Brevet FR2961283A1 — publié le 20111216

JOINT ASSERVI PAR UNE DIFFERENCE DE PRESSION ENTRE DEUX ENCEINTES DESCRIPTION DOMAINE TECHNIQUE Le sujet de cette invention est un joint asservi par une différence de pression entre deux enceintes entre lesquelles il est disposé. De tels joints peuvent être choisis pour séparer deux enceintes délimitées par une même partie de structure fixe et une même partie de structure mobile, généralement en rotation devant la précédente. Le joint comprend un corps coulissant sur une des parties et prenant un jeu variable avec la seconde partie ; la différence de pression entre les deux enceintes crée une résultante de force nulle sur le corps de joint, correspondant à un état d'équilibre stable, quand un jeu déterminé entre le corps de joint et la seconde partie est atteint. Un débit de fuite à travers le joint est accepté voire recherché, par exemple pour ventiler une partie chaude d'une turbomachine par de l'air prélevé d'un compresseur après avoir été mis sous pression. Un exemple typique d'un tel joint est décrit dans le document EP-A-1 306 591. Le corps de joint comprend deux lèvres dirigées vers la seconde partie et qui entourent une cavité où règne une pression intermédiaire aux pressions dans l'enceinte amont et l'enceinte aval. Le principe de fonctionnement est que la pression intermédiaire diminue et se rapproche de la pression aval quand le jeu augmente, ce 2 qui rompt l'équilibre des forces s'exerçant sur le corps de joint et le ramène à la position du jeu souhaité ; une réaction inverse, ramenant encore à la position d'équilibre, se produit quand le corps de joint est trop rapproché de la seconde partie. Un autre exemple de joint asservi à une différence de pressions est donné dans le document EP-A-O 794 603. Les joints à labyrinthe qui sont très largement dominants dans les dispositifs d'étanchéité pour moteurs à réaction ont comme point commun avec les précédents de n'imposer aucun frottement entre les deux parties et de tolérer un débit de fuite entre les enceintes. Ces joints comprennent deux portions concentriques respectivement assujetties aux parties de structure, dont l'une porte une garniture de matière abradable et l'autre des lames circulaires appelées léchettes dirigées vers cette garniture. Le gaz fuyant doit accomplir un trajet sinueux devant la garniture abradable (normalement constituée d'une structure en nid d'abeille aux alvéoles ouverts) tout en contournant successivement les arêtes des léchettes, ce qui donne un écoulement tourbillonnant et des pertes de charges importantes, donc un débit de fuite réduit. Tous ces joints sont toutefois sujets à de l'usure susceptible de dégrader leur performance. Cette usure provient de contacts occasionnels produits dans des circonstances accidentelles ou des régimes extrêmes de la machine, soit entre le corps de joint et la seconde partie de structure mobile devant lui, soit entre l'abradable et les léchettes. La seconde partie 3 est alors entaillée par les lèvres du corps de joint, ou l'abradable est creusé par les arêtes des léchettes. Le jeu des joints à labyrinthe devient plus important à mesure que l'abradable est creusé, et les joints asservis se dérèglent puisque les usures en face de chacune des lèvres sont en général différentes, ce qui favorise la communication de la cavité à pression intermédiaire avec une des enceintes, et modifie donc le jeu auquel l'état d'équilibre du corps de joint est obtenu. Le sujet de l'invention est un joint asservi amélioré, où les effets d'une usure éventuelle deviennent insensibles sur l'état d'équilibre et le débit de fuite permis à travers le joint. On verra que les lèvres d'étanchéité peuvent appartenir à des portions de joint à labyrinthe dans certaines réalisations de l'invention, avec l'avantage traditionnel de ces joints que les débits de fuite tolérés sont réduits, mais sans que l'on ait à redouter leur inconvénient traditionnel que leur usure progressive augmente le débit de fuite. Sous une forme générale, l'invention est relative à un joint d'étanchéité séparant une enceinte amont d'une structure, où règne une pression amont, d'une enceinte aval de la structure, où règne une pression aval, le joint comprenant un corps de joint logé dans la structure, où il coulisse librement dans une direction de mobilité, et muni d'une lèvre amont et d'une lèvre aval délimitant respectivement l'enceinte amont et l'enceinte aval, le corps de joint délimitant une cavité