Brevet FR2985764A1 — 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 plus large que le segment carbone 5. Pour assurer le bon fonctionnement du dispositif d'étanchéité, dès le démarrage, le segment carbone 5 est précontraint de manière à assurer le contact avec le flasque d'étanchéité 2 de l'arbre externe. Lors de la rotation des deux arbres, le segment carbone 5 et le flasque d'étanchéité 2 doivent être solidaires. Le segment carbone 5 peut être en contact avec une des glaces métalliques 4 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 5 tourne à la vitesse de l'arbre 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 5 sur l'une des glaces métalliques 4 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 (i.e. de diamètre plus important que le diamètre de l'alésage du flasque d'étanchéité) de manière à améliorer le plaquage radial du segment sur le flasque d'étanchéité de l'arbre externe. Un tel segment implique des difficultés de montage car il doit être maintenu comprimé pour pouvoir le positionner dans l'alésage du flasque d'étanchéité 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. DESCRIPTION GÉNÉRALE DE L'INVENTIOU 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 annulaire agencée entre lesdits deux moyens de maintien et adaptée pour maintenir espacé lesdits deux moyens de maintien ; ledit dispositif étant caractérisé en ce que - ladite entretoise annulaire présente une encoche sur son pourtour périphérique ; - ledit segment élastique de forme annulaire comporte au niveau de chacune de ses extrémités libres des moyens d'accrochage adaptés pour coopérer avec ladite encoche de ladite entretoise annulaire, et pour maintenir par retour élastique ledit segment élastique dans une position, dite position de pré-maintien, dans laquelle le diamètre extérieur dudit segment élastique est inférieur au diamètre extérieur dudit segment élastique lorsqu'il est dans son état libre et dans laquelle l'axe central dudit segment élastique est désaxé par rapport à l'axe central de ladite entretoise annulaire. 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 : - ladite encoche est en forme de queue d'aronde. - lesdits deux moyens de maintien présentent des épaulements adaptés pour maintenir radialement ladite entretoise annulaire ; - ledit segment annulaire est en carbone ; - ledit segment annulaire est métallique. 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 et dans laquelle l'axe central dudit segment élastique est désaxé par rapport à l'axe central de ladite entretoise annulaire ; - accoster ledit arbre tournant interne avec l'arbre tournant extérieur, ledit arbre tournant extérieur présentant un cône d'engagement adapté pour désengager ledit segment élastique de sa position de pré-maintien et 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 et dans laquelle l'axe central dudit segment élastique et l'axe central de ladite entretoise annulaire sont coïncidents, lorsque les deux arbres tournants sont accostés. BRÈVE DESCRIPTION DES FIGURES 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 une vue selon un plan de coupe longitudinal d'un dispositif d'étanchéité inter-arbres coaxiaux selon l'invention, pré-positionné sur un arbre interne avant l'accostage de l'arbre interne et d'un arbre externe d'une turbomachine ; - la figure 3 illustre une vue selon le plan de coupe A-A illustré à la figure 2 du dispositif d'étanchéité selon l'invention ; - les figures 4a, 4b, 4c représentent, selon un plan de coupe longitudinal, une séquence de montage illustrant de manière schématique le comportement du dispositif d'étanchéité selon l'invention à différentes étapes de l'accostage ; - les figures 5a, 5b et Sc illustrent des vues selon les plans de coupe A-A illustrés aux figures 4a, 4b, 4c du dispositif d'étanchéité selon l'invention aux différentes étapes d'accostage illustrées aux figures 4a, 4b et 4c. DESCRIPTION DÉTAILLÉE D'AU MOINS UN MODE DE RÉALISATION Dans toutes les figures, les éléments communs portent les mêmes numéros de référence sauf précision contraire. La figure 2 et la figure 3 représentent un dispositif d'étanchéité 20, de type joint carbone, comportant : - un segment élastique de forme annulaire 24 comportant une ouverture angulaire ;deux glaces métalliques 22 et 23 solidaires d'un arbre tournant interne 