Brevet FR2918144A1 — publié le 20090102

JOINT A BROSSE DYNAMIQUE DESCRIPTION DOMAINE TECHNIQUE L'invention concerne un joint à brosse 5 dynamique pour assurer une étanchéité entre un rotor et un stator. Des joints à brosse de ce type sont utilisés notamment pour réaliser une étanchéité air/huile au niveau des compresseurs haute et basse 10 pression et au niveau des turbines hautes et basses pression. Plus précisément l'invention concerne un joint à brosse constitué de soies non métalliques, apte à assurer une étanchéité d'un entrefer entre un rotor 15 (18) et un stator comportant un boîtier pour les soies (4) fixé sur le rotor ou sur le stator, les soies étant soumises, sur une face, à une pression amont et sur une autre face à une pression aval, la pression amont étant supérieure à la pression aval. 20 Les joints actuellement utilisés dans ces applications sont des joints de type labyrinthe qui comportent des dents annulaires appelées léchettes matérialisant vis-à-vis d'un anneau en matériau plus tendre appelé abradable une pluralité de restrictions 25 de section générant une perte de charge et donc une réduction du débit. Avec un tel joint, la perméabilité en air est importante, en conséquence, la turbomachine consomme de l'huile ce qui coûte de l'argent et est en outre toxique pour l'environnement. On connaît par ailleurs (EP 1 517 006) un joint à brosse qui assure l'étanchéité de la cavité de prélèvement d'air à la cabine. Cette cavité est délimitée d'une part par une virole externe du compresseur et une structure annulaire raccordée à la virole et, d'autre part, par le carter externe de la grille de diffuseur un jambage raccordé au carter externe et une virole externe de carter moteur. Le joint comporte des soies qui s'étendent radialement vers l'extérieur et qui sont en appui sur la surface interne d'un manchon cylindrique solitaire de la structure annulaire et entourant le joint à brosse. Toutefois, un joint de ce type réalise une étanchéité statique dans laquelle les problèmes d'usure ne se posent pas. On connaît également (US 5 400 586) un joint à brosse auto-adaptateur pour une chambre à combustion d'une turbine à gaz. La turbine à gaz comporte une chambre de combustion comportant à son extrémité de sortie une pièce de transition espacée d'une tuyère de premier étage. Un joint à brosse réalise une étanchéité entre la pièce de transition et la tuyère de premier étage. Le joint comporte une virole d'étanchéité supportée soit par la pièce de transition soit par la tuyère de premier étage. Un joint d'étanchéité comporte de soies qui entrent en contact avec la virole d'étanchéité pour rendre étanche l'espace compris entre la pièce de transition et la tuyère de premier étage. Un joint de ce type réalise également une étanchéité statique et les problèmes d'usure du joint ne se pose pas. On connaît encore des joints à brosse métallique qui ont fait l'objet d'applications aux turbomachines depuis les années 50. Le point le plus important à noter sur cette technologie est la nécessité d'arc- bouter les poils sur une barrière résistante à la pression (la bague arrière). La conséquence est un raidissement des brosses proportionnel à la pression appliquée qui peut provoquer une usure accélérée des brosses si le jeu vient à s'annuler dans ces conditions. Le moindre contact avec le rotor entraîne une usure rapide du joint et une dégradation des caractéristiques d'étanchéité. La présente invention a pour objet un joint à brosse dynamique qui remédie aux inconvénients de l'art antérieur. Ces buts sont atteints conformément à l'invention par le fait que les soies sont en appui sur le stator ou le rotor de manière à être inclinées du côté du joint où règne la pression la plus faible, à savoir la pression aval. Grâce à cette caractéristique, l'élasticité des soies qui assurent une pression de contact sur le rotor ou le stator est contre-balancée par la poussée aérodynamique qui soulève les soies de leur siège, ce qui a pour effet de minimiser la pression de contact sur le rotor ou le stator. Ainsi, l'usure du joint est rendue aussi faible que possible. En régime de croisière un léger jeu subsiste par lequel circule un mince flux d'air, mais l'huile est retenue du côté aval du joint de sorte que les fuites d'huile sont complètement évitées. Les soies sont inclinées dans le sens de l'écoulement d'un angle a compris entre 5 et 45 et de préférence entre 10 et 30 . Dans une réalisation particulière, le boîtier comporte une enveloppe interne sur laquelle les soies sont enroulées et une enveloppe externe qui entoure