Brevet FR2902172A1 — publié le 20071214

B07-2262FR Société dite : GENERAL ELECTRIC COMPANY JOINT A LABYRINTHE D'ASPIRATION Invention de : HERRON William L. ALBERS Joseph C. GLYNN Christopher C. CRUDGINGTON Peter. Priorité de deux demandes de brevets déposées aux Etats-Unis d'Amérique le 10 juin 2006sous le n 60/804.432 et le 20 juillet 2006 sous le n 11/458.764. 1 JOINT A LABYRINTHE D'ASPIRATION La présente invention concerne d'une façon générale les joints d'étanchéité à faces radiales pour machines tournantes et, plus particulièrement, des joints 5 d'étanchéité à faces radiales d'aspiration ou à équilibre gazeux. Les joints d'étanchéité à faces radiales servent à limiter le plus possible les fuites passant par un espace entre deux pièces, ces fuites ayant lieu d'une zone à une pression supérieure vers une zone à une pression inférieure. De tels joints ont été utilisés dans des machines tournantes, par exemple des turbines à vapeur et des 10 turbines à gaz. Dans les turbines à gaz, des joints à faces radiales sont utilisés entre des matériels statiques, entre des pièces de rotor et de stator et peuvent être utilisées entre différentes pièces tournantes. Les intervalles ou passages de fuites entre ces différentes pièces doivent être hermétiquement obturés, et les joints d'étanchéité 15 appliqués doivent être aptes à compenser des variations dimensionnelles des espaces sous l'effet de différences de dilatation thermique et mécanique des pièces pendant le cycle opératoire de la machine. On réussit à obturer hermétiquement l'espace variable soit en créant un contact souple maintenu entre les pièces, par exemple à l'aide d'un joint à brosse ou 20 un joint en feuille, ou en créant un trajet de fuites complexe qui crée des pertes de pression, et donc un débit réduit, par exemple à l'aide d'un joint à labyrinthe. Dans un joint à labyrinthe entre des pièces tournantes et des pièces statiques, les extrêmes lors de la fermeture de l'espace peuvent être absorbés en permettant un frottement de dents de labyrinthe de rotor contre une matrice de stator plus tendre ("abradable"). 25 Du fait des espaces initiaux, et en raison du contact des joints contre les surfaces adjacentes, aucun de ces joints ne peut satisfaire la totalité des exigences de performances et de durée de vie. A titre d'exemple, la Fig. 1 représente une partie d'un moteur à turbine à gaz comprenant l'extrémité arrière d'un compresseur 10, un diffuseur 12, une chambre de 30 combustion annulaire 14 et une turbine haute pression 16 qui comporte un distributeur fixe 18 et des aubes tournantes 20 de turbine portées par un rotor 22 de turbine. Le compresseur 10 est entraîné par la turbine 16 par l'intermédiaire d'un arbre 24. L'intervalle entre le trajet d'écoulement primaire "F" des gaz chauds et l'arbre 24 définit un trajet d'écoulement secondaire. Pour diverses raisons dont 35 l'obtention d'un rendement maximal et la prévention de l'usure, il est souhaitable de limiter le plus possible les fuites via le trajet d'écoulement secondaire. Pour cela, il est prévu un ou plusieurs ensembles de joints qui réduisent ou empêchent l'écoulement à travers ceux-ci. Dans l'exemple illustré, un ensemble de joints 26 de pression de refoulement de compresseur (PRC) 26 comprenant un élément tournant 28 ayant une pluralité de dents détanchéité annulaires 30 s'étendant radialement vers l'extérieur, placées en regard d'un élément abradable fixe 32, est disposé vers l'intérieur du diffuseur 12. Un joint extérieur avant (JEA) 34 comprenant un élément rotatif 36 ayant une pluralité de dents détanchéité annulaires s'étendant radialement vers l'extérieur, placées en regard d'un élément fixe abradable 40, est disposé vers l'intérieur du distributeur 18 de turbine. Des joints d'étanchéité à faces radiales sont également ailleurs dans le moteur. L'ensemble de joints de PRC 26 et le JEA 34 subissent une dégradation au cours d'un fonctionnement prolongé, comme décrit plus haut. La présente invention propose un joint d'étanchéité à faces radiales avec de faibles fuites et une grande durée de vie. L'espace entre les éléments d'étanchéité est maîtrisé de façon que les dents d'étanchéité ne frottent pas contre le rotor. Cela assure une efficacité de l'étanchéité aussi bien lors