Brevet FR2967748A1 — publié le 20120525

Système d'étanchéité à joint annulaire à brosse. La présente invention concerne un système pour assurer l'étanchéité entre deux volumes gazeux soumis à des pressions différentes et situés au-tour d'une pièce rotative. En particulier, la présente invention est particulièrement bien adaptée, 5 quoique non exclusivement, aux problèmes d'étanchéité rencontrés dans un turbomoteur pour aéronef. Un tel turbomoteur comprend généralement, d'amont en aval dans le sens de l'écoulement des gaz, une soufflante, un ou plusieurs étages de compresseurs, par exemple un compresseur basse pression et un compresseur 10 haute pression, une chambre de combustion, un ou plusieurs étages de turbines, par exemple une turbine haute pression et une turbine basse pression, et une tuyère d'échappement des gaz. A chaque compresseur peut correspondre une turbine, les deux étant reliés par une pièce, formant ainsi, par exemple, un corps haute pression et un corps basse pression. 15 Le turboréacteur présente à l'amont et à l'aval des enceintes de paliers contenant des organes de type roulements et engrenages lubrifiés par de l'huile. L'huile, projetée par ces pièces en rotation, forme un brouillard (ou suspension) de gouttelettes en suspension dans le volume correspondant des enceintes. Par ailleurs, un flux de gaz (qui est de l'air) les traverse, notamment 20 à des fins de ventilation. Les enceintes amont et aval sont formées et délimitées par des parois de la structure fixe du turboréacteur, mais aussi par des parois d'éléments tournants. Elles doivent permettre le passage d'un flux de gaz mais retenir au maximum l'huile en leur sein et c'est pourquoi l'étanchéité entre les éléments 25 fixes et les éléments tournants d'une enceinte d'huile est une problématique particulièrement délicate. De façon connue, l'étanchéité est réalisée à l'aide de joints de type labyrinthe, c'est-à-dire formés par des léchettes solidaires d'une pièce tournante et d'un matériau abradable solidaire d'une pièce fixe en vis-à-vis des léchettes. Un certain jeu est maintenu entre ces léchettes et la pièce fixe pour autoriser le passage d'un flux de gaz en provenance des compresseurs basse pression ou haute pression ; ces gaz s'opposent à la sortie d'huile par le joint labyrinthe ; leur débit est dimensionné pour être suffisant au ralenti et est, par conséquent, important dans les autres phases de vol (dans lesquelles le débit d'air aspiré par la soufflante du turboréacteur est plus important). Ce flux important dans les autres phases de vol a au moins deux conséquences néfastes : tout d'abord, il réduit d'autant le rendement du moteur et, ensuite, il a tendance à entraîner une plus grande quantité d'air huilé à traiter par des déshuileurs. On a donc envisagé de remplacer les joints à labyrinthe par des joints de type "à brosse" c'est-à-dire comportant une pluralité de fibres sensiblement radiales juxtaposées, fixées à une pièce fixe et dont les extrémités libres sont en contact avec une pièce tournante (ou très proches d'elle), les fibres étant de préférence légèrement inclinées dans le sens de rotation de la pièce tournante ; les fibres du joint à brosse peuvent par exemple être en carbone. De tels joints à brosse présentent l'avantage de requérir un flux de gaz circulant au travers d'eux dont le débit n'est pas trop important pour garantir leur étanchéité à l'huile. Cependant, les frottements des fibres sur la piste de la pièce tournante destinée à être en contact avec leurs extrémités entraînent leur usure et donc également une diminution de leur efficacité dans le temps. Une telle usure est également accentuée lors de l'existence d'un balourd au niveau de la pièce tournante (le centre de gravité de celle-ci n'appartenant pas à l'axe de rotation). Pour pallier cet inconvénient, on connait, par le document EP-0567392-B1 (dont la Demanderesse est titulaire), un joint à brosse qui comprend un corps de brosse annulaire, constitué de deux flasques et monté dans le stator, et des fibres fixées par une première extrémité dans le corps de brosse de manière inclinée par rapport à