Brevet FR2998922A1 — publié le 20140606

Le domaine de la présente invention est celui des turbomachines et, plus particulièrement, celui des dispositifs d'étanchéité entre leurs pièces fixes et leur pièces tournantes. Une turbomachine pour aéronef comprend généralement, d'amont en aval dans le sens de l'écoulement des gaz, une soufflante, un ou plusieurs étages de compresseurs, par exemple un compresseur basse pression et un compresseur haute pression, une chambre de combustion, un ou plusieurs étages de turbines, par exemple une turbine haute pression et une turbine basse pression, et une tuyère d'échappement des gaz. A chaque compresseur peut correspondre une turbine, les deux étant reliés par un arbre, formant ainsi, par exemple, un corps haute pression et un corps basse pression. Elle comprend généralement, sensiblement au niveau de l'extrémité amont du corps haute pression, une "enceinte amont", et par ailleurs, sensiblement au niveau de l'extrémité aval du corps haute pression, une "enceinte aval", toutes deux contenant des organes de type roulements et engrenages qui sont lubrifiés par de l'huile. L'huile, projetée par les pièces en rotation, y forme un brouillard de gouttelettes en suspension. Ces enceintes amont et aval sont formées et délimitées par des parois de la structure fixe du turboréacteur mais aussi par des parois d'éléments tournants. Par ailleurs, elles doivent permettre le passage à travers elles d'un flux d'air, notamment à des fins de ventilation, mais elles doivent également retenir au maximum l'huile en leur sein et c'est pourquoi l'étanchéité entre les éléments fixes et les éléments tournants d'une enceinte d'huile est une problématique particulièrement délicate. Traditionnellement, l'étanchéité était réalisée à l'aide de joints de type labyrinthe qui est la solution d'étanchéité la plus simple, la plus robuste et la plus répandue dans les turbomachines. Un tel joint comporte, d'une part, des léchettes, ou nervures fines, qui sont solidaires d'une pièce tournante et, d'autre part, un matériau abradable, positionné en vis-à-vis des léchettes, qui est solidaire d'une pièce fixe. Les léchettes viennent frotter sur l'abradable, dans lequel elles s'enfoncent pour former des rainures faisant fonction de chicanes pour l'air de ventilation. Ce frottement se fait avec un certain jeu pour autoriser le passage d'un flux de gaz en provenance d'un des compresseurs de la turbomachine, ces gaz s'opposant alors à la sortie de l'huile par le joint labyrinthe. Leur débit est en général dimensionné pour être suffisant au ralenti et il est, de ce fait, excessif dans les autres phases de vol, dans lesquelles le débit d'air aspiré par la soufflante du turboréacteur est plus important et la pression interne de la turbomachine plus élevée. Ce flux excessif dans les autres phases de vol a au moins deux conséquences néfastes : tout d'abord, il réduit le rendement du moteur et, ensuite, il a tendance à entraîner une plus grande quantité d'huile hors de l'enceinte, vers des déshuileurs. La turbomachine consomme ainsi de l'huile ce qui est onéreux et, en outre, nocif pour l'environnement. On a donc imaginé de remplacer les joints à labyrinthe par des joints de type "à brosse". Un joint à brosse comprend généralement un corps de brosse annulaire monté sur une pièce fixe, qui se prolonge par deux parois emprisonnant une pluralité de brins juxtaposés de façon sensiblement radiale, qui peuvent, par exemple, être en carbone. Elles sont fixées par une première extrémité dans le corps de brosse et leurs deuxièmes extrémités sont libres et en contact avec une pièce tournante, les brins étant de préférence légèrement inclinés dans le sens de rotation de la pièce tournante. De tels joints à brosse, dont des exemples sont donnés dans les demandes de brevets FR 2918144 ou FR2957976 de la demanderesse, présentent l'avantage de requérir un flux de gaz circulant au travers d'eux dont le débit n'est pas trop important pour garantir leur étanchéité à l'huile. L'efficacité d'un joint à brosse carbone est meilleure que celle d'un labyrinthe mais, s'il permet d'avoir une étanchéité très performante pour des pressions faibles à moyennes, tout en restant relativement simple et robuste, il présente toujours pour inconvénient principal d'avoir une médiocre capacité