de la fabrication du moteur d'après une longue durée de fonctionnement. On estime que les fuites à travers la face d'un joint primaire peuvent être réduites d'environ 25 % en comparaison des joints à faces radiales selon la technique antérieure. Selon un premier aspect, l'invention propose un ensemble de joint, comprenant : un premier élément annulaire définissant une première surface d'étanchéité principale à orientation globalement axiale ; et un second élément annulaire définissant une seconde surface d'étanchéité principale à orientation globalement axiale, le second élément annulaire étant monté de manière à pouvoir bouger axialement par rapport à un support de joint de façon que la seconde surface d'étanchéité principale soit disposée en regard de la première surface d'étanchéité principale ; au moins une des première surface d'étanchéité principale et seconde surface d'étanchéité principale ayant au moins une dent détanchéité annulaire s'étendant axialement depuis celle-ci. Selon un autre aspect de l'invention, un corps de joint pour ensemble de joint disposé autour d'un axe comprend : une partie annulaire à extension axiale ; une partie à extension radiale définissant une surface d'étanchéité principale et coopérant avec la partie à extension axiale pour définir une section transversale globalement en L ; et au moins une dent détanchéité annulaire s'étendant axialement depuis la surface d'étanchéité principale. Selon un autre aspect de l'invention, un ensemble de joint disposé autour d'un axe pour une turbine à gaz comprend : un rotor ayant une première surface d'étanchéité principale à orientation axiale ; un support fixe de joint disposé au voisinage immédiat du rotor ; un corps annulaire de joint fixé au support de joint et disposé entre le rotor et le support de joint, le corps de joint étant mobile axialement par rapport au support de joint, le corps annulaire de joint comportant une partie à extension globalement radiale qui définit une seconde surface d'étanchéité principale à orientation axiale qui est en regard de la première surface d'étanchéité principale, et une partie à extension globalement axiale ; au moins une des première surface d'étanchéité principale et seconde surface d'étanchéité principale ayant au moins une dent détanchéité annulaire s'étendant axialement depuis celle-ci. La partie à extension axiale du corps 48 de joint porte un joint secondaire qui est au contact de la surface d'étanchéité secondaire tout en permettant un mouvement axial du corps de joint. Au moins une des dents d'étanchéité peut avoir un profil à section transversale conique. L'autre des première et seconde surfaces d'étanchéité principales peut comporter une gorge annulaire d'étanchéité, la gorge d'étanchéité étant placée à l'opposé des dents d'étanchéité. La seconde surface d'étanchéité principale peut comporter une partie interne globalement plane et une partie externe disposée radialement à l'extérieur de la partie intérieure et portant les dents d'étanchéité. La première surface d'étanchéité principale a une partie interne, et une partie externe décalée axialement en avant de la partie interne de façon qu'un gradin s'opposant à un écoulement radial soit défini à une jonction des parties interne et externe. Une partie distale d'au moins une des dents d'étanchéité peut être disposée axialement entre les parties interne et externe de la première surface d'étanchéité principale. Le joint peut comporter en outre un joint annulaire de démarreur s'étendant globalement axialement depuis la seconde surface d'étanchéité principale. Le joint peut comprendre en outre au moins un ressort de rappel disposé entre le corps de joint et le support de joint afin de solliciter le corps de joint pour qu'il s'écarte du rotor. L'invention sera mieux comprise à l'étude de la description détaillée d'un mode de réalisation pris à titre d'exemple non limitatif et illustré par les dessins annexés sur lesquels : la Fig. 1 est une vue latérale schématique d'une partie d'une turbine à gaz selon la technique antérieure ; la Fig. 2 est une vue latérale schématique en coupe d'un ensemble de joint d'étanchéité à faces radiales, construit selon une forme de réalisation de l'invention ; la Fig. 3 est une vue de face d'une partie de l'ensemble de joint d'étanchéité à faces radiales de la Fig. 2 ; la Fig. 4 est une vue agrandie en coupe d'une partie de l'ensemble de joint à 15 faces radiales de la Fig. 2 ; la Fig. 5 est une autre vue agrandie en coupe d'une partie de l'ensemble de joint à faces radiales de la Fig. 2 ; et la Fig. 6 est une vue latérale schématique en coupe d'un autre exemple d'ensemble de joint d'étanchéité à faces radiales. 