séparant les lèvres, où règne une pression 4 intermédiaire en valeur à la pression amont et à la pression aval, le corps de joint et la structure comprenant deux portions de joint composées chacune d'une portion fixe appartenant à la structure et d'une portion mobile en vis-à-vis de la portion fixe et appartenant à une lèvre respective, chacune des portions de joint comprenant une surface d'établissement d'étanchéité, caractérisé en ce qu'une première des surfaces d'établissement d'étanchéité est parallèle à la direction de mobilité et une seconde des surfaces d'établissement d'étanchéité est sécante à la direction de mobilité. Cette conception du joint asservi, où le jeu à une des portions de joint reste invariable, réduit ou même supprime les effets de l'usure et donc les risques de déréglage. La longévité potentielle du joint est fortement augmentée, et les pertes de rendement dans la machine sont maintenues à des valeurs modérées. Avantageusement, la première des surfaces d'établissement d'étanchéité est comprise dans la portion de joint dont la portion mobile appartient à la lèvre amont, c'est-à-dire que la portion de joint dont le jeu a une valeur invariable est du côté de l'amont, tandis que la portion de joint admettant un jeu variable est du côté de l'enceinte aval. Cette disposition permet d'exploiter complètement le principe d'asservissement du corps de joint en favorisant les variations de jeu à l'aval et donc les variations de pression intermédiaires dans la cavité, sans influences perturbatrices provenant de variations de communication avec l'enceinte amont. La seconde partie de structure est en général tournante devant la première et l'ensemble du dispositif a une forme de révolution. Dans ces conditions, la seconde des surfaces d'établissement 5 d'étanchéité sera généralement conique. Dans une autre réalisation avantageuse, les portions de joint sont des joints à labyrinthe, composés d'une plaque de matière abradable en tant que la surface d'établissement d'étanchéité et d'une pluralité de léchettes parallèles en vis-à-vis de la plaque. Enfin, il est avantageux qu'à un état d'équilibre, obtenu à des valeurs de la pression amont et de la pression aval ressortissant à un fonctionnement normal, le jeu présent devant la première surface d'établissement d'étanchéité soit plus grand qu'un jeu présent devant la seconde surface d'établissement d'étanchéité. Une réalisation de l'invention sera maintenant décrite complètement à l'aide de la figure. Le dispositif de joint comprend un corps (1) disposé entre une première partie (2) d'une structure telle qu'une turbomachine et une seconde partie (3), mobile par rapport à la précédente. La première partie (2) peut être un élément de stator et la seconde partie (3) un élément de rotor tel qu'un disque tournant autour d'un axe X. La première et la seconde partie (2 et 3) délimitent une enceinte amont (4) et une enceinte aval (5) séparées par le corps (1). L'ensemble du dispositif est de révolution autour de l'axe X, de sorte qu'une seule coupe suffit à l'illustrer. 6 Le corps (1) comprend une lèvre amont (6), une lèvre aval (7), et un manchon de guidage (8). La lèvre amont (6) et la lèvre aval (7) donnent respectivement sur les enceintes amont et aval (4 et 5). Une cavité (9) du corps (1) s'étend entre les lèvres (6 et 7), et elle est aussi délimitée par la seconde partie (3). Le manchon de guidage (8) est logé dans une portée (10) concentrique de la première partie (2) et peut y coulisser dans une direction de mobilité coïncidant avec celle de l'axe X. Des cannelures (11) réparties sur le manchon (8) et la portée (10) empêchent le corps de joint (1) de tourner autour de l'axe X. Une butée (12) établie sur la portée (10) et pénétrant dans une encoche (13) plus large du manchon (8) permet de limiter les mouvements axiaux du corps de joint (1). Les lèvres (6 et 7) comportent des surfaces d'établissement d'étanchéité (14 et 15) qui sont des faces de plaque de matière abradable. Celle (14) de la lèvre amont (6) est orientée dans la direction de l'axe X, et circulaire dans cette structure de révolution, alors que celle (15) de la lèvre aval (7) est oblique à l'axe X et donc conique ; l'angle de conicité n'a pas d'importance décisive et il serait envisageable que la surface (15) soit perpendiculaire à cette direction, c'est-à-dire plane. La seconde partie (3) de la structure porte des dispositifs de léchettes (16 et 17) en vis-à-vis des surfaces d'établissement