Brevet FR2979663A1 — publié le 20130308

Système et procédé pour réaliser l'étanchéité d'un trajet d'écoulement La présente invention concerne de façon générale l'étanchéité d'une interface entre une pièce tournante, telle qu'un rotor dans une turbine ou un compresseur, et une pièce fixe telle qu'une enveloppe ou un stator et, en particulier, concerne un joint labyrinthe. Les turbines à gaz, les turbines à vapeur, les compresseurs et autres systèmes de turbomachines utilisent des joints labyrinthes afin de réduire ou d'empêcher des fuites de flux entre certaines zones de pièces tournantes et fixes associées à la turbomachine. Un écartement est ordinairement nécessaire entre le joint et le rotor afin d'éviter des frottements et/ou une usure prématurée, mais l'écartement doit être aussi petit que possible afin de réduire les fuites et d'accroître le rendement. Certains, voire la totalité des besoins ci-dessus peuvent être satisfaits par certaines formes de réalisation de l'invention. Certaines formes de réalisation de l'invention peuvent consister en des systèmes, procédés et dispositifs pour réaliser un joint labyrinthe. Selon un premier mode de réalisation de l'invention, il est proposé un procédé pour rendre étanche un trajet d'écoulement entre un élément fixe et un élément tournant d'une turbomachine. Le procédé peut comporter la disposition d'au moins un accessoire de montage sur une surface intérieure d'un élément fixe associé à la turbomachine ; la disposition d'un anneau de garniture relié par un élément élastique à l'accessoire de montage, l'anneau de garniture comprenant au moins un alésage ; et la disposition, suivant un profil prédéterminé, d'une pluralité de dents d'anneau de garniture et de dents de rotor imbriquées les unes dans les autres entre l'anneau de garniture et l'élément tournant ; l'alésage, les dents de l'anneau de garniture et les dents du rotor coopérant pour contrarier un moment associé une ou plusieurs forces axiales. Selon un deuxième mode de réalisation de l'invention, il est proposé un système pour rendre étanche un trajet d'écoulement. Le système comporte une turbomachine, comprenant elle-même un élément fixe ; un élément tournant qui tourne autour d'un axe ; au moins un accessoire de montage disposé sur une surface intérieure de l'élément fixe ; un anneau de garniture relié par un élément élastique à l'accessoire de montage, l'anneau de garniture comprenant au moins un alésage ; et une pluralité de dents d'anneau de garniture et de dents de rotor imbriquées les unes dans les autres, disposées suivant un profil prédéterminé et entre l'anneau de garniture et l'élément tournant ; l'alésage, les dents de l'anneau de garniture et les dents du rotor coopérant pour contrarier un moment associé à une ou plusieurs forces axiales. Selon un autre exemple de forme de réalisation, un dispositif est proposé pour rendre étanche un trajet d'écoulement associé à une turbine. Le dispositif comporte un élément fixe ; un élément tournant qui tourne autour d'un axe ; au moins un accessoire de montage disposé sur une surface intérieure de l'élément fixe, un anneau de garniture relié à l'accessoire de montage par un élément élastique, l'anneau de garniture comprenant au moins un alésage ; et une pluralité de dents d'anneau de garniture et de dents de rotor imbriquées les unes dans les autres, disposées suivant un profil prédéterminé et entre l'anneau de garniture et l'élément tournant ; l'alésage, les dents de l'anneau de garniture et les dents du rotor coopérant pour contrarier un moment associé à une ou plusieurs forces axiales. 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 représente un joint selon la technique antérieure ; - la figure 2 est un schéma représentant un joint labyrinthe selon la technique antérieure ; - la figure 3 est un schéma d'un exemple de joint labyrinthe selon une forme de réalisation de l'invention ; - la figure 4 est un autre schéma d'un exemple de joint labyrinthe selon une forme de réalisation de l'invention ; et - la figure 5 est un organigramme d'un exemple de procédé selon une forme de réalisation de l'invention. Certaines formes de réalisation de l'invention peuvent présenter des dents d'anneau de garniture et des dents de rotor imbriquées les unes dans les autres, ainsi qu'un alésage pour contrarier un moment associé à une ou plusieurs forces axiales susceptibles d'agir sur un joint labyrinthe. Selon certains exemples de formes de réalisation, la disposition et