20 Considérant les dessins, sur lesquels des repères identiques désignent les mêmes éléments sur toutes les diverses vues, les figures 2 et 3 représentent un exemple d'ensemble de joint 42 qui empêche des fuites entre une zone à pression P(haute) relativement forte et une zone de pression P(basse) relativement faible. 25 Dans cet exemple particulier, l'ensemble de joint 42 remplace un joint à pression de refoulement de compresseur (PRC) décrit plus haut et est disposé entre un axe central 24' et un carter 12' de diffuseur, cependant il doit être entendu que les détails de l'ensemble de joint 42 peuvent être utilisés dans n'importe quelle application où un joint à faces radiales est nécessaire. Les organes essentiels de l'ensemble de joint 42 30 peuvent comprendre un rotor 44, un support fixe 46 de joint et un corps 48 de joint (parfois appelé "coulisseau"), tous disposés autour d'un axe longitudinal du moteur. Le rotor 44 a globalement la forme d'un disque et définit une première surface principale 50 de joint à orientation axiale. Le support 46 de joint est un élément non rotatif, à extension axiale et 35 définit une surface d'étanchéité secondaire 47 à orientation radiale. Dans l'exemple illustré, il s'agit d'un anneau continu sur 360 , mais il pourrait être conçu sous la forme d'une structure annulaire segmentée, ou d'une série de supports individuels. Son extrémité arrière 52 comporte une bride radiale 54 fixée au diffuseur 12' par une ou plusieurs pièces de fixation 56. Son extrémité avant 58 porte un ou plusieurs sièges 60 de ressorts. Dans le présent exemple, cinq sièges de ressorts sont espacés à équidistance sur le pourtour du support 46 de joint ; cependant, les sièges 60 de ressorts pourraient aussi se présenter sous la forme d'une structure annulaire continue ou segmentée. Comme on le voit le plus clairement sur la Fig. 3, le siège 60 de ressort a un corps globalement cylindrique 62 et un rebord arqué 64 qui définit une paire d'oreilles de montage 63 à extension latérale. Le siège de ressort est fixé au support 46 de joint par une ou plusieurs pièces de fixation 65. Le corps 62 comporte un rail d'alignement 66 à extension radiale vers l'intérieur, qui est reçu dans une rainure d'alignement complémentaire 68 du corps 48 de joint afin de maintenir l'alignement ou "calage" angulaire relatif voulu du support 46 de joint et du corps 48 de joint. Le corps 48 de joint est donc porté par le support 46 de joint de façon à pouvoir bouger axialement mais non latéralement. Le corps 48 de joint est un élément annulaire qui peut être continu ou segmenté et possède une section transversale globalement en L avec une partie 70 à extension radiale et une partie 72 à extension axiale. Une pluralité de ressorts de rappel 73 sont disposés entre les sièges 60 de ressorts et une collerette 74 du corps 48 de joint, à extension radiale vers l'extérieur. L'extrémité arrière de chaque ressort de rappel 73 se trouve dans un logement 76 de ressort de la collerette 74, ou dans un autre moyen de positionnement adéquat. Les ressorts de rappel 73 servent à écarter du rotor 44 le corps 48 de joint. Cette fonction est décrite plus en détail ci-après. Comme illustré, il y a cinq ressorts hélicoïdaux de type à compression, mais il est possible d'employer d'autres types et nombres de ressorts. Un joint secondaire 78, par exemple un segment de piston d'un type connu, est disposé dans une gorge 80 de la collerette 74 et appuie de manière étanche contre la surface secondaire d'étanchéité 47, à orientation axiale, de l'ensemble de support 46 de ressorts. Le segment de piston peut être d'un type connu constituant un joint circonférenciel continu (ou presque continu). La fonction du joint secondaire 78 est d'empêcher les fuites suivant un trajet entre le corps 48 de joint et le support 46 de joint, qui