l'axe de la pièce tournante et orientées vers ce dernier pour que leur deuxième extrémité affleure la pièce de manière à créer un rideau étanche entre les deux volumes annulaires. En outre, le corps de brosse est constitué de plusieurs secteurs de couronne montés dans le stator, de manière à permettre aux fibres de s'écarter, automatiquement et légèrement, de la pièce rotative en s'inclinant par rapport à l'axe de la pièce, de façon à autoriser une excentration de la pièce par rapport au stator (par exemple résultant d'un balourd) tout en assurant l'étanchéité entre les deux volumes annulaires. Dans la conception du corps de brosse, chaque secteur annulaire possède une tête à une première extrémité montée chacune dans une gorge cylindrique du stator. Les secteurs sont avantageusement maintenus en place par un jonc élastique, tendu contre une deuxième extrémité du corps de brosse opposée à la tête pour maintenir les secteurs du corps de brosse serrés les uns contre 15 les autres dans une position de repos dans laquelle les fibres sont le moins inclinées possible par rapport à un plan radial de l'axe de la pièce tournante. La présente invention a pour objet d'améliorer l'étanchéité obtenue à l'aide du joint à brosse du type précité. A cette fin, selon l'invention, le système destiné à assurer l'étanchéité 20 entre deux volumes délimités par une pièce, montée rotative autour d'un axe, et un stator, ledit système comportant un joint annulaire à brosse qui comprend : - un corps de brosse, monté pivotant dans le stator ; et - des fibres fixées au corps de brosse et inclinées d'un angle a par rapport à 25 un plan orthogonal à l'axe de rotation, est remarquable par le fait qu'il comporte des moyens pour régler l'angle a des fibres, de manière à pouvoir ajuster précisément le jeu entre l'extrémité libre des fibres et la pièce rotative. Ainsi, grâce à l'invention, la valeur de l'angle d'inclinaison a des fibres 30 peut être ajustée, par une action volontaire (par exemple par un opérateur de maintenance, ou de façon automatique), à une valeur prédéterminée appro- priée, de manière à combler un jeu formé entre la pièce rotative et l'extrémité libre des fibres par suite d'une usure et ainsi limiter le débit d'air traversant le joint à brosse. Dans le cas, par exemple, où la pièce rotative et le stator sont des élé- ments d'un turbomoteur, l'inclinaison initiale a des fibres d'un joint à brosse neuf peut être progressivement réduite, par interventions successives d'un opérateur, au cours de l'exploitation du turbomoteur, afin de maintenir un jeu minimum adéquat entre l'extrémité libre des fibres et la pièce rotative en vis-à-vis. Autrement dit, par un ajustement successif de l'inclinaison des fibres, il est possible de prolonger la durée de vie d'un joint à brosse, tout en assurant un débit approprié de gaz passant au travers de ce dernier. Selon une forme de réalisation de l'invention, les moyens de réglage comportent des organes d'inclinaison, montés solidaires du corps de brosse, auxquels sont associés respectivement des organes de pression, aptes à agir sur lesdits organes d'inclinaison correspondants pour modifier l'inclinaison des fibres. En variante, les moyens de réglage pourraient ne comporter que des organes de pression (c'est-à-dire dépourvus d'organes d'inclinaison), aptes à agir directement sur le corps de brosse du joint pour modifier l'inclinaison des poils. Dans ce cas, le corps de brosse du joint annulaire ferait office d'organe d'inclinaison. De préférence, les organes d'inclinaison et les organes de pression correspondants sont répartis, par exemple régulièrement, le long d'une circonférence du joint. Ainsi, il est possible de modifier l'angle d'inclinaison a différemment le long d'une même circonférence du joint, notamment lorsque le jeu entre la pièce rotative et le joint n'est pas égal tout autour de cette dernière. En d'autres termes, on peut modifier le jeu existant au niveau d'une seule ou de plusieurs portions angulaires déterminées. Bien évidemment, l'angle d'inclinaison peut être également modifié à l'identique le long d'une même circonférence. Selon