Brevet FR2979135A1 — publié le 20130222

Joint à brosse comprenant une plaque d'appui pourvue d'une dent La présente invention concerne un joint à brosse et, plus particulièrement, un joint à brosse ayant une plaque d'appui comprenant au moins une dent d'appui destinée à venir d'une manière sélective au contact d'une surface d'étanchéité. On trouve couramment des joints à brosse dans diverses applications telles que les turbines à gaz et à vapeur, et ces joints sont ordinairement employés pour assurer l'obturation hermétique d'un intervalle entre un arbre rotatif et un élément fixe. Les joints à brosse ont une pluralité de poils intercalés entre une plaque avant et une plaque d'appui. Les poils s'étendent vers une surface d'étanchéité et assurent une étanchéité entre l'arbre rotatif et l'élément fixe. La plaque d'appui du joint à brosse assure un soutien axial des poils et obstrue également partiellement l'intervalle entre l'arbre rotatif et l'élément fixe. Un espace se trouve entre la plaque d'appui et l'arbre rotatif dans le but d'empêcher sensiblement la plaque d'appui de toucher l'arbre rotatif pendant la marche. Parfois, cet intervalle est appelé hauteur d'isolement de la plaque d'appui. La hauteur d'isolement de la plaque d'appui est ordinairement plus grande que l'intervalle classique d'un métal à un autre. Dans le but d'améliorer l'aptitude du joint brosse à résister à la compression et de réduire l'usure des poils, la hauteur d'isolement est réduite afin que les poils soient plus soutenus et subissent moins de contraintes de flexion du fait des efforts de compression. Cependant, réduire la hauteur d'isolement peut accroître le risque de frottements contre l'arbre rotatif pendant des états transitoires, notamment lorsque le système dépasse des vitesses de résonance ou dans le cas où est atteint un équilibre thermique entre des pièces. Si la hauteur d'isolement ne convient pas, la surface de la plaque d'appui en regard de l'arbre rotatif risque de s'aplatir ou de se salir lorsqu'elle est frottée par la surface rotative de l'arbre rotatif pendant des états transitoires. Dans le cas où le bout d'une plaque d'appui est frotté, les bords de la plaque d'appui risquent de devenir irréguliers et intermittents. Cela risque de créer des difficultés, car les poils ne peuvent pas facilement glisser sur la plaque d'appui. Si les poils sont arrêtés sur un bord irrégulier de la plaque d'appui, les poils risquent de subir une déformation par courbure permanente et de s'user en cas d'excursions de l'arbre rotatif. Ainsi, la plaque d'appui doit assurer un soutien axial des poils tout en évitant encore sensiblement de toucher l'arbre rotatif. Il existe actuellement plusieurs solutions pour réduire ou empêcher les contacts entre la surface de la plaque d'appui et l'élément rotatif tout en conservant un soutien axial des poils. Par exemple, dans une solution, la surface de la plaque d'appui est revêtue d'une couche de revêtement ou de soutien à compatibilité tribologique de manière à mieux résister aux frottements. Dans une autre approche, une matière qui facilite les frottements entre la plaque d'appui et la surface rotative pourrait également être employée pour éviter sensiblement l'aplatissement du bout de la plaque d'appui. Cependant, ces méthodes peuvent induire un surcoût et une plus grande complexité du joint à brosse. Dans une autre solution, la plaque avant est réglée à un espacement relativement minime pour servir d'élément de butée afin de protéger la plaque d'appui, mais ce n'est ordinairement pas une option valable, car cette méthode crée un écoulement en jet qui risque de déstabiliser les poils du joint brosse, en provoquant des flottements et une usure relativement rapide. Par conséquent, il serait souhaitable de proposer un système d'un coût intéressant pour réduire le contact entre la plaque d'appui d'un joint à brosse et un arbre rotatif. L'invention a pour objet un joint à brosse comportant une surface d'étanchéité, une plaque latérale, une plaque d'appui, une pluralité de poils et un élément de sollicitation. La plaque d'appui est située de manière sélective en position fixe et comporte