les dimensions des dents d'étanchéité imbriquées les unes dans les autres peuvent servir à répartir la pression d'un côté amont à un côté aval d'un joint labyrinthe. Dans un exemple, de forme de réalisation, un alésage peut être utilisé pour ajuster, modifier ou autrement maîtriser un gradient de pression associé au joint labyrinthe. Divers pièces, dents, plaques, accessoires d'étanchéité, etc. peuvent être utilisés pour réaliser un joint, selon des exemples de formes de réalisation de l'invention, et vont maintenant être décrits en référence aux figures annexées. La figure 1 illustre un exemple de joint 100 selon la technique antérieure, qui comprend un élément tournant 102 tel qu'un rotor. Une plaque arquée 104 présente un logement pour un anneau de garniture arqué 106. Un intervalle 108 entre la plaque arquée 104 et l'anneau de garniture 106 peut être réglable au moyen de pliures 112 qui peuvent être maintenues alignées par des éléments de sollicitation 110. Des dents 114 fixées à l'anneau de garniture assurent une étanchéité partielle à l'interface entre l'anneau de garniture et l'élément tournant 102. La figure 2 est une vue latérale d'un joint 200 selon la technique antérieure, similaire au joint 100 de la figure 1. Dans ce joint selon la technique antérieure, des pliures 202 servent à maintenir l'anneau de garniture sur la plaque arquée. Il est établi un trajet d'écoulement 204 qui passe par les pliures et autour de l'interface entre l'anneau de garniture et la plaque. La figure 3 représente un joint 300 selon une forme de réalisation illustrée de l'invention. Dans cette forme de réalisation illustrée, un trajet de fuites 302 peut être défini entre des dents 304 de rotor et des dents 306 d'anneau de garniture. Dans une forme de réalisation illustrée, un trajet d'égalisation de pression 308 peut être défini dans l'anneau de garniture pour créer un trajet permettant à des fuites 302 de s'échapper du trajet de fuites 302 au trajet de fuites secondaire (comme en 204 sur la figure 2). Dans un exemple illustré, un revêtement abradable 310 peut être utilisé pour permettre à une ou plusieurs dents 304 de rotor de venir au contact de la région de la plaque, et de sacrifier le revêtement 310 par abrasion sans forcément endommager ni les dents ni la plaque. Dans une autre forme de réalisation, au moins une surface d'étanchéité 312 est partiellement conique pour modifier la progression des dents si les dents du rotor s'écartent de leur emplacement théorique vers l'endroit conique. L'objectif consiste à accroître la force d'ouverture de l'anneau d'étanchéité si la position relative est décalée axialement d'une manière ou d'une autre pendant un phénomène transitoire afin d'éviter des frottements du joint. Comme représenté sur la figure 3, si le rotor se déplace axialement vers la droite par rapport à l'anneau de garniture, dans chacune des gorges entre les dents de l'anneau de garniture, une plus grande surface est exposée à une pression supérieure. Par conséquent, dans un exemple de forme de réalisation, cela peut créer une force d'ouverture permettant de repousser l'anneau de garniture pour ouvrir l'écartement et courir moins de risque de frottements. Cependant, si le rotor bouge vers la gauche par rapport à l'anneau, la force d'ouverture peut normalement décroître. Pour compenser la diminution de la force d'ouverture, et selon un exemple de forme de réalisation, la surface d'étanchéité sur le côté gauche est conique pour accroître la progression de l'écartement et accroître la pression du côté amont. Par conséquent, la force d'ouverture peut être accrue pour ouvrir l'écartement global du joint. La partie conique peut être conçue pour soit réduire l'écartement en aval soit accroître l'écartement en amont. La figure 4 représente un joint 400 selon un exemple illustré de l'invention. Dans un exemple illustré, le joint 400 comporte un accessoire de montage 402, qui peut être associé à un élément fixe 414 (non tournant) d'une turbomachine. Dans un exemple illustré, le joint 400 peut comporter un anneau de garniture arqué 404, lequel peut communiquer avec l'accessoire de montage 402 par l'intermédiaire d'un élément élastique 412. Selon un exemple illustré de l'invention, un alésage d'égalisation de pression 410 peut être présent dans l'anneau de garniture 404 pour permettre intentionnellement à des gaz présents dans le passage d'écoulement 406 de circuler sur le trajet d'égalisation 408 et de s'échapper dans le trajet