Brevet FR2985763A1 — 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 pression souhaité dans 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. L'efficacité de ce dispositif de déshuilage est inversement proportionnelle au débit d'air à traiter. Le compromis est donc difficile à établir et ces dispositifs d'étanchéité ne permettent pas d'obtenir les performances visées. Enfin, ce type de joint nécessite la présence d'un dispositif de déshuilage qui est coûteux, encombrant et lourd. 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 haute pression 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 basse pression 2 et axialement sur une des glaces métalliques 4 lorsque les deux arbres sont accostés. Le segment carbone est en contact occasionnel 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 basse pression, 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 basse pression. 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 basse pression 2. Un tel segment implique des difficultés de montage car il doit être maintenu comprimé pour pouvoir le positionner dans l'alésage du rotor basse pression 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 ; ledit dispositif étant caractérisé en ce que ledit segment élastique de forme annulaire comporte au niveau de chacune de ses extrémités libres des moyens d'accrochage adaptés pour coopérer ensemble 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. 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 : - lesdits moyens d'accrochage sont définis avec un jeu de fonctionnement adapté pour autoriser une diminution du diamètre dudit segment annulaire par compression ; - lesdits moyens d'accrochage sont des crochets en forme de S ; - ledit segment élastique annulaire est en carbone ; - le dispositif comporte une entretoise agencée entre lesdits deux moyens de maintien et adaptée pour maintenir espacé lesdits deux moyens de maintien. 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 comportant une étape de connexion des moyens d'accrochage de sorte que la coopération desdits moyens d'accrochage positionne 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 et dans laquelle les moyens d'accrochage ne sont plus en contact. 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 haute pression d'une turbomachine avant l'accostage de l'arbre haute pression et de l'arbre basse pression ; - la figure 3 est une vue en coupe du segment annulaire illustré à la figure 2 illustrant l'état du segment annulaire avant l'accostage de l'arbre haute pression et de l'arbre basse pression d'une turbomachine ; - la figure 4a illustre schématiquement le dispositif d'étanchéité inter- arbres selon l'invention pendant l'opération d'accostage de l'arbre haute pression et de l'arbre basse pression d'une turbomachine ; - la figure 4b illustre schématiquement le dispositif d'étanchéité inter-arbres selon l'invention après l'accostage de l'arbre tournant basse pression et l'arbre tournant haute pression d'une turbomachine ; - la figure 5 une vue en coupe du segment annulaire illustré à la figure 4b illustrant l'état du segment annulaire après l'accostage de l'arbre haute pression et de l'arbre basse pression 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 solidaires d'un arbre tournant interne 21, dans l'exemple illustré à la figure 2, l'arbre tournant 21 est l'arbre haute pression de la turbomachine (non représenté) ; les glaces métalliques 22 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 lors du fonctionnement de la turbomachine. L'arbre 21 comporte avantageusement une butée de positionnement 26 20 permettant de faciliter le montage et le positionnement du dispositif d'étanchéité 20. Tel qu'illustré par la figure 3, le segment annulaire 24 présente au niveau de chacune de ses extrémités libres une forme spécifique formant des moyens d'accrochage 28a et 28b coopérant ensemble et adaptés pour maintenir le 25 segment annulaire 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. Ainsi, lorsque les deux moyens d'accrochage coopèrent ensemble, le segment annulaire est maintenu radialement par phénomène de retour élastique par contact des deux moyens d'accrochage illustré par la zone de contact référencée ZC. Le contact des moyens d'accrochage 28a et 28b permet ainsi d'éviter que le segment ne retrouve sa position libre dans laquelle le diamètre extérieur du segment est supérieur au diamètre extérieur du segment dans sa position de pré-maintien. Les extrémités du segment annulaire 24 présentent une découpe réalisée dans l'épaisseur du segment (i.e. dans le sens axial) en forme de S. Ainsi, avant l'accostage