au moins une dent d'appui et un bout d'appui. La dent d'appui a une surface de dent et le bout d'appui a une surface de bout. Un espacement de dent est mesuré entre la surface de dent et la surface d'étanchéité. Un espacement de bout est mesuré entre la surface de bout et la surface d'étanchéité. L'espace de dent est plus petit que l'espace de bout. Les poils sont situés entre la plaque latérale et la plaque d'appui. Les poils comprennent une partie terminale destinée à créer une étanchéité contre la surface d'étanchéité. L'élément de sollicitation exerce sur la plaque d'appui une force de sollicitation dirigée vers la surface d'étanchéité. Le contact entre la dent d'appui et la surface d'étanchéité chasse la plaque d'appui de la position fixe et la rapproche de l'élément de sollicitation. La force de sollicitation fait revenir la plaque d'appui dans la position fixe. 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'un joint à brosse selon l'invention ; et - la figure 2 illustre une partie du joint à brosse selon la figure 1. La figure 1 représente un joint à brosse 10 situé entre un élément rotatif 20 et un carter 22 d'une machine. Le joint à brosse 10 peut être employé dans toute application nécessitant une étanchéité entre deux zones à pression variable. Par exemple, le joint à brosse 10 peut être employé dans une turbine à gaz ou à vapeur, un compresseur ou une pompe. Le joint à brosse 10 comporte une plaque latérale 26, une plaque d'appui 28 et une pluralité de poils d'étanchéité 30, ainsi qu'un élément de sollicitation 32. Les poils d'étanchéité 30 sont reçus entre la plaque latérale 26 et la plaque d'appui 28. Les poils d'étanchéité 30 sont ordinairement réalisés en acier inoxydable, en alliage Haynes® 25 ou en alliage de nickel-cobalt, cependant d'autres matières peuvent également être utilisées. Les poils d'étanchéité 30 ont une première extrémité 40 et une seconde extrémité 42. La première extrémité 40 est reçue entre deux rails latéraux 44, 46, un premier rail latéral 44 étant fixé à la plaque latérale 26 et le second rail latéral 46 étant fixé à la plaque d'appui 28. Les rails latéraux 44, 46 exercent une force de compression afin de mettre en place les poils d'étanchéité 30 et de les immobiliser. Tel qu'illustré, les rails latéraux 44, 46 sont fixés par soudage aux poils d'étanchéité 30. La seconde extrémité 42 des poils d'étanchéité 30 est conçue pour créer une étanchéité avec une surface d'étanchéité 48 de l'élément rotatif 20. Tel qu'illustré, la seconde extrémité 42 des poils d'étanchéité 30 touche la surface d'étanchéité 48 lorsque l'élément rotatif 20 est en marche. Les poils d'étanchéité 30 peuvent être inclinés dans le sens de la rotation. En particulier, en référence à la figure 2, les poils d'étanchéité 30 sont inclinés dans un sens de rotation R de l'élément rotatif 20. Tel qu'illustré sur la figure 2, le joint à brosse 10 présente une forme sensiblement annulaire. Selon un mode de réalisation, le joint à brosse 10 présente un aspect segmenté, les différents poils d'étanchéité 30 étant segmentés en parties ou segments distincts 50 situés circonférentiellement autour du joint à brosse 10. Les segments 50 facilitent le montage du joint à brosse 10 entre l'élément rotatif 20 et le carter de machine 22. Le joint à brosse 10 peut comprendre n'importe quel nombre de segments 50 de poils de joint à brosse, par exemple quatre segments distincts, six segments distincts ou huit segments distincts. Considérant les deux figures 1 et 2, l'élément de sollicitation 32 se trouve dans un évidement 51 du carter 22 entre le joint à brosse 10 et le carter 22. L'élément de sollicitation 32 est placé entre une surface inférieure 53 de l'évidement 51 et une surface supérieure 55 de la plaque d'appui 28. Chaque partie segmentée 50 du joint à brosse 10 peut avoir au moins un élément de sollicitation correspondant 32. Tel qu'illustré, l'élément de sollicitation 32 est un ressort à lame, cependant d'autres types d'éléments de sollicitation peuvent tout aussi bien être utilisés. En variante, l'élément de sollicitation 32 pourrait être une rondelle ondulée ou un ressort hélicoïdal. Tel qu'illustré