d'écoulement entre l'anneau de garniture 404 et l'accessoire de montage 402. Selon un exemple illustré, l'alésage d'égalisation de pression 410 peut constituer une position de référence pour l'égalisation de pression et peut contribuer à contrarier des forces axiales et une rotation correspondante du joint. Par conséquent, et en référence à la figure 4, dans un exemple illustré, le flux en amont peut exercer une pression sur le côté gauche de l'anneau de garniture 404 et il peut en résulter un moment de torsion dans le sens anti-horaire. Dans un exemple illustré, le moment de torsion dans le sens anti-horaire peut être au moins partiellement compensé ou contrarié par l'utilisation des dents 426, 428 et de l'alésage d'égalisation 410. Selon un exemple illustré, une ou plusieurs plaques latérales axiales 416 peuvent être disposées au voisinage immédiat de l'anneau de garniture 404. Selon un exemple illustré, les plaques latérales axiales 416 peuvent servir à limiter fortement les fuites par l'anneau de garniture et à réduire les sollicitations axiales des anneaux de garniture. Dans un exemple illustré, une réduction des sollicitations axiales des anneaux de garniture peut réduire le moment de torsion exercé sur l'anneau de garniture. La figure 4 illustre également un exemple de graphique 418 de pression en fonction de la position (en encart) correspondant à la pression 420 sur le trajet d'écoulement 406 en fonction de la position 422. Selon un exemple illustré, un élément tournant 432, qui tourne autour d'un axe de rotation 424, peut comprendre des dents de rotor arquées 428, lesquelles peuvent être fixées au rotor 432 et imbriquées avec des dents arquées 426 d'anneau de garniture. Dans un exemple illustré, les dents 428 de rotor et les dents 426 d'anneau de garniture peuvent s'opposer au passage d'air ou de gaz sur le trajet d'écoulement 406. Selon un exemple illustré, la hauteur et la position des dents 428 de rotor et des dents 426 d'anneau de garniture peuvent être conçues pour limiter la chute de pression dans la position 422 du joint 400. Selon un exemple illustré, la hauteur et la position des dents individuelles 428 de rotor et des dents individuelles 426 d'anneau de garniture peuvent en outre être conçues pour empêcher, réduire ou fortement limiter le frottement des dents sur les surfaces en regard. Selon un exemple illustré par le graphique représentatif 418 de pression par rapport à la position, l'alésage d'égalisation de pression 410 peut permettre ou établir la différence de pression entre le trajet d'écoulement 406 et le trajet de fuites secondaire entre l'anneau de garniture 404 et l'accessoire de montage 402 afin qu'elle soit à peu près nulle. Dans un exemple illustré, la combinaison de la chute de pression limitée dans la position 422 du joint 400 et de la pression égalisée par l'intermédiaire de l'alésage 410 peut produire un moment contraire pour au moins partiellement compenser le moment de torsion appliqué à l'anneau de garniture 406 du fait de la pression incidente sur le trajet des gaz, comme décrit plus haut. En référence à l'organigramme de la figure 5, on va décrire un exemple de procédé 500 pour assurer l'étanchéité d'un trajet d'écoulement entre un élément fixe et un élément tournant d'une turbomachine. Le procédé 500 débute au bloc 502 et, selon un exemple de forme de réalisation de l'invention, comporte la disposition d'au moins un accessoire de montage sur une surface intérieure d'un élément fixe associé à la turbomachine. Au bloc 504, le procédé 500 comporte la disposition d'un anneau de garniture lié à l'accessoire de montage par un élément élastique, l'anneau de garniture comprenant au moins un alésage. Au bloc 506, et selon un exemple de forme de réalisation, le procédé 500 comporte la disposition, suivant un profil prédéterminé, d'une pluralité de dents d'anneau de garniture et de dents de rotor imbriquées les unes dans les autres entre l'anneau de garniture et l'élément tournant, l'alésage, les dents de l'anneau de garniture et les dents du rotor coopérant pour contrarier un moment associé à une ou plusieurs forces axiales. Le procédé 500 prend fin après le bloc 506. Selon des exemples illustrés, l'invention peut en outre comporter au moins une plaque latérale axiale 416 fixée au voisinage immédiat de l'anneau de garniture 404, la plaque latérale 416 étant conçue pour former un joint secondaire avec l'anneau de garniture 404, et/ou une ou plusieurs plaques latérales axiales 416 