d'étanchéité pour les pressions élevées. Il convient donc d'améliorer les dispositifs d'étanchéité des turbomachines entre leurs parties rotatives et leurs parties statiques, ou bien entre deux parties rotatives, ou encore entre deux parties statiques, afin d'en diminuer les pertes, d'améliorer les performances des turbomachines et leur sécurité. Ces étanchéités doivent, en particulier, être particulièrement performantes pour les enceintes de roulement qui sont lubrifiées. En effet, si le liquide de lubrification fuit en dehors de l'enceinte, on risque de déclencher un feu, de provoquer un balourd dans les parties rotatives ou encore de contaminer l'air allant dans la cabine de l'aéronef. Si un débit d'air chaud trop important pénètre dans l'enceinte lubrifiée, on risque alors d'avoir un échauffement inacceptable du roulement et de son lubrifiant. Les étanchéités doivent notamment être performantes pour limiter les fuites d'air qui ne participeront pas au rendement de la turbomachine, et ainsi améliorer les performances globales de celle-ci. La présente invention a donc pour but de remédier à ces inconvénients en proposant un dispositif d'étanchéité pour turbomachine qui soit efficace aux faibles régimes et qui conserve une bonne efficacité aux régimes plus élevés A cet effet, l'invention a pour objet un dispositif d'étanchéité pour une enceinte d'une turbomachine formée par un ensemble d'organes tournants et/ou statiques juxtaposés, le dispositif d'étanchéité comprenant au moins un joint à brosse comportant un corps de brosse, porté par au moins un premier organe, et des brins s'étendant à partir dudit corps de brosse et agencés pour frotter contre au moins un second organe mobile en rotation par rapport au premier organe, de façon à produire un écart de pression entre l'intérieur de ladite enceinte et son environnement extérieur, caractérisé en ce que ledit dispositif comprend en outre un joint de type labyrinthe comportant au moins une léchette s'étendant à partir dudit premier ou second organe et coopérant avec un abradable porté respectivement par ledit second ou premier organe, ledit labyrinthe étant positionné en série avec ledit joint à brosse entre l'intérieur de ladite enceinte et son environnement extérieur. La combinaison en série d'un joint labyrinthe et d'un joint à brosse permet, en calibrant le débit de fuite qui traverse le dispositif d'étanchéité pour le ralenti, de conserver des débits de fuite faibles aux régimes plus élevés. Le rendement de la turbomachine n'est donc pas affecté par la mise en oeuvre de la fonction d'étanchéité des enceintes ainsi configurées. De façon préférentielle le joint à brosse est un joint à brins en fibres de carbone. Ce type de joint a de bonnes performances au ralenti et, du fait de la souplesse de ses brins, ne dégrade que très peu les pièces contre lesquelles il frotte. En revanche cette souplesse est néfaste pour la fonction d'étanchéité mais cet inconvénient est compensé par l'introduction d'un joint labyrinthe, qui est placé en série avec le joint à brosse carbone. Avantageusement le joint labyrinthe est positionné par rapport au joint à brosse du côté des plus fortes pressions. Le joint à brosse est alors placé dans des conditions optimales pour assurer l'étanchéité, la différence de pression entre son amont et son aval étant réduite même aux forts régimes. Dans un mode préférentiel de réalisation le joint labyrinthe ne comporte qu'une seule léchette. Cette configuration a l'avantage de la simplicité, d'un encombrement et d'une masse plus faibles, tout en restant d'une grande efficacité sur le plan de l'étanchéité. Dans un mode préférentiel de réalisation le premier organe est une paroi cylindrique fixe, le second organe étant un capot tournant. De façon plus préférentielle ladite paroi fixe comporte un alésage dans lequel est positionné le corps de brosse, et une extension axiale formant une couronne circulaire porteuse dudit abradable. De façon encore plus préférentielle ledit organe tournant comporte une face cylindrique positionnée en vis-à-vis des brins dudit joint à brosse et s'étendant axialement pour porter la ou lesdites léchettes du joint labyrinthe. L'invention porte également sur une turbomachine comportant une enceinte de lubrification des paliers de son ou ses arbres de rotation caractérisée