subit la même différence de pression que le joint primaire, tout en permettant un mouvement axial du corps 48 de joint. Il faut signaler que la configuration spécifique des pièces du joint et de la structure de montage décrite ci-dessus n'est pas essentielle et peut être modifiée pour s'adapter à une application particulière sans affecter les aspects fonctionnels de l'ensemble de joint 42. Comme représenté sur les figures 4 et 5, la partie 70 à extension radiale du corps 48 de joint définit une seconde surface d'étanchéité principale 82 à orientation axiale. Cette seconde surface d'étanchéité principale 82 est disposée tout près du rotor 44 et en regard de la première surface d'étanchéité principale 50. Une dent d'étanchéité périphérique 84, ordinairement appelée "joint de démarreur", s'étend axialement depuis l'extrémité extérieure de la partie 70 à extension radiale, vers l'extérieur du rotor 44 et, dans le présent exemple particulier, est inclinée radialement vers l'intérieur. Des passages 86, 87 de fluide sont ménagés à travers la partie 70 à extension radiale, d'une manière connue, selon les besoins de l'équilibre hydrostatique du corps 48 de joint en fonctionnement (ce qui sera décrit plus en détail par la suite). La seconde surface d'étanchéité principale 82 comprend une partie intérieure plane 82A et une partie extérieure 82B, séparées par une gorge annulaire 3. La partie extérieure 82B comporte au moins une, et éventuellement plusieurs dents d'étanchéité annulaires 88, à extension axiale, espacées radialement les unes des autres, destinées à former un trajet d'écoulement en forme de circuit ou tortueux, afin de limiter l'écoulement depuis le trajet d'écoulement principal vers le trajet d'écoulement secondaire. Dans l'exemple illustré, il y a deux dents 88A et 88B de joint à profil en coupe transversale conique, séparées par des dépressions annulaires 90 à fond arrondi. Les dents 88 pourraient également, si cela était souhaitable, dépasser d'une surface plane. Il doit également être entendu que la configuration des dents d'étanchéité pourrait être inversée, c'est-à-dire que les dents d'étanchéité 88 pourraient au contraire être formées sur la première surface d'étanchéité principale. La configuration de la seconde surface d'étanchéité principale 82 peut être définie en partie par diverses caractéristiques des dents d'étanchéité 88, dont le nombre de dents d'étanchéité 88, leur hauteur "H" en direction axiale, la largeur "W" de leurs pointes, leur angle inclus en coupe transversale "A", leur divergence dans une direction axiale ou en s'écartant d'une direction axiale, appelée angle d'inclinaison "S" (on notera que cet angle est très petit dans l'exemple illustré), leur espacement ou pas radial "P", et l'extension ou longueur radiale totale des dents d'étanchéité 88, désignée par "L". Voici des exemples nullement limitatifs de ces dimensions : hauteur H de dents : environ 0,38 mm (0,015'), angle A des dents : environ 10 , angle d'inclinaison S : environ 0 à environ 45 , largeur W de la pointe : environ 0,13 mm (0,00') à environ 0,76 mm (0,030'), et pas P d'environ 1,3 mm (0,05') à environ 3,8 mm (0,15'). Ces valeurs peuvent être modifiées pour s'adapter à une application spécifique. Dans l'exemple illustré, la première surface d'étanchéité principale 50 possède une partie interne 50A et une partie externe 50B, laquelle est décalée axialement vers l'avant sur une distance "D" par rapport à la partie interne 50A (cf. Fig. 2), la distance "D" étant sensiblement égale à la distance axiale des bouts des dents d'étanchéité 88 à la partie interne 82A de la seconde surface d'étanchéité principale 82. Avec cette configuration, un "gradin" qui s'oppose à un écoulement radial est défini à la jonction des parties interne et externe 50A et 50B de la première surface d'étanchéité principale 50 et, pendant le fonctionnement, les parties distales des dents d'étanchéité 88 sont disposées axialement entre les parties interne et externe 50A et 50B de la première surface d'étanchéité principale 50. En fonctionnement, le corps 48 de joint crée une étanchéité en coopération avec le rotor 44. Les ressorts de rappel 73 maintiennent le corps 48 de joint à l'écart du rotor 44 afin d'empêcher tout contact entre