une forme de réalisation conforme à l'invention : chaque organe d'inclinaison se présente sous la forme d'une languette saillante ; et chaque organe de pression se présente sous la forme d'une vis, dont l'extrémité libre est apte à venir au contact de l'organe d'inclinaison correspondant solidaire du corps de brosse pour modifier l'angle a . En particulier, la longueur des languettes peut être déterminée de façon à faciliter la torsion du joint en limitant les contraintes exercées sur ce dernier. Selon une forme de réalisation de l'invention, les organes de pression sont montés sur le stator de manière à pouvoir agir sur les organes d'inclinaison correspondants du corps de brosse, ce dernier étant logé dans une gorge complémentaire ménagée dans la paroi du stator. De préférence, le corps de brosse du joint à brosse est formé d'un matériau déformable, apte à accepter les contraintes imposées par les moyens de réglage de l'angle a . La présente invention concerne encore un moteur d'aéronef comportant au moins un système d'étanchéité du type de celui mentionné précédemment. Les figures du dessin annexé feront bien comprendre comment l'invention peut être réalisée. Sur ces figures, des références identiques désignent des éléments semblables. La figure 1 représente une vue schématique globale, en coupe axiale, d'un turbomoteur conforme à l'invention. La figure 2 montre schématiquement, dans une coupe axiale partielle, un exemple de réalisation d'un système d'étanchéité, conforme à la présente invention. La figure 3 montre, dans une vue schématique partielle en perspective, le joint à brosse du système d'étanchéité de la figure 2. Sur la figure 1, on a représenté un turboréacteur 1, conforme à l'inven- tion, qui comporte, de manière classique, une soufflante la, un compresseur basse pression lb, un compresseur haute pression 1c, une chambre de com- bustion 1d, une turbine haute pression le, une turbine basse pression 1f et une tuyère d'échappement 1g. Le compresseur haute pression 1c et la turbine haute pression le sont liés l'un à l'autre par un tambour 2 se prolongeant vers l'amont par une enveloppe 2A et forment ensemble un corps haute pression. Le compresseur basse pression 1b et la turbine basse pression 1f sont reliés par un arbre basse pression 3 et forment avec lui un corps basse pression. Le turboréacteur 1 comporte des organes statiques (ou fixes) et des organes tournants, formant les différents éléments fonctionnels ci-dessus, de manière connue. Le turboréacteur 1 présente à l'amont et à l'aval des enceintes de paliers 4, 5 contenant des organes de type roulements et engrenages lubrifiés par de l'huile. Ces enceintes 4, 5 sont classiquement désignées par l'homme du métier par l'expression d'enceintes d'huile 4, 5, dans la mesure où elles contiennent une suspension de gouttelettes d'huile. Le turboréacteur 1 s'étend globalement suivant un axe A qui est l'axe de rotation de ses organes tournants et en particulier l'axe de l'arbre basse pression 3 et de l'enveloppe 2A. Dans la suite de la description, les notions de longitudinal, radial, interne ou externe sont relatives à cet axe A. Par la suite, l'invention va être décrite, à titre d'exemple illustratif, en re- lation avec l'enceinte amont 4, mais il va de soi qu'elle s'applique également aux autres enceintes amont ou aval 5 et plus généralement à toute autre en-ceinte contenant ou logeant des organes avec une suspension d'huile pour leur lubrification. L'enceinte amont 4 définit un volume annulaire intérieur V1 (figure 2) par des parois d'organes fixes et d'organes tournants. Elle est notamment délimitée, du côté interne, par une portion de l'enveloppe rotative 2A, et, du côté amont, par un carter 6 (partiellement représenté) solidaire de la structure fixe du turboréacteur 1. En outre, un volume annulaire V2, agencé à l'extérieur de l'enceinte 4 du côté amont de celle-ci, est également défini par le carter 6, du côté amont, et par une portion de l'enveloppe 2A, du côté interne. Selon l'invention, le moteur 1 comporte un système S destiné à assurer l'étanchéité à l'huile entre les deux volumes