Brevet FR2985762A1 — publié le 20130719

DISPOSITIF D'ETAUCHEITE INTER-ARBRE COAXIAUX D'UNE TURBOMACHINE DOMAINE TECHNIQUE La présente invention se rapporte au domaine des turbomachines et des systèmes d'étanchéité entre deux arbres tournants coaxiaux. La présente invention concerne plus particulièrement un dispositif d'étanchéité dynamique agencé entre deux arbres tournants coaxiaux d'une turbomachine. ETAT DE LA TECHNIQUE Dans une turbomachine, il est nécessaire de définir et d'isoler une enceinte entourant un organe mécanique tel qu'un roulement ou un pignon installé entre deux arbres tournants, tels que par exemple le rotor haute pression et le rotor basse pression. Dans cette enceinte, l'huile est injectée pour lubrifier et refroidir l'organe mécanique. L'isolation de l'enceinte nécessite notamment un dispositif d'étanchéité entre les deux arbres tournants. Il est connu d'utiliser des dispositifs d'étanchéité sans contact dans ce type d'application. Cependant, les dispositifs d'étanchéité sans contact, du type labyrinthes, nécessitent un débit d'air important et il est parfois difficile d'obtenir la pressurisation souhaitée de l'enceinte. De plus, un mélange air- huile se crée dans l'enceinte ce qui nécessite un dispositif de déshuilage avant l'évacuation de l'air. Le compromis est donc difficile à établir et ces dispositifs d'étanchéité ne permettent pas toujours d'obtenir les performances visées. Enfin, ce type de joint nécessite la présence d'un dispositif de déshuilage qui est coûteux, encombrant et lourd du fait du débit d'air huilé important à traiter. Il est également connu d'utiliser des dispositifs d'étanchéité avec contact, de type joint en carbone ou encore joint à brosse. Un tel dispositif d'étanchéité est représenté de façon schématique à la figure 1 par la référence 10. Le dispositif d'étanchéité 10 comporte un segment carbone élastique ouvert 5, deux glaces métalliques 4 solidaires de l'arbre interne 1 et bordant axialement le segment carbone 5 avec un jeu J, l'espacement axial entre les deux glaces étant maintenu par une entretoise 3. Le segment carbone 5 est adapté pour venir se plaquer radialement sur l'alésage de l'arbre externe 2 et axialement sur une des glaces métalliques 4 lorsqu'il est plaqué par la différence de pression de part et d'autre du joint. Le segment carbone peut être en contact avec une des glaces métalliques ce qui implique une usure du dispositif et par conséquent nécessite des remplacements périodiques. Pour limiter l'usure du dispositif d'étanchéité, il est connu de faire en sorte que le segment carbone tourne à la vitesse du rotor externe, lorsque les deux arbres tournants sont co-rotatifs. En revanche, lorsque les deux arbres tournants sont contre-rotatifs (i.e. que les deux arbres tournent dans un sens inversé) le frottement axial du segment carbone sur l'une des glaces métalliques peut ralentir la rotation du segment carbone, ce qui est préjudiciable pour le plaquage du segment par force centrifuge sur l'alésage de l'arbre externe. Pour remédier à ce problème, il a été développé des dispositifs d'étanchéité avec contact comportant un segment carbone de plus grand diamètre de manière à améliorer le plaquage radial du segment sur l'alésage de l'arbre externe 2. Un tel segment implique des difficultés de montage car il doit être maintenu comprimé pour pouvoir le positionner dans l'alésage de l'arbre externe sans risque d'endommagement ou encore de casse du segment faisant office de joint. Cette opération de compression du segment peut également s'opérer au moyen d'un ruban enroulé autour du segment carbone le maintenant dans un état comprimé pendant l'accostage des deux arbres tournants. L'environnement du dispositif d'étanchéité devenant inaccessible après l'accostage des deux arbres tournants, le ruban est ensuite récupéré par l'un des trous de ventilation de l'arbre tournant. Cette opération reste délicate et sa possibilité de réalisation est dépendante de l'environnement du dispositif d'étanchéité. Dans ce contexte, l'invention vise à fournir un dispositif d'étanchéité, adapté pour fonctionner avec des arbres tournants co-rotatifs ou contre-rotatifs, permettant de réaliser l'accostage des deux arbres tournants sans nécessité d'utilisation d'un outillage ou d'un moyen spécifique (par exemple sans l'utilisation de ruban). A cette fin, l'invention propose un dispositif d'étanchéité inter-arbres coaxiaux d'une turbomachine, ledit dispositif comportant : - un segment