Brevet FR2977279A1 — publié le 20130104

Ensemble d'étanchéité pour turbomachine ayant des moyens de limitation des mouvements de torsion La présente invention porte sur le domaine des turbomachines. L'invention concerne de façon générale des joints servant à réduire les fuites depuis les turbomachines et, plus particulièrement, des systèmes d'étanchéité reposant sur des pièces de flexion avec des reliefs empêchant la torsion. Des joints d'étanchéité sont couramment employés avec des turbomachines telles que des turbines à gaz, des turbines à vapeur, des moteurs d'aéronefs, des compresseurs et autres systèmes de turbomachines afin de s'opposer à des fuites de flux, d'une zone à haute pression vers une zone à basse pression, d'un agent présent entre des pièces fixes et rotatives. A titre d'exemple, les joints labyrinthes sont constitués d'une surface d'étanchéité sur une première pièce et, sur l'autre pièce, d'un anneau de retenue qui vient tout près de la surface d'étanchéité. Une pluralité d'anneaux de retenue sont ordinairement disposés en série afin de former en alternance des zones d'étranglement et de déploiement de flux le long du joint labyrinthe dans le but de réduire la pression de l'agent de fuite grâce à la dissipation d'énergie cinétique. Dans un type de joint plus spécifique, un espacement de chaque dent diminue progressivement d'un côté amont de la turbomachine à un côté aval de la turbomachine. La diminution progressive des espacements des dents crée une réaction passive dans les forces hydrostatiques générées par la différence de pression dans le joint de telle sorte que, à mesure que l'espacement aux extrémités diminue, des forces radiales dirigées vers l'extérieur amènent la garniture d'étanchéité à s'écarter du rotor et, à mesure que l'espacement aux extrémités augmente, des forces radiales dirigées vers l'intérieur amènent la garniture d'étanchéité à se rapprocher du rotor. C'est ce qu'on appelle le comportement autocorrecteur. Cependant, des fléchissements des joints labyrinthes risquent de se produire lorsque la machine tournante passe par des régimes critiques et provoquent une annulation de l'effet de l'espacement progressif des joints et une suppression de la réaction passive "d'autocorrection" souhaitable. Ainsi, il serait souhaitable de réduire les fuites entre le joint et la pièce rotative de la machine tournante. Selon un premier mode de réalisation de l'invention, un ensemble d'étanchéité pour turbomachine comporte de multiples segments d'anneau de garniture arqués disposés entre un élément rotatif et un logement fixe. L'ensemble d'étanchéité comporte également de multiples pièces de flexion montées mécaniquement sur le logement fixe et la pluralité de segments arqués d'anneau de garniture. Les multiples pièces de flexion sont fixées au logement fixe et aux segments arqués d'anneau de garniture à des emplacements prédéterminés afin d'empêcher la torsion des anneaux de garniture sous l'effet de différences de pression. Selon un deuxième aspect de l'invention, il est proposé un procédé de fabrication d'ensemble d'étanchéité entre un logement fixe d'une turbomachine et un élément rotatif destiné à tourner autour d'un axe de la turbomachine. Le procédé comporte la disposition d'un anneau de garniture à segmentation périphérique entre le logement fixe et l'élément rotatif. Le procédé comporte également le montage d'une pluralité de pièces de flexion sur le logement fixe et la pluralité de segments arqués d'anneau de garniture à des emplacements par rapport à une ligne d'action d'une force axiale effective agissant sur le joint d'étanchéité, dans le but de réduire la torsion de l'anneau de garniture sous l'effet de différences de pression. Dans un autre mode de réalisation de l'invention, un procédé de formation d'un joint de circuit de gaz entre un logement fixe d'une turbomachine et un élément rotatif destiné à tourner autour d'un axe de la turbomachine comporte la disposition, dans un plan radial, d'au moins une plaque arquée sur la surface intérieure du logement fixe. Le procédé comporte également la disposition d'un anneau de garniture à segmentation périphérique entre la plaque arquée et l'élément rotatif, l'anneau de garniture comprenant une pluralité de dents arquées entre l'anneau de garniture et l'élément rotatif. Les espacements entre les dents et l'élément rotatif varient d'un côté amont de la turbomachine à un côté aval de la turbomachine. Le procédé comporte en outre le montage de multiples pièces de flexion sur le logement fixe et la pluralité de segments arqués d'anneau de garniture, la pluralité de pièces de flexion étant placées d'une