annulaires V1 et V2. Il comprend un joint annulaire à brosse 7 qui est monté entre l'enveloppe 2A et le carter 6. Le joint à brosse 7 comporte un corps de brosse 8, monté pivotant dans une gorge 9 correspondante ménagée dans la paroi du carter 6 en regard de l'enveloppe 2A, et des fibres 10 fixées au corps de brosse 8 et inclinées d'un angle a par rapport à un plan P orthogonal à l'axe de rotation A. En outre, le corps de brosse 8 comporte une tête de 8A de forme torique et deux flasques 8B solidaires de cette dernière. La tête 8A du corps 8 est logée dans la gorge 9 et est maintenue dans cette dernière à l'aide d'organes de maintien (non représentés sur les figures). Les fibres 10, par exemple à base de carbone, sont quant à elles main-tenues fixées au corps de brosse 8 par l'intermédiaire des deux flasques 8B entre lesquels elles sont pressées. Dans l'exemple décrit, le joint à brosse 7, et plus précisément le corps de brosse 8, est en matériau métallique déformable, de façon à pouvoir subir des torsions (symbolisées par les flèches T sur la figure 2), autour de son cercle méridien Cm, comme cela est décrit par la suite. Le joint à brosse 7 comporte des moyens 11 et 12 pour régler l'angle d'inclinaison a des fibres 10, de sorte qu'il est possible d'obtenir un jeu dé- terminé entre l'extrémité libre des fibres 10A et l'enveloppe rotative 2A. Dans l'exemple décrit, les moyens de réglage comportent une pluralité d'organes d'inclinaison 11, montés sur le corps de brosse 8 (et plus précisé-ment sur la tête 8A de ce dernier, ou bien sur un flasque 8B), ainsi qu'une plu- ralité d'organes de pression 12, aptes à agir sur les organes d'inclinaison 11 correspondants pour modifier l'angle d'inclinaison a des fibres 10. Les organes de pression 12 sont disposés le long d'une paroi annulaire 13 de la partie d'extrémité interne amont du carter 6, la paroi 13 formant une partie du fond de la gorge 9. Dans l'exemple décrit sur les figures 1 et 2, les organes d'inclinaison 11 et les organes de pression 12 correspondants sont répartis régulièrement le long d'une circonférence du joint à brosse 7. En particulier, les organes d'inclinaison 11 se présentent respective- s ment sous la forme d'une languette annulaire saillante 11, de sorte qu'une pluralité de languettes annulaires 11 de longueur déterminée est répartie suivant une même circonférence de la tête 8A. Bien entendu, en variante, on pourrait remplacer la pluralité de languettes annulaires par une seule et uni-que languette annulaire s'étendant le long d'une circonférence de la tête 8A. 10 En outre, selon cet exemple, chaque organe de pression 12 se pré-sente sous la forme d'une vis, dont l'extrémité libre 12A est apte à venir au contact de la languette 11 correspondante en regard. En particulier, dans la paroi 13 est ménagé une pluralité d'orifices 14, chacun associé à une vis 12, dont la surface latérale interne est filetée de 15 sorte que la vis 12 correspondante puisse se visser dans celui-ci et déboucher dans la gorge 9. Chacune des vis 12 comporte en outre une tête 12B, par l'intermédiaire de laquelle un opérateur de maintenance peut ajuster l'inclinaison a des fibres 10 du joint à brosse 7, par exemple au moyen d'un endoscope approprié. 20 En effet, en tournant les vis 12 autour d'un axe X local, l'opérateur peut modi- fier l'angle a en appliquant une torsion au corps de brosse 8. Afin de faciliter le réglage des vis 12 le long de la circonférence du joint 7 et obtenir une inclinaison a identique sur cette dernière, un repérage (par exemple du type micrométrique) peut être disposé autour de chaque orifice 14 25 de la paroi 13. Ainsi, l'opérateur pourra appliquer précisément une rotation déterminée à chacune des vis 12. Grâce à l'invention, il est possible de modifier différemment l'angle d'inclinaison a le long d'une même circonférence du joint 7, notamment lors-que le jeu entre l'enveloppe rotative 2A et le joint 7 n'est pas identique sur 30 l'ensemble de cette dernière. En d'autres termes, on peut modifier le jeu exis- tant au niveau d'une seule ou de plusieurs portions angulaires déterminées. L'homogénéité