21, dans l'exemple illustré dans les figures 2 à 5, 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 déplacements du segment élastique annulaire 24 tout en autorisant un jeu de fonctionnement J ; - une entretoise annulaire 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'entretoise annulaire 25 présentant sur son pourtour périphérique une encoche 27. L'arbre interne 21 comporte une butée annulaire de positionnement 26 5 permettant de faciliter le montage et le positionnement du dispositif d'étanchéité 20 sur l'arbre interne 21.Le segment élastique 24 est un segment de type carbone ou métallique. Le segment annulaire 24 présente au niveau de chacune de ses extrémités libres une forme spécifique formant des moyens d'accrochage 28a et 28b 10 dont la forme est adaptée pour coopérer avec l'encoche 27 de l'entretoise annulaire 25. Selon un exemple de réalisation non limitatif, l'encoche 27 a une forme de queue d'aronde et les moyens d'accrochage 28a et 28b forment des crochets adaptés pour coopérer avec la forme en queue d'aronde de l'encoche 27. 15 Lorsque les moyens d'accrochage 28a, 28b sont engagés dans l'encoche 27, le segment annulaire 24 est maintenu dans une position, dite position de pré-maintien, dans laquelle le segment annulaire 24 est radialement plus comprimé que dans sa position, dite position libre, et dans laquelle l'axe central du segment annulaire 24 est désaxé par rapport à l'axe central du 20 dispositif d'étanchéité 20 (i.e. l'axe de rotation de l'entretoise annulaire 25, des glaces métalliques 22, 23) qui correspond à l'axe de axe de rotation des deux arbres tournants. Ainsi, lorsque les deux moyens d'accrochage 28a, 28b coopèrent avec l'encoche 27, le segment annulaire 24 est maintenu en position par 25 phénomène de retour élastique. Le maintien en position par l'engagement des moyens d'accrochage 28a et 28b avec l'encoche 27 permet ainsi d'éviter que le segment annulaire 24 ne retrouve sa position libre dans laquelle le diamètre extérieur du segment annulaire est supérieur au diamètre extérieur du segment dans sa position de pré-maintien. 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 ainsi que dans une position désaxée par rapport au dispositif d'étanchéité 20. 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 désaxage du segment annulaire 24 permet de faciliter l'insertion du segment dans l'alésage du flasque d'étanchéité 27 lors de l'accostage tout en réalisant un recentrage et un positionnement automatique du segment lors de l'accostage. Le pré-maintien du segment annulaire 24 permet également de s'assurer que 15 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 4a, 4b, 4c et 5a, 5b, 5c illustrent le comportement du dispositif d'étanchéité 20 lors de l'accostage de l'arbre interne haute pression 21 et de l'arbre externe basse pression 27 d'une turbomachine. 20 Lors de l'accostage des arbres 21 et 27, illustré par les figures 4a et 5a, une portion de la partie périphérique extérieure 24f du segment annulaire 24 va rentrer au contact d'un cône d'engagement 31 du flasque d'étanchéité 27 de de l'arbre externe correspondant dans l'exemple de réalisation à l'arbre basse pression d'une turbomachine. La portion du segment annulaire 24 qui 25 rentre au contact avec le cône d'engagement 31 est diamétralement opposée aux moyens d'accrochage 28a, 28b. Le cône d'engagement 31 est configuré de manière à amener progressivement le segment annulaire dans sa position comprimée, dite position accostée. Le contact progressif d'une portion du segment annulaire 24 en position désaxée avec le cône d'engagement 31 va comprimer légèrement le segment annulaire 24 de sorte que les moyens d'accrochage 28a, 28b vont se désengager de l'encoche 27. Le segment annulaire 27 va donc s'expanser à l'intérieur de l'alésage du flasque d'étanchéité 27 par retour élastique et se recentrer par rapport à l'axe de rotation des arbres tournants, tel qu'illustré par les figures 4b et 5b. Dans cette position, l'ensemble de la paroi périphérique extérieure 24f du segment 24 est en contact avec le cône d'engagement 31. A partir de ce moment, l'accostage des deux arbres va amener progressivement le segment annulaire 24 dans un état plus comprimé que celui présenté en référence aux figures 5a et 5b de manière à atteindre la position accostée du