manière choisie les unes par rapport aux autres afin d'empêcher la torsion de l'anneau de garniture sous l'effet de différences de pression et étant fixées au logement fixe et aux segments arqués d'anneau de garniture à des emplacements permettant d'empêcher la torsion de l'anneau de garniture sous l'effet de différences de pression. L'invention sera mieux comprise à l'étude détaillée de quelques modes de réalisation pris à titre d'exemples non limitatifs et illustrés par les dessins annexés sur lesquels : - la figure 1 est une vue en coupe d'une turbomachine selon un mode de réalisation de la présente invention ; - la figure 2 est une vue en coupe d'un ensemble d'étanchéité dans une section de turbine de la turbomachine de la figure 1 ; - la figure 3 est une vue en coupe d'un ensemble d'étanchéité selon un autre mode de réalisation de l'invention ; - la figure 4 est une vue en perspective d'un segment d'anneau de garniture de l'ensemble d'étanchéité de la figure 2 ; - la figure 5 est un organigramme d'un procédé de fabrication d'un ensemble d'étanchéité situé entre un logement fixe d'une turbomachine et un élément rotatif, selon un mode de réalisation de l'invention ; et - la figure 6 est un organigramme d'un procédé de formation d'un ensemble d'étanchéité de circuit de gaz entre un logement fixe d'une turbomachine et un élément rotatif selon un mode de réalisation de l'invention. La figure 1 est une vue en coupe d'un mode de réalisation d'une turbomachine 10, qui peut comporter diverses pièces dont certaines, pour plus de simplicité, ne sont pas représentées. Comme illustré, la turbomachine 10 comporte une section compresseur 12, une section chambre de combustion 14 et une section turbine 16. La section turbine 16 comprend un logement fixe 18 et un élément rotatif 20, lequel tourne autour d'un axe 22. Des aubes mobiles 24 sont fixées à l'élément rotatif 20 et des aubes fixes 26 sont fixées au logement fixe 18. Les aubes mobiles 24 et les aubes fixes 26 sont disposées en alternance dans la direction axiale. I1 y a plusieurs emplacements permettant l'installation de joints, notamment un emplacement 28 entre une aube mobile carénée 24 et le logement fixe 18, l'emplacement 30 entre l'élément rotatif 20 et l'aube fixe 26 ou un emplacement d'étanchéité 32 par garniture d'extrémité entre l'élément rotatif 20 et le logement fixe 18. La figure 2 est une vue partielle en coupe d'un ensemble d'étanchéité 40 dans une section turbine 16 de la turbomachine 10 30 de la figure 1. Comme représenté, l'ensemble d'étanchéité 40 comporte de multiples segments arqués 42 d'anneau de garniture avec des intervalles 44 entre segments, présents entre l'élément rotatif 20 et le logement fixe 18. L'ensemble d'étanchéité 40 comporte de multiples éléments ou pièces de sollicitation 46 cintrés montés mécaniquement sur le logement fixe 18 et les segments arqués 42 de l'anneau de garniture. Les multiples pièces de flexion 46 limitent le mouvement des segments arqués 42 de garniture d'étanchéité dans la direction axiale et permettent un déplacement des segments arqués d'anneau de garniture dans la direction radiale 52. Les multiples pièces de courbées ou de flexion 46 sont fixées au logement fixe 18 et aux segments arqués 42 d'anneau de garniture à des emplacements prédéterminés pour empêcher une torsion de l'anneau de garniture sous l'effet de forces axiales agissant sur l'anneau de garniture en raison de la différence de pression dans la section 16 de turbine. Dans un mode de réalisation, une paire 49 de pièces de flexion en V 46 aux extrémités 47, montées d'une manière symétriqùe sur le logement fixe 18 et les segments arqués 42 d'anneau de garniture autour d'un axe bissecteur (ou d'une ligne bissectrice) 48. L'axe bissecteur 48 divise en deux parties égales les segments arqués 42 d'anneau de garniture, et les pièces de flexion en V sont situées approximativement à la même distance de l'axe bissecteur 48. La forme en V des pièces de flexion 46 apparaît lorsqu'on regarde le long d'un axe axial 50. En raison de l'agencement symétrique des pièces de flexion en V 46 autour de l'axe bissecteur 48, les segments arqués 42 d'anneau de garniture bougent sensiblement dans la direction radiale indiquée par les flèches 52. Selon une autre possibilité, plus de deux pièces de flexion en V 46 peuvent être montées sur chacun des segments arqués 42 d'anneau de garniture et peuvent être symétriques par rapport à l'axe bissecteur 48. Par ailleurs, dans d'autres formes de réalisation, les pièces de flexion peuvent avoir une forme différente. Un exemple d'une telle forme consiste en une pièce de flexion en W 60 représentée sur la vue