du jeu entre l'enveloppe 2A et les extrémités libres 10A des fibres 10 dépend du nombre d'organes de pression 12 répartis autour du joint 7. Plus il y aura d'organes de pression 12, et plus le jeu pourra être ajusté précisément le long du joint 7. En outre, l'opération d'ajustage du jeu entre les fibres 10 et l'enveloppe 2A peut avantageusement être réalisée sur un aéronef au sol, sans démontage du moteur, ce qui réduit considérablement les délais d'immobilisation au sol de l'aéronef et les coûts de maintenance. On notera, par ailleurs, que la gorge 9 est délimitée, du côté aval, par une paroi sensiblement axiale qui présente un retour vers l'amont formant butée 15, à son extrémité interne en regard de l'enveloppe 2A. La butée 15 a pour fonction de limiter le débattement maximal des fibres 10 (et donc de dé-finir la valeur maximale de l'angle a ). De surcroît, on remarquera que, en variante, les organes d'inclinaison peuvent être formés par un des deux flasques 8B du corps de brosse 8. Autrement dit, dans ce cas, les organes de pressions viennent directement s'appliquer contre le flasque 8B, en regard duquel ils sont montés, pour modifier l'inclinaison de l'angle a . Il va de soi que la présente invention n'est nullement limitée à l'exemple de réalisation décrit ci-dessus. En effet, on pourrait par exemple envisager que les organes de pression se présentent sous la forme d'un anneau logé dans la paroi du stator 6 et agencé de façon à pouvoir venir au contact des languettes 11 du corps de brosse 8, sur l'ensemble de la circonférence de ce dernier.25 REVENDICATIONS1. Système destiné à assurer l'étanchéité entre deux volumes (V1, V2) délimités par une pièce (2A), monté rotative autour d'un axe (A), et un stator (6), ledit système (S) comportant un joint annulaire à brosse (7) qui com- prend : - un corps de brosse (8), monté pivotant dans le stator ; et - des fibres (10) fixées au corps de brosse et inclinées d'un angle a par rapport à un plan orthogonal (P) à l'axe de rotation (A), caractérisé par le fait qu'il comporte des moyens (11, 12) pour régler l'angle a des fibres (10), de manière à pouvoir ajuster précisément le jeu entre l'extrémité libre (10A) des fibres et la pièce rotative (2A). 2. Système d'étanchéité selon la revendication précédente, dans lequel les moyens de réglage comportent des organes d'inclinaison (11), montés solidaires du corps de brosse (8), auxquels sont associés respectivement des organes de pression (12), aptes à agir sur lesdits organes d'inclinaison correspondants pour modifier l'inclinaison a des fibres (10). 3. Système d'étanchéité selon la revendication précédente, dans lequel les organes d'inclinaison (11) et les organes de pression (12) correspondants sont répartis le long d'une circonférence du joint à brosse (7). 4. Système d'étanchéité selon la revendication précédente, dans lequel la répartition des organes d'inclinaison (11) et des organes de pression (12) correspondants est régulière le long d'une circonférence du joint à brosse (7). 5. Système d'étanchéité selon l'une des revendications 2 à 4, dans le-quel : - chaque organe d'inclinaison se présente sous la forme d'une languette saillante (11) ; et - chaque organe de pression se présente sous la forme d'une vis (12), dont l'extrémité libre (12A) est apte à venir au contact de l'organe d'inclinaison (11) correspondant solidaire du corps de brosse (8) pour modifier l'angle a .Il 6. Système d'étanchéité selon l'une des revendications 2 à 5, dans le-quel les organes de pression (12) sont montés sur le stator (6), de manière à pouvoir agir sur les organes d'inclinaison (11) correspondants du corps de brosse (8), ce dernier étant logé dans une gorge complémentaire (9) ména- gée dans la paroi du stator. 7. Système d'étanchéité selon l'une des revendications précédentes, dans lequel le corps de brosse (8) du joint à brosse est formé d'un matériau déformable, apte à accepter les contraintes imposées par les moyens de réglage (11, 12) de l'angle a . 8. Moteur d'aéronef comportant au moins un système d'étanchéité (S) tel que spécifié sous l'une des revendications précédentes.