élastique de forme annulaire présentant une ouverture angulaire ; - deux moyens de maintien situés de part et d'autre dudit segment annulaire et adaptés pour maintenir axialement ledit segment en autorisant un déplacement axial limité (J) ; - une entretoise agencée entre lesdits deux moyens de maintien et adaptée pour maintenir espacé lesdits deux moyens de maintien ; ledit dispositif étant caractérisé en ce que ledit segment élastique de forme annulaire comporte une surépaisseur annulaire adaptée pour coopérer avec un des deux moyens de maintien de manière à réaliser un pré-maintien radial dudit segment annulaire dans une position prédéfinie. Ainsi, grâce au dispositif selon l'invention, il n'est plus nécessaire d'utiliser un moyen spécifique pour maintenir le segment élastique dans un état comprimé pendant l'opération d'accostage des arbres coaxiaux. L'invention permet donc de simplifier cette opération d'accostage et propose un dispositif adaptable à n'importe quel environnement de turbomachine. Le dispositif d'étanchéité inter-arbres coaxiaux d'une turbomachine selon l'invention peut également présenter une ou plusieurs des caractéristiques ci- dessous, considérées individuellement ou selon toutes les combinaisons techniquement possibles : - le dispositif comporte une entretoise agencée entre lesdits deux moyens de maintien et adaptée pour maintenir espacé lesdits deux moyens de maintien ; - ladite surépaisseur annulaire est située en bordure périphérique interne dudit segment élastique ; - un des deux moyens de maintien comporte un alésage annulaire adapté pour recevoir ladite surépaisseur annulaire et pour former une liaison de pré-maintien dudit segment annulaire avec ladite surépaisseur annulaire ; - ledit segment annulaire est en carbone ; - ledit segment élastique de forme annulaire comporte deux surépaisseurs annulaires et en ce que les deux moyens de maintien comportent un alésage annulaire adapté pour recevoir lesdites surépaisseurs annulaires et pour former une liaison de pré-maintien dudit segment annulaire. L'invention a également pour objet une turbomachine comportant un rotor basse pression et un rotor haute pression caractérisée en ce qu'il comporte un dispositif d'étanchéité selon l'invention pour réaliser l'étanchéité d'une enceinte entre l'arbre basse pression et l'arbre haute pression. L'invention a également pour objet une méthode d'accostage de deux arbres tournants coaxiaux comportant un dispositif d'étanchéité selon l'invention adapté pour réaliser l'étanchéité d'une enceinte entre lesdits deux arbres, ladite méthode comportant les étapes consistant à: - assembler ledit dispositif d'étanchéité sur l'arbre tournant intérieur, l'assemblage dudit dispositif positionnant ledit segment annulaire dans une position, dite position de pré-maintien, dans laquelle le diamètre externe dudit segment annulaire est supérieur au diamètre interne dudit alésage de l'arbre tournant extérieur ; - accoster ledit arbre tournant interne avec l'arbre tournant extérieur, ledit arbre tournant extérieur présentant une paroi d'accostage adaptée pour comprimer progressivement ledit segment annulaire dans une position, dite position accostée, dans laquelle le diamètre externe dudit segment annulaire est équivalent au diamètre interne dudit alésage de l'arbre tournant extérieur, lorsque les deux arbres tournants sont accostés. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront plus clairement de la description qui en est donnée ci-dessous, à titre indicatif et nullement limitatif, en référence aux figures annexées, parmi lesquelles : - la figure 1, déjà décrite, illustre schématiquement un dispositif d'étanchéité inter-arbres coaxiaux, selon l'étant de la technique, permettant d'isoler une enceinte entre un arbre basse pression et un arbre haute pression d'une turbomachine ; - la figure 2 illustre schématiquement un dispositif d'étanchéité inter- arbres coaxiaux selon l'invention, pré-positionné sur l'arbre interne avant l'accostage de l'arbre interne et de l'arbre externe d'une turbomachine ; - les figures 3a et 3b illustrent schématiquement, le comportement du dispositif d'étanchéité inter-arbres coaxiaux selon l'invention lors de l'accostage de l'arbre interne et de l'arbre externe d'une turbomachine. Dans toutes les figures, les éléments communs portent les mêmes numéros de référence sauf précision contraire. La figure 2 représente un dispositif d'étanchéité 20, de type joint carbone, comportant : - un