des deux arbres tournants coaxiaux, le segment annulaire 24 est pré-maintenu en position par retour élastique entre les deux glaces métalliques 22. Le pré-maintien du segment annulaire 24 tel que décrit 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 15 deux arbres coaxiaux accostés. Le pré-maintien du segment annulaire 24 permet également de s'assurer que 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 et 4b illustrent le comportement du dispositif 20 d'étanchéité 20 lors de l'opération d'accostage de l'arbre haute pression 21 et de l'arbre basse pression 27 d'une turbomachine. La figure 4a illustre plus particulièrement le dispositif d'étanchéité 20 dans son état de pré-maintien avant l'accostage des deux arbres coaxiaux 21, 27. Lors de l'accostage des arbres 21 et 27, la partie périphérique extérieure 24f 25 du segment annulaire 24 vient au contact d'une paroi d'accostage 31 agencée au niveau de l'arbre basse pression 27, la paroi d'accostage 31 étant chanfreinée de manière à amener progressivement le segment annulaire 24 dans un état plus comprimé que celui présenté aux figures 3 et 4a correspondant à sa position de pré-maintien. La forme du S des extrémités du segment annulaire 24 est déterminée de manière à ce qu'une fois dans sa position de pré-maintien et en position sur l'arbre tournant basse pression 21, la partie périphérique extérieure 24f soit positionnée en regard de la paroi d'accostage 31 et 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 diamètre du segment annuaire 24 dans sa position de pré-maintien, l'accostage des deux arbres 21, 27 permet de contraindre davantage le segment annulaire 24 radialement via la paroi d'accostage chanfreinée 31. Ainsi lorsque le segment annulaire 24 est comprimé dans l'alésage de l'arbre basse pression 27 (i.e. l'arbre externe), le segment reste en contact avec l'alésage de l'arbre basse pression 27 par phénomène de retour élastique.. A cet effet, les deux extrémités en forme de S sont agencées de manière à ménager un certain jeu de fonctionnement F autorisant une compression radiale du segment lors de l'accostage. La figure 5 illustre à ce titre, une coupe du segment annulaire 24 illustré à la figure 4b. Ainsi, une fois les deux arbres accostés et le segment annulaire contraint radialement dans sa position de fonctionnement, dite position accostée, les deux moyens d'accrochage 28a, 28b ne sont plus en contact. 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 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) situés de part et d'autre dudit segment annulaire (24) et adaptés pour maintenir axialement ledit segment (24) en autorisant un déplacement axial limité (J) ; ledit dispositif (20) étant caractérisé en ce que 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 ensemble 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 lorsqu'il est dans son état libre. 2. Dispositif d'étanchéité (20) inter-arbres coaxiaux d'une turbomachine, selon la revendication précédente, caractérisé en ce que lesdits moyens d'accrochage (28a, 28b) sont définis avec un jeu de fonctionnement adapté pour autoriser une diminution du diamètre dudit segment annulaire (24) par compression. 3. Dispositif d'étanchéité (20) inter-arbres coaxiaux d'une turbomachine, selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que lesdits moyens d'accrochage (28a, 28b) sont des crochets en forme de S. 4. Dispositif d'étanchéité (20) inter-arbres coaxiaux d'une turbomachine, selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que ledit segment élastique annulaire (24) est en carbone. 5. Dispositif d'étanchéité (20) inter-arbres coaxiaux d'une turbomachine selon l'une des revendications précédentes caractérisé en ce qu'il comporte une entretoise (25) agencée entre lesdits deux moyens de maintien (22) et adaptée pour maintenir espacé lesdits deux moyens de maintien (22). 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 comportant une étape de connexion des moyens d'accrochage (28a, 28b) de sorte que la coopération desdits moyens d'accrochage positionne ledit segment annulaire (24) 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 tournantextérieur (27), ledit arbre tournant extérieur (27) présentant une paroi d'accostage (31) adaptée pour comprimer progressivement ledit segment annulaire (24) dans une position, dite position accostée, dans laquelle le diamètre externe dudit segment annulaire (24) est équivalent au diamètre interne dudit alésage de l'arbre tournant extérieur, lorsque les deux arbres tournants sont accostés et dans laquelle les moyens d'accrochage (28a, 28b) ne sont plus en contact.10