arquée partielle du segment 42 d'anneau de garniture de la figure 3. Comme représenté sur la figure 3, une paire 62 de pièces de flexion en W 60 est montée d'une manière symétrique sur le logement fixe 18 et les segments arqués 42 d'anneau de garniture autour d'un axe bissecteur 48. La figure 4 représente une vue en perspective d'un segment 42 d'anneau de garniture de l'ensemble d'étanchéité 40 de la figure 2. Sur la figure 4, à titre d'exemple, l'anneau de garniture est représenté sous la forme d'un segment rectiligne au lieu d'un segment arqué. Le rayon de courbure est défini à l'infini pour faciliter la représentation, mais les conceptions expliquées sont les mêmes pour un segment rectiligne ou un segment arqué/courbé. Comme représenté, l'ensemble d'étanchéité 40 est un joint labyrinthe à espacement progressif qui comporte de multiples dents arquées 43 disposées entre les segments arqués 42 d'anneau de garniture et l'élément rotatif de la turbomachine, en formant entre elles un espacement. L'espacement de chaque dent 43 diminue progressivement, dans une forme de réalisation, d'un côté amont 45 de la turbomachine à un côté aval 51 de la turbomachine. Comme représenté, deux paires des pièces de flexion 46 sont disposées de part et d'autre d'une section sous forme de plaque verticale 53 du segment 42 d'anneau de garniture. D'après une position relative D d'une ligne d'action de la force axiale effective F agissant sur la section formant plaque verticale 53 de l'ensemble d'étanchéité 40 représenté, les multiples pièces de flexion 46 sont fixées au segment 42 d'anneau de garniture et au logement fixe 18 à un emplacement prédéterminé Z afin d'empêcher la torsion de l'anneau de garniture. La position Z est la distance relative du point de fixation des pièces de flexion 46 sur le logement fixe 18 depuis le segment 42 d'anneau de garniture dans la direction z d'un système de coordonnées xyz. Ainsi, la position prédéterminée Z varie par rapport à la position D de la ligne d'action de la force axiale effective F, en agissant sur la section 53 formant plaque verticale du segment 42 d'anneau de garniture: Cette détermination des points de fixation des pièces de flexion assure une absence ou quasi absence de torsion du segment d'anneau de garniture et préserve de ce fait l'espacement progressif de l'ensemble d'étanchéité 40. Au moment de l'application d'une différence de pression, l'anneau de garniture subit une force axiale résultante et une force radiale résultante avec des lignes d'action correspondantes de la force. La force radiale résultante est équilibrée du fait du comportement autocorrecteur. Le comportement de torsion de l'anneau de garniture dépend de la distance "Z" de la fixation de la pièce de flexion. Les forces résultantes pourraient aboutir à une torsion positive, une torsion nulle ou une torsion négative. La torsion positive peut provoquer une progression accrue de l'espacement des joints labyrinthes et donner un fluide plus rigide. En revanche, une torsion négative provoque là suppression de la progression de l'espacement et aboutit à une réaction nulle. Dans l'idéal, la torsion due aux forces résultantes doit être nulle. Cependant, en variante, il peut être avantageux d'envisager une petite torsion positive dans certaines caractéristiques afin d'assurer une tolérance de variations au moment de la fabrication de l'assemblage. La torsion positive peut également provoquer une progression plus grande de l'espacement du joint et aboutir de ce fait à une plus grande rigidité du fluide. La figure 5 représente un organigramme d'un procédé 100 de fabrication d'un ensemble d'étanchéité situé entre un logement fixe d'une turbomachine et un élément rotatif. Lors de l'étape 102, le procédé comporte la disposition de multiples segments arqués d'anneau de garniture entre le logement fixe et l'élément rotatif. Lors de l'étape 104, le procédé comporte le montage de multiples pièces de flexion sur le logement fixe et les multiples segments arqués d'anneau de garniture à des emplacements par rapport à une ligne d'action de force dont il est attendu qu'elle frappe axialement le joint afin de réduire la torsion de l'anneau de garniture sous l'effet de différences de pression. Le procédé comporte en outre le montage de la pluralité de pièces de flexion sur le logement fixe et les segments arqués d'anneau de garniture à des emplacements prédéterminés en fonction d'une position relative d'une ligne d'action de force effective agissant axialement sur l'ensemble d'étanchéité pour parvenir à une torsion nulle des segments arqués d'anneau de garniture ou à une torsion positive des segments arqués