segment élastique de forme annulaire 24 comportant une ouverture angulaire ; le segment élastique étant un segment de type carbone ; - deux glaces métalliques 22 et 23 solidaires d'un arbre tournant interne 21, dans l'exemple illustré à la figure 2, l'arbre tournant interne 21 est l'arbre haute pression de la turbomachine (non représenté) ; les glaces métalliques 22, 23 forment des moyens de maintien permettant de limiter axialement les déplacement de segment élastique annulaire 24 tout en autorisant un jeu de fonctionnement J ; - une entretoise 25 solidaire de l'arbre haute pression 21 permettant de maintenir espacé les deux glaces métalliques 22 et 23 lors du fonctionnement de la turbomachine. L'arbre interne 21 comporte une butée de positionnement 26 permettant de faciliter le montage et le positionnement du dispositif d'étanchéité 20. Le segment annulaire 24 comporte une surépaisseur annulaire 28 formant un épaulement au niveau de sa partie périphérique interne. La forme de l'épaulement est adaptée de manière à coopérer de façon complémentaire avec la glace métallique 22. A cet effet, la glace métallique 22 présente un alésage annulaire 30 adapté pour recevoir la surépaisseur 28 du segment annuaire 24 de sorte que le segment annulaire 24 présente un déplacement axial limité J entre les deux glaces métalliques 22 et 23. Ainsi, avant l'accostage des deux arbres tournants coaxiaux, le segment annulaire 24 est pré-maintenu en position par retour élastique dans une position plus comprimée que son état libre via la liaison formée par la coopération de la surépaisseur 28 et de l'alésage annulaire 30 formant une accroche au niveau de la partie périphérique de la glace métallique 22. Le pré-maintien du segment annulaire 24 permet de s'affranchir de l'utilisation d'un moyen de maintien supplémentaire et spécifique à l'étape d'accostage des deux arbres 21, 27 qu'il est nécessaire de retirer une fois les deux arbres coaxiaux accostés. Le pré-maintien du segment annulaire 24 permet également de s'assurer que 5 le segment annulaire 24 ne sera pas endommagé ou encore cassé lors de l'étape d'accostage des deux arbres 21, 27. A cet effet, les figures 3a et 3b illustrent le comportement du dispositif 20 lors de l'accostage de l'arbre interne haute pression 21 et de l'arbre externe basse pression 27. 10 La figure 3a illustre de façon plus particulière le dispositif d'étanchéité dans son état de pré-maintien avant l'accostage des deux arbres coaxiaux. Lors de l'accostage des arbres 21 et 27, illustré par la figure 3b, la partie périphérique extérieure 24f du segment annulaire 24 rentre au contact d'une paroi d'accostage 31 de l'arbre basse pression 27, la paroi d'accostage 31 15 étant chanfreinée de manière à amener progressivement le segment annulaire 24 dans un état plus comprimé que celui présenté à la figure 3a et qui correspond à son état de pré-maintien. La forme et la largeur de l'épaulement formé par la surépaisseur 28 ainsi que la forme et le positionnement de l'alésage annulaire 30 sur la glace 20 métallique 22 sont déterminés de manière à ce que la partie périphérique extérieure 24f du segment vienne au contact de la paroi d'accostage 31 lors de l'accostage des deux arbres 21, 27. De cette façon, l'accostage se réalise sans risque d'endommagement du segment annulaire 24 en carbone. Le diamètre de l'alésage de l'arbre basse pression 27 étant inférieur au 25 diamètre du segment annuaire 24 dans son état libre et dans son état pré-maintenu, l'accostage des deux arbres 21, 27 permet de contraindre davantage le segment annulaire 24 radialement de sorte que l'épaulement 28 ne se retrouve plus au contact de la glace métallique 22. Toutefois, la fonction de joint est toujours assurée par la présence d'une zone de contact axial 32 entre le segment annulaire 24 et la glace métallique 22. La figure 4 illustre un deuxième mode de réalisation du dispositif d'étanchéité selon l'invention. Le dispositif d'étanchéité 40 est identique au premier mode de réalisation décrit précédemment sauf pour les caractéristiques qui vont être décrites par la suite. Dans ce deuxième mode de réalisation, le dispositif d'étanchéité 40 comporte : une première glace métallique 42 comportant un alésage annulaire 30 de façon identique à la glace métallique 22, décrite précédemment, une deuxième glace métallique 43 présentant une géométrie symétrique à la géométrie de la première glace métallique 42 ; un segment annulaire 44 comportant deux surépaisseurs annulaires 28 formant deux épaulements au niveau de la partie périphérique interne du segment. Ainsi, les deux épaulements sont adaptés pour coopérer de façon complémentaire avec les deux glaces métalliques 42 et 43, tout en 20 présentant un déplacement axial limité J du segment élastique 44 entre les deux glaces métalliques 42 et 43. L'invention a été principalement décrite avec un arbre haute pression et un arbre basse pression d'une turbomachine ; toutefois, l'invention est également applicable aux autres arbres tournants coaxiaux. 