Brevet FR2983908A1 — publié le 20130614

Système pour assurer l'étanchéité entre une enceinte d'huile et un volume extérieur at- tenant et turbomachine équipée d'un tel système d'étanchéité. La présente invention concerne un système pour assurer l'étanchéité entre deux vo- lumes soumis à des pressions différentes et situés autour d'une pièce rotative, ainsi qu'une turbomachine équipée d'un tel système d'étanchéité. En particulier, la présente invention est particulièrement bien adaptée, quoique non exclusivement, aux problèmes d'étanchéité rencontrés dans une turbomachine, notamment un turbomoteur pour aéronef. Un tel turbomoteur comprend généralement, d'amont en aval dans le sens de l'écoule- ment des gaz, une soufflante, un ou plusieurs étages de compresseurs, par exemple un compresseur basse pression et un compresseur 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 tur- bine, les deux étant reliés par une pièce, formant ainsi, par exemple, un corps haute pression et un corps basse pression. Le turboréacteur présente des enceintes de paliers contenant des organes de type rou- lements et engrenages lubrifiés par de l'huile. L'huile, projetée par ces pièces en rotation, forme un brouillard de gouttelettes en suspension dans le volume correspondant des enceintes de paliers (désignées par la suite enceintes d'huile dans la mesure où elles contiennent une suspension de gouttelettes d'huile). Les enceintes d'huile peuvent être formées et délimitées par des parois de la structure fixe du turboréacteur, mais aussi par des parois d'éléments tournants. Elles doivent retenir l'huile en leur sein et c'est pourquoi l'étanchéité entre les éléments fixes et les éléments tour- nants d'une enceinte d'huile est une problématique particulièrement délicate, puisqu'il s'agit de prévenir toute fuite d'huile dans les volumes annulaires extérieurs jouxtant lesdites enceintes d'huile. Aussi, de façon connue, l'étanchéité d'une telle enceinte d'huile comprenant un ou plusieurs paliers, agencés entre le corps haute pression et le corps basse pression ou une pièce fixe du turbomoteur, peut être réalisée à l'aide d'un joint labyrinthe, d'un joint carbone annu- laire ou de tout autre type de joint d'étanchéité. Un certain niveau de pression doit être assuré en amont du joint afin de créer un débit de gaz vers l'enceinte, ces gaz s'opposant à la sortie d'huile par ledit joint. La différence de pression est définie de manière à être suffisante lors du régime de ralenti du turbomoteur, ce qui impose de prélever du gaz à des étages aval du com- presseur basse pression ou du compresseur haute pression. Cependant, le prélèvement de gaz à de tels étages aval soulève notamment les deux inconvénients suivants : la température élevée du gaz entraîne un vieillissement accéléré de l'huile de l'enceinte, ce qui ne peut être satisfaisant ; et le rendement du turbomoteur est sensiblement dégradé. La présente invention a pour objet d'améliorer l'étanchéité entre une enceinte d'huile d'une turbomachine et le volume annulaire extérieur avoisinant, sans dégradation du rendement de la turbomachine, ni vieillissement prématuré de l'huile. A cette fin, selon l'invention, le système pour assurer l'étanchéité entre une enceinte d'huile et un volume extérieur attenant, qui sont délimités par un rotor mobile en rotation au- tour d'un axe et une pièce, fixe ou mobile, ledit système comprenant un premier joint agencé entre ledit rotor et ladite pièce, est remarquable par le fait qu'il comporte : un second joint qui est monté entre le rotor et la pièce et qui est décalé longitudinale- ment par rapport au premier joint, de manière à former une chambre d'étanchéité dé- limitée par le rotor, la pièce et les deux joints ; et des moyens pour alimenter en gaz la chambre d'étanchéité, afin que le gaz puisse être comprimé par la mise en rotation du rotor. Ainsi, grâce à l'invention, la chambre d'étanchéité définie entre les premier et second joints peut être alimentée en gaz qui, lors de la rotation du rotor, est comprimé sous l'effet de la force centrifuge s'exerçant sur celui-ci. Ainsi, la pression régnant dans la chambre d'étanchéité devient supérieure