les deux organes lorsque le moteur est à l'arrêt. A mesure qu'augmente la vitesse de fonctionnement du moteur, les pressions de fluides dans les zones des trajets d'écoulement principale et secondaire du moteur augmentent et, de ce fait, l'ensemble de joint 42 est soumis à des pressions croissantes qui agissent sur ces surfaces à orientation axiale, ce qui a pour effet d'amener le corps 48 de joint à se rapprocher du rotor 44. En choisissant d'une manière connue les superficies relatives des différentes parties du corps 48 de joint, le nombre et les dimensions des passages 86, 87 et les dimensions des ressorts de rappel 73, on parvient à un équilibrage hydrostatique de la pression de l'ensemble de joint 42 dans des conditions de fonctionnement choisies. De la sorte, la seconde surface d'étanchéité principale 82 ne touche jamais la première surface d'étanchéité principale 52 mais fonctionne avec un petit jeu axial, par exemple d'environ 0,05 mm (0,002') à environ 0,13 mm (0,005'). Le faible jeu de fonctionnement de l'ensemble de joint à aspiration 42, combiné au trajet d'écoulement complexe passant par les dents d'étanchéité 88 et entre les première et seconde surfaces d'étanchéité 50 et 82, limite fortement les fuites. La Fig. 6 représente un autre ensemble de joint 142 comprenant un rotor 144, un support 146 de joint et un corps 148 de joint avec des parties, respectivement 35 170 et 172, à extension radiale et axiale. Cet ensemble de joint 142 a une structure similaire à celle de l'ensemble de joint décrit mais diffère par la configuration des première et seconde surfaces d'étanchéité principales 150 et 182. Un joint circonférenciel de démarreur 184 s'étend axialement depuis l'extrémité extérieure de la partie 170 à extension radiale. Des passages 186, 187 de fluide peuvent être ménagés d'une manière connue à travers la partie 170 à extension radiale, selon les besoins, pour un équilibrage hydrostatique du corps 148 de joint. La seconde surface d'étanchéité principale 182 comprend au moins une, et éventuellement une pluralité de dents d'étanchéité annulaires 188, à extension axiale, espacées radialement les unes des autres, qui sont destinées à constituer un trajet d'écoulement en circuit ou tortueux dans la direction radiale. Dans l'exemple illustré, il y a trois dents d'étanchéité 188A, 188B et 188C à section transversale à profil conique, séparées par des dépressions annulaires 190 à fond arrondi. Les caractéristiques du joint entre les première et seconde surfaces d'étanchéité principales 150 et 182 peuvent être modifiées pour s'adapter à une application spécifique, d'une manière similaire à ce qui a été décrit plus haut pour l'ensemble de joint 48. Une gorge annulaire 92 de joint à fond arrondi est formée dans la première surface d'étanchéité primaire 150. La dent d'étanchéité correspondante 188C a une hauteur plus grande, dans la direction axiale, que celle des autres dents d'étanchéité 188A et 188B et fera saillie dans la gorge 92 de joint pendant le fonctionnement afin de réduire encore les fuites. Ces ensembles de joint présentent le trajet de fuites complexe d'un joint à labyrinthe et, en comparaison d'un joint à faces planes, réduisent donc les fuites. Cependant, à la différence de joints à labyrinthe selon la technique antérieure qui peuvent frotter contre les pièces adjacentes, le jeu entre les éléments du joint est limité de façon que les dents d'étanchéité ne frottent pas contre le rotor du joint. Cela permet une étanchéité efficace à la fois au moment de la fabrication du moteur et après un long temps de fonctionnement. Liste des repères 12 Carter de diffuseur 24 Axe central 42 Ensemble de joint 44 Rotor 46 Support de joint 47 Surface d'étanchéité secondaire 48 Corps ("coulisseau") de joint 50 Surface d'étanchéité principale 50A Partie interne 50B Partie externe 52 Extrémité arrière 54 Bride à extension radiale 56 Pièces de fixation 58 Extrémité avant 60 Sièges de ressorts 62 Corps cylindrique 63 Oreilles de montage 64 Rebords arqués 65 Pièces de fixation 66 Rail d'alignement 68 Rainure d'alignement 70 Partie à extension radiale 72 Partie à extension axiale 73 Ressorts de rappel 74 Collerette à extension radiale vers l'extérieur 76 Logement de ressort 78 Joint d'étanchéité