25 Le dispositif selon l'invention est particulièrement adapté pour être utilisé avec deux arbres tournants contre-rotatifs : toutefois, l'invention est également applicable avec deux arbres tournants co-rotatifs. -et15 REVENDICATIONS1. Dispositif d'étanchéité (20, 40) inter-arbres coaxiaux d'une turbomachine, ledit dispositif (20, 40) comportant : - un segment élastique (24, 44) de forme annulaire présentant une ouverture angulaire ; - deux moyens de maintien (22, 23, 42, 43) situés de part et d'autre dudit segment annulaire (24, 44) et adaptés pour maintenir axialement ledit segment (24, 44) en autorisant un déplacement axial limité (J) ; ledit dispositif (20, 40) étant caractérisé en ce que ledit segment élastique (24, 44) de forme annulaire comporte une surépaisseur annulaire (28) adaptée pour coopérer avec un des deux moyens de maintien (22, 42) de manière à réaliser un pré-maintien radial dudit segment annulaire (24, 44) dans une position prédéfinie. 2. Dispositif d'étanchéité (20, 40) inter-arbres coaxiaux d'une turbomachine selon la revendication précédente caractérisé en ce qu'il comporte une entretoise (25) agencée entre lesdits deux moyens de maintien (22, 23, 42, 43) et adaptée pour maintenir espacé lesdits deux moyens de maintien (22, 23, 42, 43) ; 3. Dispositif d'étanchéité (20, 40) inter-arbres coaxiaux d'une turbomachine selon l'une des revendications précédentes caractérisé en ce que ladite surépaisseur annulaire (28) est située en bordure périphérique interne dudit segment élastique (24, 44). 4. Dispositif d'étanchéité (20, 40) inter-arbres coaxiaux d'uneturbomachine selon l'une des revendications précédentes caractérisé en ce qu'un des deux moyens de maintien (22, 42) comporte un alésage annulaire (30) adapté pour recevoir ladite surépaisseur annulaire (28) et pour former une liaison de pré-maintien dudit segment annulaire (24, 44) avec ladite surépaisseur annulaire (28). 5. Dispositif d'étanchéité (20) inter-arbres coaxiaux d'une turbomachine selon l'une des revendications précédentes caractérisé en ce que ledit segment élastique (44) de forme annulaire comporte deux surépaisseurs annulaires (28) et en ce que les deux moyens de maintien (42, 43) comportent un alésage annulaire (30) adapté pour recevoir lesdites surépaisseurs annulaires (28) et pour former une liaison de pré-maintien dudit segment annulaire (24, 44). 6. Dispositif d'étanchéité (20, 40) inter-arbres coaxiaux d'une turbomachine selon l'une des revendications précédentes caractérisé en ce que ledit segment annulaire (24, 44) est en carbone. 7. Turbomachine comportant un rotor basse pression (27) et un rotor haute pression (21) caractérisée en ce qu'elle comporte un dispositif d'étanchéité selon l'une des revendications 1 à 6 pour réaliser l'étanchéité d'une enceinte entre l'arbre basse pression (21) et l'arbre haute pression (27). 8. Méthode d'accostage de deux arbres tournants coaxiaux (21, 27) comportant un dispositif d'étanchéité selon l'une des revendications 1 à 6 adapté pour réaliser l'étanchéité d'une enceinte entre lesdits deux arbres (21, 27), ladite méthode comportant les étapes consistant à : - assembler ledit dispositif d'étanchéité sur l'arbre tournant intérieur(21), l'assemblage dudit dispositif positionnant ledit segment annulaire (24, 44) dans une position, dite position de pré-maintien, dans laquelle le diamètre externe dudit segment annulaire est supérieur au diamètre interne dudit alésage de l'arbre tournant extérieur ; accoster ledit arbre tournant interne (21) avec l'arbre tournant extérieur (27), ledit arbre tournant extérieur (27) présentant une paroi d'accostage (31) adaptée pour comprimer progressivement ledit segment annulaire (24, 44) dans une position, dite position accostée, dans laquelle le diamètre externe dudit segment annulaire (24, 44) est équivalent au diamètre interne dudit alésage de l'arbre tournant extérieur, lorsque les deux arbres tournants sont accostés.