d'anneau de garniture. Au moins certaines des pièces de flexion ont une forme en V ou une forme en W, vue axialement suivant l'axe de la turbomachine. La figure 6 est un organigramme d'un procédé 200 de formation d'un ensemble d'étanchéité de circuit de gaz entre un logement fixe d'une turbomachine et un élément rotatif tournant autour d'un axe de la turbomachine. Comme illustré, le procédé comporte la disposition d'au moins une plaque arquée sur la surface intérieure du logement fixe, dans un plan radial, lors d'une étape 202. Lors d'une étape 204, le procédé comporte en outre la disposition d'un anneau de garniture à segmentation périphérique entre la plaque arquée et l'élément rotatif, l'anneau de garniture comprenant une pluralité de dents arquées entre l'anneau de garniture et l'élément rotatif, les espacements entre les dents et l'élément rotatif étant variables d'un côté amont de la turbomachine à un côté aval de la turbomachine. En outre, lors d'une étape 206, le procédé comporte le montage d'une pluralité de pièces de flexion sur le logement fixe et l'anneau de garniture à segmentation périphérique, les différentes pièces de flexion étant fixées au logement fixe et à l'anneau de garniture, à des emplacements prédéterminés pour empêcher la déformation de l'anneau de garniture sous l'effet de différences de pression. Le procédé comporte en outre la fixation de la pluralité de pièces de flexion sur le logement fixe et l'anneau de garniture à des emplacements prédéterminés en fonction d'une position relative d'une ligne d'action de force effective agissant axialement sur l'anneau de garniture pour parvenir à une torsion nulle de l'anneau de garniture ou parvenir à une torsion positive de l'anneau de garniture. La présente invention offre l'avantage de permettre une réduction des fuites en empêchant une déformation ou une torsion des joints labyrinthes à espacement progressif dans la turbomachine sous l'effet de fortes différences de pression. Cela assure que la progression voulue de l'espacement de l'amont vers l'aval est préservée et que le comportement autocorrecteur recherché est maintenu. Le comportement autocorrecteur permet un fonctionnement sans contacts et permet un petit espacement aux extrémités entre l'élément rotatif et le joint, ce qui permet de réduire les fuites. Cela améliore le rendement et la production de la machine tournante et assure une absence de dégradation des performances de la machine. REVENDICATIONS1. Ensemble d'étanchéité (40) pour turbomachine (10), la turbomachine (10) comportant un logement fixe (18) et un élément rotatif (20) autour d'un axe (22), l'ensemble d'étanchéité (40) comportant : une pluralité de segments arqués (42) d'anneau de garniture disposés entre l'élément rotatif (20) et le logement fixe (18) ; et une pluralité de pièces de flexion (46) montées mécaniquement sur le logement fixe (18) et la pluralité de segments arqués (42) d'anneau de garniture, les différentes pièces de flexion (46) étant fixées au logement fixe (18) et aux segments arqués (42) d'anneau de garniture à des emplacements prédéterminés (Z) pour empêcher la torsion de l'anneau de garniture sous l'effet de différences de pression. 2. Ensemble d'étanchéité (40) selon la revendication 1, dans lequel les différentes pièces de flexion (46) sont fixées au logement fixe (18) et aux segments arqués (42) d'anneau de garniture à des emplacements prédéterminés (Z) d'après une position relative (D) d'une ligne d'action de force effective agissant axialement sur l'ensemble d'étanchéité (40) afin de parvenir à une torsion nulle des segments arqués (42) d'anneau de garniture. 3. Ensemble d'étanchéité (40) selon la revendication 1, dans lequel les différentes pièces de flexion (46) sont fixées au logement fixe (18) et aux segments arqués (42) d'anneau de garniture à des emplacements (Z) prédéterminés en fonction d'une position relative (D) d'une ligne d'action de force effective agissant axialement sur l'ensemble d'étanchéité (40) afin de parvenir à une torsion positive des segments arqués (42) d'anneau de garniture. 4. Ensemble d'étanchéité (40) selon la revendication 1, dans lequel au moins certaines des pièces de flexion (46) ont une forme en V, vue axialement suivant l'axe (50). 5. Ensemble d'étanchéité (40) selon la revendication 1, dans lequel au moins certaines des pièces de flexion (46) ont une forme en W, vue axialement suivant l'axe (50). 6. Ensemble d'étanchéité (40) selon la revendication 1, dans lequel les différentes pièces de flexion (46) limitent le mouvement des segments arqués (42) d'anneau de garniture dans une direction axiale et permettent un mouvement des segments arqués (42) d'anneau de garniture dans une direction radiale. 