallique de protec- tion contre la chaleur est fixé dans la gorge de chacun des joints de la paire résultante de joints.