sur la figure 1, le carter 22 comprend un crochet ou un épaulement 54, l'épaulement 54 servant à venir contre et à assurer un soutien d'une partie correspondante 56 de la plaque d'appui 28. La plaque d'appui 28 comprend au moins une dent d'appui 52 et un bout d'appui 60. La dent d'appui 52 et le bout 60 sont l'un et l'autre des protubérances qui font chacun saillie vers l'extérieur depuis une surface extérieure 62 de la plaque d'appui 28. Le bout d'appui 60 est placé le long de la plaque d'appui 28 afin de buter contre et d'assurer un soutien axial des poils d'étanchéité 30. La dent d'appui 52 est placée plus près de la surface d'étanchéité 48 de l'élément rotatif 20 que le bout d'appui 60. En particulier, la dent d'appui 52 comprend une surface 66 de dent et le bout d'appui 60 comprend une surface 68 de bout. Un espacement Cl ou jeu de dent est mesuré entre la surface 66 de dent et la surface d'étanchéité 48, et un espacement C2 ou jeu de bout est mesuré entre la surface 68 de bout et la surface d'étanchéité 48. L'espacement Cl de dent est plus petit que l'espacement C2 de bout. Dans un exemple de forme de réalisation, l'espacement C2 de bout est d'environ 0,63 millimètre (0,025 ") à environ 3,42 millimètres (0,135 "), et l'espacement Cl de dent est d'environ 0,38 millimètre (0,015 ") à environ 3,05 millimètres (0,12 "). Ainsi, la différence entre l'espacement Cl de dent et l'espacement C2 de bout est d'environ 0,25 millimètre (0,010 ") à environ 0,37 millimètre (0,015 "). La dent d'appui 52 est conçue pour venir d'une manière sélective au contact de la surface d'étanchéité 48 de l'élément rotatif 20. Ainsi, la dent d'appui 52 est placée de telle sorte que, dans le cas où la plaque d'appui 28 arrive à proximité de la surface d'étanchéité 48 de l'élément rotatif 20, seule la dent d'appui 52 soit conçue pour toucher la surface d'étanchéité 48. Ainsi, le contact entre le bout d'appui 60 et la surface d'étanchéité 48 est globalement évité. La dent d'appui 52 de la plaque d'appui 28 vient ordinairement toucher la surface d'étanchéité 48 pendant une excursion d'un élément de rotation, laquelle peut survenir sous l'effet de conditions thermiques transitoires ou de vibrations du rotor lorsqu'une vitesse de résonance vient à être dépassée. Les fonctions de la dent d'appui 52 sont ordinairement doubles. Premièrement, la dent d'appui 52 assure globalement une protection du bout 68 de la plaque d'appui en cas d'excursion du rotor ou de pincement thermique. La seconde fonction de la dent d'appui 52 consiste à servir de joint d'appoint. Tel qu'illustré sur la figure I, la plaque d'appui 28 se trouve de manière sélective en position fixe S. La plaque d'appui 28 reste dans la position fixe S pendant le fonctionnement normal, jusqu'à ce que la dent d'appui 52 touche la surface d'étanchéité 48 de l'élément rotatif 20 pendant un régime de fonctionnement thermique transitoire, comme par exemple le démarrage et l'arrêt. Le contact entre la dent d'appui 52 et la surface d'étanchéité 48 amène la plaque d'appui 28 à être chassée de la position fixe S et pousse la plaque d'appui 28 dans une première direction Dl vers l'élément de sollicitation 32. En particulier, en référence aux figures 1 et 2, le contact entre la dent d'appui 52 et la surface d'étanchéité 48 amène la partie segmentée 50 du joint à brosse 10 à être chassée de la position fixe S et à être poussée radialement vers l'extérieur depuis l'élément rotatif 20 de façon que l'arbre rotatif 20 ne vienne globalement pas frotter contre le bout 60 de la plaque d'appui. L'élément de sollicitation 32 exerce une force de sollicitation F sur la plaque d'appui 28. La force de sollicitation F est orientée en direction de la surface d'étanchéité 48 de l'élément rotatif 20. Si la dent d'appui 52 touche la surface d'étanchéité 48 de l'élément rotatif 20, la partie segmentée respective 50 du joint à brosse 10 est poussée radialement vers l'extérieur et en direction de l'élément de sollicitation 32. L'élément de sollicitation 32 exerce la force de sollicitation F vers la surface d'étanchéité 48 de l'élément rotatif 20, ce qui fait revenir le segment 50 dans la position