7. Ensemble d'étanchéité (40) selon la revendication 1, l'ensemble d'étanchéité (40) comportant une pluralité de dents arquées (43) disposées entre les segments arqués (42) d'anneau de garniture et l'élément rotatif (20), un espacement de chaque dent (43) diminuant progressivement d'un côté amont de la turbomachine (10) à un côté aval de la turbomachine (10). 8. Procédé de fabrication (100) d'un ensemble d'étanchéité (40) entre un logement fixe (18) d'une turbomachine (10) et un élément rotatif (20) destiné à tourner autour d'un axe (22) de la turbomachine (10), le procédé comportant : la disposition (102) d'une pluralité de segments arqués (42) d'anneau de garniture entre le logement fixe (18) et l'élément rotatif (20) ; et le montage (104) d'une pluralité de pièces de flexion (46) sur le logement fixe (18) et la pluralité de segments arqués (42) d'anneau de garniture à des emplacements par rapport à une ligne d'action de force effective dont il est attendu qu'elle frappe axialement l'ensemble d'étanchéité (40) pour empêcher une torsion de l'anneau de garniture sous l'effet de différences de pression. 9. Procédé de fabrication (100) selon la revendication 8, comportant en outre le montage de la pluralité de pièces de flexion (46) sur le logement fixe (18) et les segments arqués (42) d'anneau de garniture à des emplacements prédéterminés (Z) d'après une position relative (D) d'une ligne d'action de force effective agissant axialement sur l'ensemble d'étanchéité (40) afin de parvenir à une torsion nulle des segments arqués (42) d'anneau de garniture. 10. Procédé de fabrication (100) selon la revendication 8, comportant en outre le montage de la pluralité de pièces de flexion (46) sur le logement fixe (18) et les segments arqués (42) d'anneau de garniture à des emplacements prédéterminés (Z) en fonction d'une position relative (D) d'une ligne d'action de force effective agissant axialement sur l'ensemble d'étanchéité (40) afin de parvenir à une torsion positive des segments arqués (42) d'anneau de garniture. 11. Procédé de fabrication (100) selon la revendication 8, dans lequel au moins certaines des différentes pièces de flexion (46) ont une forme en V ou une forme en W, vue axialement suivant l'axe (50). 12. Procédé de fabrication (100) selon la revendication 8, dans lequel l'ensemble d'étanchéité (40) comporte une pluralité de dents arquées (43) disposées entre les segments arqués (42) d'anneau de garniture et l'élément rotatif (20), un espacement de chaque dent (43) diminuant progressivement d'un côté amont de la turbomachine (10) à un côté aval de la turbomachine (10). 13. Procédé de formation (200) d'un joint de circuit de gaz entre un logement (18) d'une turbomachine (10) et un élément rotatif (20) tournant autour d'un axe (22) de la turbomachine (10), le procédé comportant : la disposition (202), dans un plan radial, d'au moins une plaque arquée sur la surface intérieure du logement fixe (18) ; la disposition (204) d'un anneau de garniture à segmentation périphérique entre la plaque arquée et l'élément rotatif (20), l'anneau de garniture comprenant une pluralité de dents arquées (43) entre l'anneau de garniture et l'élément rotatif (20), les espacements entre les dents (43) et l'élément rotatif (20) étant variables d'un côté amont de la turbomachine (10) à un côté aval de la turbomachine (10) ; et le montage (206) d'une pluralité de pièces de flexion (46) sur le logement fixe (18) et l'anneau de garniture (42) à segmentation périphérique, les différentes pièces de flexion (46) étant fixées au logement fixe (18) et à l'anneau de garniture à des emplacements prédéterminés (Z) afin d'empêcher la torsion d'anneau de garniture sous l'effet de différences de pression. 14. Procédé (200) selon la revendication 13, comportant en outre la fixation des différentes pièces de flexion (46) au logement fixe (18) et à l'anneau de garniture à des emplacements prédéterminés (Z) en fonction d'une position relative (D) d'une ligne d'action de force effective agissant axialement sur une plaque verticale (53) de l'anneau de garniture afin de parvenir à un torsion nulle de l'anneau de garniture. 15. Procédé (200) selon la revendication 14, comportant en outre la fixation des différentes pièces de flexion (46) au logement fixe (18) et à l'anneau de garniture à des emplacements prédéterminés (Z) en fonction d'une position relative (D) d'une ligne d'action de force effective agissant axialement sur la plaque verticale (53) de l'anneau de garniture afin de parvenir à une torsion positive pour améliorer la progression de l'espacement.