secondaire 80 Gorge 82 Seconde surface d'étanchéité principale 82A Partie interne 82B Partie externe 84 Dent d'étanchéité circonférencielle (et "joint de démarreur") 86 Passages de fuites 87 Passages de fuites 88 Dents d'étanchéité à extension axiale 88A Dents d'étanchéité 88B Dents d'étanchéité 90 Gorges 92 Gorge annulaire de joint d'étanchéité 142 Ensemble de joint 144 Rotor 146 Support de joint 148 Corps de joint 150 Première surface d'étanchéité principale 170 Partie à extension radiale 172 Partie à extension axiale 182 Seconde surface d'étanchéité primaire 184 Joint circonférentiel de démarreur 186 Passage de fluide 187 Passage de fluide 188 Dents de joint à extension axiale 188A Dents d'étanchéité 188B Dents d'étanchéité 188C Dents d'étanchéité 190 Dépressions à fond arrondi A Angle des dents d'étanchéité en coupe transversale D Distance axiale H Hauteur des dents d'étanchéité L Extension ou longueur radiale des dents d'étanchéité P Espacement ("pas") radial des dents d'étanchéité S Angle des dents d'étanchéité dans la direction axiale ("angle d'inclinaison") W Largeur du bout des dents d'étanchéité REVENDICATIONS 1. Ensemble de joint disposé autour d'un axe d'un moteur à turbine à gaz, comprenant : un rotor (44) ayant une première surface d'étanchéité principale (50) à orientation axiale ; un support fixe (46) de joint disposé au voisinage immédiat du rotor (44) ; un corps annulaire (48) de joint fixé au support (46) de joint et disposé entre le rotor (44) et le support (46) de joint, le corps (48) de joint étant mobile axialement par rapport au support (46) de joint, le corps annulaire (48) de joint comprenant : une partie à extension globalement radiale qui définit une seconde surface d'étanchéité principale (47) à orientation axiale qui est en regard de la première surface d'étanchéité principale (50), et une partie (72) à extension globalement axiale ; au moins une surface choisie parmi la première surface d'étanchéité principale (50) et la seconde surface d'étanchéité principale (82) ayant au moins une dent d'étanchéité annulaire (88) qui s'étend axialement depuis celle-ci. 2. Ensemble de joint selon la revendication 1, dans lequel le support (46) de joint définit une surface d'étanchéité secondaire (47) à orientation radiale. 3. Ensemble de joint selon la revendication 1, dans lequel la partie à extension axiale du corps (48) de joint porte un joint d'étanchéité secondaire qui vient au contact de la surface d'étanchéité secondaire (47) tout en permettant un déplacement axial du corps (48) de joint. 4. Ensemble de joint selon la revendication 1, dans lequel au moins une des dents d'étanchéité (88) a une section transversale à profil conique. 5. Ensemble de joint selon la revendication 1, dans lequel l'autre des première et seconde surfaces d'étanchéité principales comporte une gorge annulaire (80) de joint, la gorge (80) de joint étant placée à l'opposé des dents d'étanchéité (88). 6. Ensemble de joint selon la revendication 1, dans lequel la seconde surface d'étanchéité principale (47) comprend : une partie interne globalement plane (50A) ; etune partie externe (50B) disposée radialement vers l'extérieur de la partie interne (50A) et portant les dents d'étanchéité (88). 7. Ensemble de joint selon la revendication 1, dans lequel la première surface d'étanchéité principale (50) a une partie interne (50A), et une partie externe (50B) qui est décalée axialement vers l'avant par rapport à la partie interne (50A) de façon qu'un gradin qui s'oppose à un écoulement axial soit constitué à une jonction des parties interne et externe (50). 8. Ensemble de joint selon la revendication 7, dans lequel une partie d'au moins une des dents d'étanchéité (88) est disposée entre les parties interne et externe 10 de la première surface d'étanchéité principale (50). 9. Ensemble de joint selon la revendication 1, comprenant en outre un joint annulaire de démarreur s'étendant de manière globalement axiale depuis la seconde surface d'étanchéité principale (82). 10. Ensemble de joint selon la revendication 1, comprenant en outre au 15 moins un ressort de rappel (73) disposé entre le corps (48) de joint et le support (46) de joint afin de solliciter le corps (48) de joint pour qu'il s'écarte du rotor (44).