fixe S. La dent d'appui 52 sert à réduire ou sensiblement éviter le contact entre le bout d'appui 60 et la surface d'étanchéité 48. En particulier, l'espacement C2 du bout d'une plaque d'appui 28 employant la dent d'appui 28 est globalement plus petit que l'espacement C2 du bout d'une plaque d'appui 28 qui ne comprend pas la dent d'appui 52. L'espacement C2 du bout doit être réduit le plus possible pour assurer un soutien axial des poils du joint tout en continuant à éviter sensiblement le contact avec l'arbre rotatif 20 en sacrifiant la dent d'appui 52 en cas de frottement. En même temps, la dent d'appui 52 peut également aussi bien servir de joint d'appoint. Liste des repères 10 Joint à brosse 20 Elément rotatif 22 Carter de machine 26 Plaque latérale 28 Plaque d'appui 30 Poils d'étanchéité 32 Elément de sollicitation 40 Première extrémité 42 Seconde extrémité 44 Premier rail latéral 46 Second rail latéral 48 Surface d'étanchéité 50 Segments 51 Evidement 52 Dent d'appui 53 Surface inférieure 54 Epaulement 55 Surface supérieure 56 Partie correspondante 60 Bout d'appui 62 Surface extérieure 66 Surface de dent 68 Surface de bout C1 Espacement de dent C2 Espacement de bout F Force de sollicitation REVENDICATIONS1. Joint à brosse (10), comportant : une surface d'étanchéité (48) ; une plaque latérale (26) une plaque d'appui mise d'une manière sélective dans une position fixe et ayant un bout d'appui (60) et au moins une dent d'appui (52), la/les dents d'appui (52) ayant une surface (66) de dent et le bout d'appui (60) ayant une surface (68) de bout, un espacement (Cl) de dent étant mesuré entre la surface (66) de dent et la surface d'étanchéité (48) et un espacement (C2) de bout étant mesuré entre la surface (68) de bout et la surface d'étanchéité (48), et l'espacement (Cl) de dent étant plus petit que l'espacement (C2) de bout ; une pluralité de poils (30) situés entre la plaque latérale (26) et la plaque d'appui (28), les différents poils (30) ayant une extrémité (42) assurant l'étanchéité de la surface d'étanchéité (48) et un élément de sollicitation (32) servant à exercer une force de sollicitation (F) sur la plaque d'appui (28) en direction de la surface d'étanchéité (48), la/les dents d'appui (52) étant conçues pour toucher sélectivement la surface d'étanchéité (48), le contact entre la/les dents d'appui (52) et la surface d'étanchéité (48) chassant la plaque d'appui (28) de la position fixe et la rapprochant de l'élément de sollicitation (32), et la force de sollicitation (F) faisant revenir la plaque d'appui (28) dans la position fixe. 2. Joint à brosse (10) selon la revendication 1, dans lequel le bout d'appui (60) est placé le long de la plaque d'appui (28) pour assurer un soutien axial de la pluralité de poils (30). 3. Joint à brosse (10) selon la revendication 2, dans lequel le bout d'appui (60) bute contre la pluralité de poils (30). 4. Joint à brosse (10) selon la revendication 1, le joint à brosse (10) étant globalement annulaire et ayant une configuration segmentée dans laquelle les différents poils (30) sont segmentés en parties distinctes sur un pourtour du joint brosse (10). 5. Joint à brosse (10) selon la revendication 1, dans lequel un carter (22) de machine est prévu pour recevoir le joint à brosse (10), et dans lequel le carter (22) comprend un épaulement (54) destiné à venir contre une partie correspondante de la plaque d'appui (28). 6. Joint à brosse (10) selon la revendication 5, dans lequel l'élément de sollicitation (32) est situé dans un évidement du carter (22). 7. Joint à brosse (10) selon la revendication 1, dans lequel un espacement (Cl) de dent vaut d'environ 0,38 millimètre à environ 3,05 millimètres. 8. Joint à brosse (10) selon la revendication 1, dans lequel l'espacement (C2) de bout vaut d'environ 0,63 millimètre à environ 3,42 millimètres. 9. Joint à brosse (10) selon la revendication 1, dans lequel la surface d'étanchéité (48) est une surface extérieure (62) d'un élément rotatif (20). 10. Joint à brosse (10) selon la revendication 1, dans lequel l'élément de sollicitation (32) est soit un ressort à lame, soit une rondelle ondulée, soit un ressort hélicoïdal.