faisant partie de l'élément fixe 414. Selon un exemple illustré, la disposition, suivant un profil prédéterminé, d'une pluralité de dents d'anneau de garniture et de dents de rotor imbriquées les unes dans les autres entre l'anneau de garniture et l'élément tournant peut comprendre la disposition d'une dent intérieure 426, 428 ayant un premier écartement minimal progressif et d'une dent extérieure 426, 428 ayant un second écartement minimal progressif. Dans un exemple illustré, la disposition suivant le profil prédéterminé comprend la disposition d'une dent extérieure 426, 428 ayant un premier écartement minimal progressif et d'une dent intérieure 426, 428 ayant un second écartement minimal progressif. Dans un exemple illustré, la disposition de l'anneau de garniture 404 peut comprendre au moins un alésage 410 communiquant avec au moins une partie du trajet d'écoulement 406 et au moins une partie d'une cavité entre l'accessoire de montage 402, l'anneau de garniture 404 et les plaques latérales 416 pour égaliser la pression. Un exemple illustré peut en outre comprendre la disposition d'un revêtement abradable 430 sur la surface de l'anneau de garniture 404 en regard de l'élément tournant 432. Selon un autre exemple illustré, un système et/ou un dispositif sont proposés pour assurer l'étanchéité d'un trajet d'écoulement 406. Le système peut consister en une turbomachine. Dans un exemple de forme de réalisation, le système et/ou le dispositif peut/peuvent comporter un élément fixe 414 ; un élément tournant 432 qui tourne autour d'un axe 424 ; au moins un accessoire de montage 402 disposé sur une surface intérieure de l'élément fixe 414 ; un anneau de garniture 404 relié à l'accessoire de montage 402 par un élément élastique 412, l'anneau de garniture 404 comprenant au moins un alésage 410 ; et une pluralité de dents 426 d'anneau de garniture et de dents 428 de rotor imbriquées les unes dans les autres, disposées suivant un profil prédéterminé et entre l'anneau de garniture 404 et l'élément tournant 432 ; l'alésage, les dents 426 de l'anneau de garniture et les dents 428 du rotor coopérant pour contrarier un moment associé à une ou plusieurs forces axiales. Dans un exemple illustré, le système ou dispositif peut en outre comporter une ou plusieurs plaques latérales axiales 416 fixées à l'élément fixe 414, la/les plaques latérales axiales 416 étant conçue(s) pour assurer l'étanchéité d'une cavité entre l'accessoire de montage 402 et l'anneau de garniture 404, une face aval de la plaque latérale 416 étant souple et accompagnant les efforts de pression. Dans un exemple illustré, les différentes dents 426 d'anneau de garniture et dents 428 de rotor imbriquées les unes dans les autres sont disposées suivant le profil prédéterminé comprenant une dent intérieure 426, 428 ayant un premier écartement minimal progressif et une dent extérieure 426, 428 ayant un second écartement minimal progressif. Dans un exemple de forme de réalisation, les différentes dents 426 d'anneau de garniture et dents 428 de rotor imbriquées les unes dans les autres sont disposées suivant le profil prédéterminé comprenant une dent extérieure 426, 428 ayant un premier écartement minimal progressif et une dent intérieure 426, 428 ayant un second écartement minimal progressif. Dans un exemple illustré du système et/ou du dispositif, le/les alésages 410 communique(nt) avec au moins une partie du trajet d'écoulement 406 et au moins une partie d'une cavité entre l'accessoire de montage 402, l'anneau de garniture 404 et les plaques latérales 416. Dans un exemple illustré du système et/ou du dispositif, le système et/ou le dispositif peut/peuvent comprendre un revêtement abradable 430 disposé à la surface de l'anneau de garniture 404 en regard de l'élément tournant 432. Selon des exemples de formes de réalisation, certains effets techniques peuvent être produits, notamment la création de certains systèmes, procédés et dispositifs qui contrarient un moment associé à une ou plusieurs forces axiales. Certaines formes de réalisation de l'invention peuvent produire d'autres effets techniques consistant à réaliser des systèmes, procédés et dispositifs pour égaliser la pression associée à un joint labyrinthe. Selon le souhait, des formes de réalisation de l'invention peuvent comporter le joint 300 et le joint 400 avec un nombre plus ou moins grand des éléments constitutifs représentés sur les figures 3 et 4. Liste des repères 100 Joint d'étanchéité (technique