d'étanchéité (14 et 15) respectivement, et les arêtes (18 et 19) des léchettes sont alignées parallèlement à ces surfaces. Les léchettes (16 et 17) et les surfaces 7 d'établissement d'étanchéité (14 et 15) forment deux portions de joint (20 et 21), l'une en amont et l'autre en aval. Une pression intermédiaire à la pression de l'enceinte amont (4) et à celle de l'enceinte aval (5) s'établit dans la cavité (9) que parcourt un débit de fuite passant par les portions de joint (20) puis (21). La résultante des forces de pression s'exerçant sur le corps de joint le ramène à une position d'équilibre sitable. Le jeu entre la surface d'établissement d'étanchéité (14) de la première portion de joint (20) est invariable quelle que soit la position du corps (1) et peut être choisi à une valeur assez grande pour ne risquer aucune usure provenant par exemple d'une dilatation radiale importante de la seconde partie (3). La pression intermédiaire et le débit de fuite sont en réalité déterminés par le jeu présent à la seconde portion de joint (21), qui dépend de la position du corps (1). L'état d'équilibre stable est obtenu à une valeur déterminée de ce jeu, pour laquelle la pression intermédiaire réalise un équilibre des forces. Il faut souligner que cet état d'équilibre stable peut être retrouvé quelles que soient les dilatations relatives des portions (2 et 3) de structure en direction axiale ou radiale, par un simple mouvement du corps (1). Même si une usure de la surface d'établissement d'étanchéité (15) se produit, la position d'équilibre du corps (1) peut être modifiée par rapport à la première partie (2), mais l'équilibre des forces continue d'être associé au même débit de fuite, de sorte que le joint n'est pas déréglé, la portion de joint (20) amont 8 n'étant pas affectée. La perméabilité du joint devrait donc subsister à une valeur constante pendant toute sa durée de vie. Des perçages (22) calibrés à un petit diamètre peuvent être ajoutés à travers le corps (1) pour faire communiquer la cavité (9) à l'enceinte amont (4) ou l'enceinte aval (5) et modifier ainsi le jeu et le débit de fuite à la position d'équilibre.10 REVENDICATIONS1. Joint d'étanchéité séparant une enceinte amont (4) d'une structure, où règne une pression amont, d'une enceinte aval (5) de la structure, où règne une pression aval, le joint comprenant un corps (1) de joint logé dans la structure, où il coulisse librement dans une direction de mobilité (X), et étant muni d'une lèvre amont (6) et d'une lèvre aval (7) délimitant respectivement l'enceinte amont (4) et l'enceinte aval (5), le corps de joint délimitant une cavité (9) située entre les lèvres, où règne une pression intermédiaire en valeur à la pression amont et à la pression aval, le corps de joint et la structure comprenant deux portions de joint (20, 21) composées chacune d'une portion fixe (16, 17) appartenant à la structure et d'une portion mobile (14, 15) en vis-à-vis de la portion fixe et appartenant à une lèvre respective, chacune des portions de joint comprenant une surface d'établissement d'étanchéité (14, 15), caractérisé en ce qu'une première des surfaces d'établissement d'étanchéité (14) est parallèle à la direction de mobilité (X) et une seconde des surfaces d'établissement d'étanchéité (15) est sécante à la direction de mobilité. 2. Joint d'étanchéité selon la revendication 1, caractérisé en ce que la première des surfaces d'établissement d'étanchéité (14) est comprise dans la portion de joint (20) dont la portion mobile (14) appartient à la lèvre amont (6). 10 3. Joint d'étanchéité selon l'une quelconque des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce que la seconde des surfaces d'établissement d'étanchéité (15) est conique, le joint étant de révolution. 4. Joint d'étanchéité selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que les portions de joint (20, 21) sont des joints à labyrinthe, composés d'une plaque de matière abradable en tant que la surface d'établissement d'étanchéité (14, 15) et d'une pluralité de léchettes (16, 17) parallèles en vis-à-vis de la plaque. 5. Joint d'étanchéité selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que, à un état d'équilibre obtenu à des valeurs de la pression amont et de la pression aval ressortissant à un fonctionnement normal, un jeu présent devant la première surface d'établissement d'étanchéité (14) est plus grand qu'un jeu présent devant la seconde surface d'établissement d'étanchéité (15).25