aux pressions siégeant respectivement dans l'enceinte d'huile et dans le volume extérieur attenant, ce qui empêche l'huile de l'enceinte de traverser l'un ou l'autre des deux joints pour aboutir dans le volume extérieur à l'enceinte. Autrement dit, l'étanchéité de l'enceinte d'huile est assurée, d'une part, par la présence d'une paire de joints d'étanchéité et, d' autre part, par la pressurisation du gaz demeurant dans la chambre d'étanchéité favorisant l'écoulement du gaz vers l'enceinte d'huile tout en prévenant l'entrée d'huile dans la chambre d'étanchéité. L'effet combiné de la paire de joints et de la pressurisation du gaz permet donc d'obtenir une étanchéité remarquable, même lors d'une rotation mo- dérée du rotor (correspondant, par exemple, au régime de ralenti d'une turbomachine) et sans consommation supplémentaire d'huile (les pertes d'huile étant inexistante, ou quasiment inexistante). Dans un mode de réalisation conforme à la présente invention, les moyens d'alimentation sont, au moins en partie, ménagés dans le rotor. De préférence, les moyens d'alimentation comprennent au moins un canal qui est pratiqué dans le rotor et qui débouche dans la chambre d'étanchéité. En outre, au moins une portion dudit canal peut être inclinée par rapport à l'axe du ro- tor et/ou appartenir à un plan transversal à l'axe du rotor (dans lequel ladite portion peut être inclinée tangentiellement) pour que le gaz débouche dans la chambre d'étanchéité suivant une direction orthogonale audit axe rotor. De façon avantageuse, lesdits moyens d'alimentation comprennent une pluralité de canaux, qui sont régulièrement répartis autour de l'axe du rotor et qui débouchent dans ladite chambre d'étanchéité, pour l'alimenter uniformément en gaz. Par ailleurs, les premier et second joints, de préférence annulaires, peuvent être montés sur le rotor. La présente invention concerne également une turbomachine, notamment un turbomo- teur d'aéronef, comprenant au moins une enceinte d'huile et un volume extérieur attenant délimités par un rotor mobile en rotation autour d'un axe et une pièce, fixe ou mobile. Selon l'invention, ladite turbomachine comprend au moins un système tel que décrit ci-dessus apte à assurer l'étanchéité entre l'enceinte d'huile et le volume extérieur attenant. En outre, le gaz alimentant la chambre d'étanchéité dudit système est prélevé à un étage amont de la turbomachine (par exemple d'une soufflante, d'un compresseur basse pression, etc.) ou à l'extérieur de celle-ci. Ainsi, la température du gaz injecté dans la chambre d'étanchéité reste faible, ce qui évite toute dégradation accélérée de l'huile présente dans l'enceinte d'huile lors de son contact avec le gaz. De plus, le rotor de la turbomachine correspond de préférence à un corps associé à une turbine haute pression. Par ailleurs, ladite pièce peut être : soit fixe et correspondre, dans ce cas, au stator de la turbomachine. Dans cette configuration, l'enceinte d'huile peut comprendre au moins un palier simple défini entre la pièce fixe (à savoir le stator) et le rotor (correspondant au corps associé à la turbine haute pression) ; soit mobile et correspondre, dans ce cas, à un corps associé à une turbine basse pres- sion. Dans cette autre configuration, l'enceinte d'huile peut comporter au moins un palier inter-arbre qui est défini entre la pièce mobile (à savoir le corps associé à la turbine basse pression) et le rotor (correspondant au corps associé à la turbine haute pression). L'unique figure du dessin annexé fera bien comprendre comment l'invention peut être réalisée. Sur cette figure, des références identiques désignent des éléments semblables. La figure 1 montre de façon schématique, dans une coupe axiale partielle, une enceinte d'huile d'un turbomoteur d'aéronef, dont l'étanchéité est assurée au moyen d'un système d'étanchéité conforme à la présente invention. Sur la figure 1, on a représenté, de façon schématique, une enceinte d'huile 1 d'un turbomoteur d'aéronef 2 conforme à l'invention. Le turbomoteur 2 comporte, de façon connue, une soufflante, un compresseur basse pression, un compresseur haute pression, une chambre de combustion, une