antérieure) 102 Elément tournant 104 Plaque arquée 106 Anneau de garniture arqué 108 Intervalle 110 Eléments de sollicitation 112 Pliures 114 Dents 116 Côté amont 118 Extrémité de pliure 200 Joint d'étanchéité (technique antérieure) 202 Ressort 204 Trajet à l'air libre 300 Joint d'étanchéité 302 Trajet de fuites 304 Dents de rotor 306 Dents de garniture d'étanchéité 308 Trajet d'égalisation de pression 310 Revêtement abradable 312 Partie conique 400 Joint d'étanchéité 402 Accessoire de montage 404 Anneau de garniture arqué 406 Trajet d'écoulement 408 Trajet d'égalisation 410 Alésage d'égalisation de pression 412 Elément élastique 414 Elément fixe 416 Plaque latérale axiale 418 Exemple de graphique de pression par rapport à la position 420 Pression 422 Position x 424 Axe de rotation 426 Dents d'anneau de garniture arquées 428 Dents de rotor arquées 430 Revêtement abradable 432 Elément tournant 500 Organigramme du procédé 502 - 510 Blocs REVENDICATIONS1. Procédé pour réaliser l'étanchéité d'un trajet d'écoulement (406) entre un élément fixe (414) et un élément tournant (432) d'une turbomachine, le procédé comportant : la disposition d'au moins un accessoire de montage (402) sur une surface intérieure d'un élément fixe (414) associé à la turbomachine ; la disposition d'un anneau de garniture (404) lié l'accessoire de montage (402) par un élément élastique (412), l'anneau de garniture (404) ayant au moins un alésage (410) ; la disposition, suivant un profil prédéterminé, d'une pluralité de dents (426) d'anneau de garniture et de dents (428) de rotor imbriquées les unes dans les autres entre l'anneau de garniture et l'élément tournant ; l'alésage (410), les dents (426) d'anneau de garniture et les dents (428) de rotor coopérant pour contrarier un moment associé à une ou plusieurs forces axiales. 2. Procédé selon la revendication 1, comportant en outre au moins une plaque latérale axiale (416) fixée au voisinage immédiat de l'anneau de garniture (404), la plaque latérale (416) étant conçue pour former un joint secondaire avec l'anneau de garniture (404). 3. Procédé selon la revendication 2, dans lequel une ou plusieurs plaques latérales axiales (416) font partie de l'élément fixe (414). 4. Procédé selon la revendication 1, dans lequel la disposition suivant le profil prédéterminé comprend la disposition d'une dent intérieure (426, 428) ayant un premier écartement minimal progressif et d'une dent extérieure (426, 428) ayant un second écartement minimal progressif. 5. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en outre par la conicité d'au moins une partie (312) d'une surface d'étanchéité pour un écartement progressif. 6. Procédé selon la revendication 1, dans lequel la disposition de l'anneau de garniture (404) comprend au moins un alésage (410) communiquant avec au moins une partie du trajet d'écoulement (406) et au moins une partie d'une cavité entre l'accessoire de montage (402), l'anneau de garniture (404) et les plaques latérales (416) pour égaliser la pression. 7. Procédé selon la revendication 1, comportant en outre la disposition d'un revêtement abradable (430) à la surface de l'anneau de garniture (404) en regard de l'élément tournant (432). 8. Système pour assurer l'étanchéité d'un trajet d'écoulement (406), le système comportant : une turbomachine comportant : un élément fixe (414) ; un élément tournant (432) qui tourne autour d'un axe (424) ; au moins un accessoire de montage (402) disposé sur une surface intérieure de l'élément fixe (414) ; un anneau de garniture (404) relié à l'accessoire de montage (402) par un élément élastique (412), l'anneau de garniture (404) ayant au moins un alésage (410) ; et une pluralité de dents (426) d'anneau de garniture et de dents (428) de rotor imbriquées les unes dans les autres, disposées suivant un profil prédéterminé et entre l'anneau de garniture et l'élément tournant ; l'alésage (410), les dents (426) de l'anneau de garniture et les dents (428) de rotor coopérant pour contrarier un moment associé à une ou plusieurs forces axiales. 9. Système selon la revendication 8, comportant en outre une ou plusieurs plaques latérales axiales (416) fixées à l'élément fixe (414), la/les plaques latérales axiales (416) étant conçues pour assurer l'étanchéité d'une cavité entre l'accessoire de montage (402) et l'anneau de garniture (404). 10. Système selon la revendication 9, dans lequel une face aval de la plaque latérale (416) est souple et accompagne les efforts de pression.