les soies. Avantageusement le joint à brosse comporte une bague amont et une bague aval disposée entre 10 l'enveloppe externe et les soies. Avantageusement l'enveloppe interne et l'enveloppe externe présentent une forme de C. Dans une réalisation préférée le joint à brosse comporte un ressort hélicoïdal disposé au centre 15 de l'enveloppe interne, tout type d'anneau élastique peut également assurer cette fonction. Dans une réalisation particulière, la bague aval comporte un chanfrein. De préférence, le joint à brosse est monté 20 sur un support, ledit support comportant un logement dans lequel est reçu le boîtier et un jonc d'arrêt pour immobiliser le boîtier dans le logement. Dans une réalisation particulière, la bague aval est plus courte que le support et le support 25 présente un rayon sur lequel les soies viennent en appui pour prendre une forme incurvée. De préférence, le jonc d'arrêt écrase le boîtier de manière à assurer, par la déformation du boîtier, une étanchéité statique entre le boîtier et le 30 logement du boîtier. Par ailleurs, l'invention concerne une turbine ou un compresseur de turbomachine comportant un joint à brosse conforme à l'invention. Enfin, l'invention concerne une turbomachine comportant une turbine et/ou un compresseur équipé d'un joint à brosse suivant l'invention. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront encore à la lecture de la description qui suit d'exemples de réalisation donnés à titre illustratif en référence aux figures annexées. Sur ces figures : la figure 1 représente une vue en perspective d'un joint à brosse conforme à la présente 15 invention ; la figure 2 représente une vue schématique en coupe qui illustre la courbure de la brosse ; - la figure 3 est une vue de détail qui 20 montre la pression de contact des brosses sur le rotor ; la figure 4 est une courbe qui représente le taux d'usure en fonction de la pression des brosses sur le rotor ; 25 - la figure 5 est une variante du joint d'étanchéité représenté sur la figure 1 comportant un champ frein sur la bague arrière ; - la figure 6 est une vue en perspective qui montre le joint monté dans son logement ; 30 - la figure 7 est une variante dans laquelle le joint comporte une bague arrière courte et dans laquelle le logement comporte un rayon de support des soies. Sur la figure 1 le joint à brosse comporte une enveloppe interne 2 en forme de C ouvert vers le haut. Les soies 4 formant la brosse sont enroulées sur cette enveloppe interne. Les soies sont maintenues par une bague amont 6 et une bague aval 8. La bague amont 6 et la bague aval 8 sont maintenues en place par une enveloppe externe 10 présentant la forme C ouvert vers le bas. En outre, un ressort hélicoïdal 12 est présent à l'intérieur de l'enveloppe interne 2. Cette dernière prend appui sur le ressort hélicoïdal 12. L'angle a est comprit entre 5 et 45 et de préférence entre 10 et 30 . La brosse 4 est constituée de poils de carbone d'un diamètre de 6 m environ. L'épaisseur de la nappe varie entre un millimètre et 4 millimètres selon les applications. On a illustré sur la figure 2 le montage du joint. La référence 14 désigne la longueur libre des poils 4 tandis que la référence 16 représente la hauteur sous bague arrière des poils 4 incurvés prenant appui sur le stator 18. L'angle des poils par rapport à une perpendiculaire à la surface du rotor 18 est désigné par a. L'enveloppe interne 2, l'enveloppe externe 10, les bagues amont et aval 6, 8 constituent un boîtier. Sur la figure 3, les poils 4 prennent appui sur le rotor 18. Les poils sont soumis à une pression amont et à pression avale dont la différence constitue une pression différentielle 20. Les poils 4 exercent une pression de contact 22 sur le rotor 18. Cette pression de contact 22 est diminuée par la pression différentielle 20 qui tend à soulever les poils du rotor 18. Contrairement aux joints à brosse métallique, l'invention ne cherche pas à lutter contre la pression en arc-boutant les poils contre la bague arrière. Le jeu de bague arrière est même dimensionné de manière à ce que la nappe puisse migrer entre le rotor et celle-ci. Dès le montage, il y a déflexion des brosses sous la bague arrière 8. Les efforts aérodynamiques s'exercent librement en fonctionnement sur la nappe et peuvent soulever celle-ci du rotor pour des pressions différentielles élevées. La caractéristique de perméabilité est du coup fortement dégradée au-dessus 2,5 bars mais on obtient une usure qui devient dégressive avec la pressurisation. On adapte la raideur de la brosse à la pression à étancher