turbine haute pres- sion 3, une turbine basse pression et une tuyère d'échappement. Le compresseur haute pres- sion et la turbine haute pression 3 sont liés l'un à l'autre par un tambour se prolongeant vers l'amont par une enveloppe et forment ensemble un corps haute pression 5. Le compresseur basse pression et la turbine basse pression sont reliés par un arbre basse pression 6 et forment avec lui un corps basse pression 7. Le turboréacteur 2 comporte des organes statiques (ou fixes) et des organes tournants, formant les différents éléments fonctionnels ci-dessus, de manière connue. Il s'étend globalement suivant un axe L-L qui est l'axe de rotation de ses organes tournants et en particulier l'axe de l'arbre basse pression 6 et de l'enveloppe. Dans la suite de la description, les notions de longitudinal, radial, interne ou externe sont relatives à cet axe L-L. En outre, le turboréacteur 2 présente des enceintes d'huile (ou de paliers), dont l'enceinte d'huile aval 1 illustrée sur la figure 1 qui comprend un palier 8 équipé de rouleaux de palier 9, pour assurer la liaison rotative entre le corps haute pression 5 et le corps basse pression 7. Par la suite, l'invention va être décrite, à titre d'exemple illustratif, en relation avec l'enceinte d'huile 1, mais il va de soi qu'elle s'applique à toute autre enceinte contenant ou logeant des organes avec un brouillard d'huile pour leur lubrification. L'enceinte d'huile 1 définit un volume annulaire intérieur V1 par des parois d'organes fixes et d'organes tournants. Elle est notamment délimitée, du côté interne, par une portion du corps haute pression 5 et, du côté externe, par une portion du corps basse pression 7 (partiel- lement représenté) solidaire de l'arbre basse pression 6. En outre, un volume annulaire V2, agencé à l'extérieur de l'enceinte 1 du côté amont de celle-ci, est également défini par une portion du corps haute pression 5, du côté interne et amont, et par une portion du corps basse pression 7, du côté aval. Selon l'invention, comme le montre la figure 1, pour assurer l'étanchéité à l'huile entre les deux volumes annulaires V1 et V2 et éviter que de l'huile (permettant la lubrification des paliers) ne vienne au contact des pièces chaudes, le turbomoteur 2 comprend deux joints carbone annulaires 10A et 10B qui sont montés sur le tourillon 11 du corps haute pression 5 pour être disposés entre ce dernier et le corps basse pression 7. Les joints 10A et 10B sont espacés longitudinalement l'un de l'autre d'une distance de séparation prédéfinie. Bien entendu, en variante, la paire de joints pourrait comporter des joints labyrinthes, des joints à brosse ou bien encore tout autre type de joint approprié permettant d'assurer une étanchéité entre les deux volumes annulaires. Ainsi, le volume annulaire délimité par le tourillon 11, le corps basse pression 7 et la paire de joints 10A et 10B forme une chambre d'étanchéité 12. En outre, dans l'exemple, des canaux 13 sont ménagés dans l'épaisseur du tourillon 11 et sont alimentés par du gaz circulant, depuis la source de prélèvement, entre le fourreau et l'arbre basse pression 6. Les canaux 13 débouchent dans la chambre d'étanchéité 12, afin de pouvoir l'alimenter en gaz (le gaz étant symbolisé par la flèche G sur la figure 1). La taille et le nombre des canaux 13 sont adaptés en fonction de l'étanchéité désirée et de la taille du turbomoteur 2. De préférence, lorsque les canaux 13 sont à section transversale circulaire, leur diamètre est compris entre 3 mm et 10 mm, pour un nombre de canaux 13 compris entre 10 et 40. Le gaz G introduit, par les canaux 13, dans la chambre d'étanchéité 12 peut ainsi être prélevé en sortie de la soufflante ou du compresseur basse pression du turbomoteur 2 ou bien encore à l'extérieur du turbomoteur 2 (le gaz prélevé est dans ce dernier cas de l'air ambiant), la température du gaz G limitant un vieillissement anticipé de l'huile. De préférence, les canaux d'alimentation 13 sont régulièrement répartis, autour de l'axe longitudinal L-L, le long de la circonférence du tourillon 11. Il va de soi que l'on pourrait envisager tout autre agencement des canaux d'alimentation, par