segment annulaire. Les figures 4c et Sc illustrent le dispositif d'étanchéité en position lorsque l'accostage des deux arbres tournants est réalisé. Le diamètre de l'alésage du flasque d'étanchéité 27 de l'arbre externe 27 étant inférieur au 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 de manière à garantir le contact solidaire entre le segment annulaire 24 et le flasque d'étanchéité 27. La forme et la largeur des moyens d'accrochage 28a, 28b ainsi que la forme et le positionnement de l'encoche sur l'entretoise sont déterminés de manière à réaliser un désaxage et de manière à ce qu'une portion de la partie périphérique extérieure 24f du segment 24 vienne au contact du cône d'engagement 31 lors de l'accostage des deux arbres tournants. De cette façon, l'accostage se réalise sans risque d'endommagement du segment annulaire 24 en carbone. Selon les implantations, il peut s'avérer nécessaire de réduire le diamètre de l'entretoise, ce qui risque de poser certaines difficultés en tenue centrifuge. Afin de remédier à ce problème, il est prévu d'aménager des épaulements dans les glaces métalliques dans lesquels l'entretoise est insérée de manière maintenir l'entretoise radialement lors de la rotation des arbres. 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. 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. REVENDICATIONS1. Dispositif d'étanchéité (20) inter-arbres coaxiaux d'une turbomachine, ledit dispositif (20) comportant : - un segment élastique (24) de forme annulaire présentant une ouverture angulaire ; - deux moyens de maintien (22, 23) 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 annulaire (25) agencée entre lesdits deux moyens de maintien (22, 23) et adaptée pour maintenir espacé lesdits deux moyens de maintien (22, 23) ; ledit dispositif (20, 40) étant caractérisé en ce que : - ladite entretoise annulaire (25) présente une encoche (27) sur son pourtour périphérique ; - ledit segment élastique (24) de forme annulaire comporte au niveau de chacune de ses extrémités libres des moyens d'accrochage (28a, 28b) adaptés pour coopérer avec ladite encoche (27) de ladite entretoise annulaire (25), et pour maintenir par retour élastique ledit segment élastique (24) dans une position, dite position de pré-maintien, dans laquelle le diamètre extérieur dudit segment élastique (24) est inférieur au diamètre extérieur dudit segment élastique (24) lorsqu'il est dans son état libre et dans laquelle l'axe central dudit segment élastique (24) est désaxé par rapport à l'axe central de ladite entretoise annulaire (25). 2. Dispositif d'étanchéité (20) inter-arbres coaxiaux d'une turbomachine, selon la revendication précédente, caractérisé en ce que ladite encoche(27) est en forme de queue d'aronde. 3. Dispositif d'étanchéité (20) inter-arbres coaxiaux d'une turbomachine, selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que lesdits deux moyens de maintien (22, 23) présentent des épaulements adaptés pour maintenir radialement ladite entretoise annulaire (25). 4. 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. 5. Dispositif d'étanchéité (20, 40) inter-arbres coaxiaux d'une turbomachine, selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que ledit segment annulaire (24, 44) est métallique. 6. 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 5 pour réaliser l'étanchéité d'une enceinte entre l'arbre basse pression (21) et l'arbre haute pression (27). 7. Méthode d'accostage de deux arbres tournants coaxiaux (21, 27) comportant un dispositif d'étanchéité selon l'une des revendications 1 à 5 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 estsupérieur au diamètre interne dudit alésage de l'arbre tournant extérieur et dans laquelle l'axe central dudit segment élastique (24) est désaxé par rapport à l'axe central de ladite entretoise annulaire (25) ; - accoster ledit arbre tournant interne (21) avec l'arbre tournant extérieur (27), ledit arbre tournant extérieur (27) présentant un cône d'engagement (31) adaptée pour désengager ledit segment élastique (24) de sa position de pré-maintien et 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 et dans laquelle l'axe central dudit segment élastique (24) et l'axe central de ladite entretoise annulaire (25) sont coïncidents, lorsque les deux arbres tournants sont accostés.