de manière à minimiser en fonctionnement en croisière la pression de contact et donc l'usure du joint. On a représenté sur la figure 4 une courbe qui illustre la variation du taux d'usure 26 en fonction de la pression des brosses sur le rotor 28. Comme on le constate, le taux d'usure suit sensiblement la pression des brosses sur le rotor. Pour une pression des brosses égales à 100%, le taux d'usure est maximum puis le taux d'usure décroît avec la pression des brosses sur le rotor pour atteindre une valeurs minimale lorsque la pression des brosses sur le rotor est à son minimum. En résumé, les joints sont efficaces seulement à basse pression. Le fonctionnement le plus nocif pour la durée de vie du contact rotor/stator est le ralenti. La faible vitesse de glissement dans ces conditions garantit pour de nombreuses applications un taux d'usure réduit. La figure 5 représente une variante de réalisation dans laquelle la bague avale 8 comporte un chanfrein 30. Ce chanfrein a pour fonction de faciliter l'inclinaison des brosses 4 et de réduire les risque de cisaillement des soies. La figure 6 illustre la manière dont le boîtier du joint d'étanchéité est monté sur un support 32. Le support comporte un logement 34 dans lequel est reçu le boîtier. Un jonc d'arrêt 36 immobilise le boîtier dans le logement 34. Conformément à une caractéristique de l'invention, le jonc d'arrêt 36 est disposé de telle manière à écraser légèrement le boîtier afin de l'ovaliser et d'appliquer sa partie supérieure 38 contre la surface du logement 34 de manière à réaliser une étanchéité statique entre le boîtier et le logement. On a représenté sur la figure 7 une variante de réalisation dans laquelle la bague aval 8 a été raccourcie. Le logement 32 comporte un arrondi 38 sur lequel les poils 4 viennent prendre appui. La fonction de l'arrondi 38 est donc similaire à celle du chanfrein 30 du mode de réalisation représenté sur la figure 5. Il a pour but de faciliter l'inclinaison de l'extrémité libre des poils. 30 REVENDICATIONS 1. Joint à brosse constitué de soies non métalliques, apte à assurer une étanchéité d'un entrefer entre un rotor (18) et un stator comportant un boîtier pour les soies (4) fixé sur le rotor ou sur le stator, les soies étant soumises, sur une face, à une pression amont et sur une autre face à une pression aval, la pression amont étant supérieure à la pression aval, caractérisé en ce que les soies (4) sont en appui sur le stator ou le rotor (18) de manière à être inclinées du côté du joint où règne la pression la plus faible, à savoir la pression aval. 2. Joint à brosse suivant la revendication 1, caractérisé en ce que les soies (4) sont inclinées dans le sens de l'écoulement d'un angle a comprit entre 5 et 45 et de préférence entre 10 et 30 . 3. Joint à brosse suivant la revendication 1, caractérisé en ce que le boîtier comporte une enveloppe interne (2) sur laquelle les soies sont enroulées et une enveloppe externe (10) qui entoure les soies. 4. Joint à brosse suivant la revendication 3, caractérisé en ce qu'il comporte une bague amont (6) et une bague avale (8) disposées entre l'enveloppe externe (10) et les soies (4). 5. Joint à brosse suivant la revendication 3 ou 4, caractérisé en ce que l'enveloppe interne (2) et l'enveloppe externe (10) présentent une forme de C. 6. Joint à brosse suivant la revendication 5, caractérisé en ce qu'il comporte un ressort hélicoïdal (12) disposé au centre de l'enveloppe interne (2). 7. Joint à brosse suivant l'une des revendications 4 à 6, caractérisé en ce que la bague aval (8) comporte un chanfrein (30). 8. Joint à brosse suivant l'une des revendications 1 à 7, caractérisé en ce qu'il est monté sur un support (32), ledit support comportant un logement (34) dans lequel est reçu le boîtier et un jonc d'arrêt (36) pour immobiliser le boîtier dans le logement (34). 9. Joint à brosse suivant la revendication 8, caractérisé en ce que la bague aval (8) est plus courte que le support (32) et en ce que le support présente un rayon (38) sur lequel les soies (4) viennent en appui pour prendre une forme incurvée. 10. Joint à brosse suivant la revendication 8, caractérisé en ce que le jonc d'arrêt (36) écrase le boîtier de manière à assurer, par la déformation du boîtier, une étanchéité statique entre le boîtier et le logement (34) du boîtier. 11. Turbine ou compresseur de turbomachine caractérisé en ce qu'il comporte un joint à brosse selon l'une des revendications 1 à 10. 12. Turbomachine, caractérisée en ce qu'elle comporte une turbine et/ou un compresseur suivant la revendication 11.