exemple sur deux circon- férences parallèles du tourillon 11. Dans l'exemple de la figure 1, la portion aval des canaux d'alimentation 13, ménagée dans le tourillon 11, est inclinée vers l'aval par rapport à l'axe L-L du turbomoteur L-L. Bien entendu, on pourrait envisager que la portion aval desdits canaux soit orthogonale à l'axe longitudinal L-L. Ainsi, la chambre d'étanchéité 12 peut recevoir, lors du fonctionnement du turbomo- teur 2, du gaz G provenant de la soufflante (ou du compresseur basse pression). La rotation du corps haute pression 6 va entraîner une compression du gaz G demeurant dans la chambre d'étanchéité 12, sous l'effet de la force centrifuge s'exerçant sur le gaz G. De cette façon, la pression au sein de la chambre 12 devient supérieure aux pressions à l'intérieur de l'enceinte d'huile 1 et du volume extérieur V2, empêchant ainsi l'huile de l'enceinte 1 de traverser l'un ou l'autre des deux joints 10A et 10B pour aboutir dans le volume extérieur V2. En d'autres termes, la paire de joints 10A et 10B et la surpression demeurant dans la chambre d'étanchéité 12 provoquent un écoulement de gaz G de celle-ci vers l'enceinte d'huile 1 et le volume extérieur V2, tout en bloquant l'entrée d'huile dans ladite chambre 12 et, a fortiori, dans le volume V2. Une telle étanchéité est garantie même pour des régimes de fonctionnement faibles (tels que le régime de ralenti), sans consommation additionnelle d'huile.10 REVENDICATIONS1. Système pour assurer l'étanchéité entre une enceinte d'huile (1, V1) et un volume extérieur (V2) attenant, qui sont délimités par un rotor mobile en rotation (5) autour d'un axe (L-L) et une pièce, fixe ou mobile (7), ledit système comprenant un premier joint (10A) agen- cé entre le rotor (5) et la pièce (7), caractérisé par le fait qu'il comporte : un second joint (10B) qui est monté entre le rotor (5) et la pièce (7) et qui est décalé longitudinalement par rapport au premier joint (10A), de manière à former une chambre d'étanchéité (12) délimitée par le rotor (5), la pièce (7) et les deux joints (10A, 10B) ; et des moyens (13) pour alimenter en gaz (G) la chambre d'étanchéité (12), afin que le gaz (G) puisse être comprimé par la mise en rotation du rotor (5). 2. Système selon la revendication précédente, dans lequel les moyens d'alimentation (13) sont ménagés, au moins en partie, dans le rotor (5). 3. Système selon la revendication précédente, dans lequel les moyens d'alimentation comprennent au moins un canal (13) qui est pratiqué dans le rotor (5) et qui débouche dans la chambre d'étanchéité (12). 4. Système selon la revendication précédente, dans lequel au moins une portion dudit canal (13) est inclinée longitudinalement par rapport à l'axe (L-L) du rotor (5) et/ou appartient à un plan transversal à l'axe (L-L) dudit rotor (5). 5. Système selon la revendication 3 ou 4, dans lequel lesdits moyens d'alimentation comprennent une pluralité de tels canaux (13), qui sont régulièrement répartis autour de l'axe (L-L) du rotor (5) et qui débouchent dans ladite chambre d'étanchéité (12). 6. Système selon l'une des revendications précédentes, dans lequel les premier et se- cond joints (10A, 10B), de préférence annulaires, sont montés sur le rotor (5). 7. Turbomachine, notamment un turbomoteur d'aéronef, comprenant au moins une enceinte d'huile (1) et un volume extérieur attenant (V2) délimités par un rotor mobile (5) en rotation autour d'un axe (L-L) et une pièce, fixe ou mobile (7), caractérisée en ce qu'elle comprend au moins un système (10A, 10B, 12, 13) tel que spécifié sous l'une des revendications 1 à 6, apte à assurer l'étanchéité entre l'enceinte d'huile (1) et le volume extérieur attenant (V2). 8. Turbomachine selon la revendication précédente, dans laquelle le gaz (G) alimentant la chambre d'étanchéité (12) est prélevé à un étage amont de la turbomachine ou à l'extérieur de celle-ci. 9. Turbomachine selon la revendication 7 ou 8, dans laquelle ladite pièce est fixe et correspond au stator de la turbomachine (2). 10. Turbomachine selon la revendication 7 ou 8, dans laquelle ladite pièce est mobile et correspond à un corps (7) associé à une turbine basse pression.5