en ce que l'étanchéité de ladite enceinte vis-à-vis de son environnement est assurée par au moins un dispositif tel que décrit ci-dessus. Elle porte enfin sur une turbomachine comportant une enceinte amont et une enceinte aval de lubrification des paliers de son ou ses arbres de rotation dans laquelle l'étanchéité de chacune des enceintes est assurée par des dispositifs tels que décrits ci-dessus. L'invention sera mieux comprise, et d'autres buts, détails, caractéristiques et avantages de celle-ci apparaîtront plus clairement au cours de la description explicative détaillée qui va suivre, d'un ou plusieurs modes de réalisation de l'invention donnés à titre d'exemples purement illustratifs et non limitatifs, en référence aux dessins schématiques annexés. Sur ces dessins : - la figure 1 est une vue en coupe d'une turbomachine selon l'art antérieur ; - la figure 2 est une vue de détail de la figure 1, au niveau de son enceinte avant ; - la figure 3 est une vue en coupe d'un dispositif d'étanchéité pour une enceinte avant, selon un mode de réalisation de l'invention, et - la figure 4 montre le gain apporté par l'invention exprimé par le débit de fuite obtenu au travers de l'enceinte de la figure 3, selon l'art antérieur et selon l'invention. En se référant à la figure 1, on voit un turboréacteur 1 de l'art antérieur qui comporte, de manière classique, une soufflante S, un compresseur basse pression la, un compresseur haute pression 1 b, une chambre de combustion lc, une turbine haute pression ld et une turbine basse pression le. Le compresseur haute pression lb et la turbine haute pression ld sont reliés par un arbre haute pression 4 et forment avec lui un corps haute pression (HP). Le compresseur basse pression la et la turbine basse pression le sont reliés par un arbre basse pression 5 et forment avec lui un corps basse pression (BP). Ces corps sont portés par des pièces structurales fixes, dénommées carter intermédiaire 2 pour le support de leurs roulements situés en amont et carter d'échappement 3 pour le support de leurs roulements situés en aval. Pour assurer leur lubrification ces roulements, ainsi que celui des engrenages de divers arbres de prélèvement de puissance sur les rotors, ceux-ci sont enfermés dans des enceintes, à peu près étanches, qui sont formées par une juxtaposition de parois fixes liées aux carter intermédiaire 2, respectivement au carter d'échappement 3, et de parois mobiles liées aux arbres haute et basse pression. Une turbomachine comporte ainsi, généralement, une enceinte amont El associée au carter intermédiaire 2 et une enceinte aval E2 associée au carter d'échappement 3. Comme indiqué précédemment ces enceintes sont baignées dans une atmosphère contenant de l'huile pour la lubrification des différents organes et elles sont traversées par un flux d'air, au débit contrôlé, à des fins de ventilation. La figure 2 montre, toujours pour l'art antérieur, la partie avant de la turbomachine de la figure 1, axialement au niveau du compresseur BP la et de l'enceinte avant El. Le carter intermédiaire 2 se prolonge en direction de l'axe de rotation par des cloisons qui forment la partie fixe de l'enceinte El, tandis que l'arbre HP 4 et l'arbre BP 5 en forment la partie tournante. Ces deux parties se rejoignent pour former l'enceinte El au niveau de labyrinthes 6 qui tendent à réduire, autant que faire se peut, notamment aux régimes élevés, la circulation d'air entrant dans cette enceinte. Des flèches indiquent sur la figure le sens de circulation de l'air qui passe au travers des labyrinthes 6. L'enceinte El, de même que l'enceinte E2 du carter d'échappement 3, est reliée vers l'extérieur par une canalisation, non représentée sur la figure, dite de dégazage, par laquelle s'évacue l'air qui a pénétré dans ces enceintes et qui, en sortie, est chargé d'un bouillard d'huile. A l'intérieur de l'enceinte El on voit les roulements de butée et les paliers des arbres HP 4 et BP 5 qui les supportent, référencés respectivement 7 et 8. La figure 2 montre également un arbre de prélèvement de puissance 9 sur le rotor BP 5, auquel il est relié classiquement par des pignons, qui a pour objet d'entraîner les accessoires fonctionnant sur le moteur ou de fournir de la puissance aux équipements de l'avion qui en ont besoin. La figure 3 représente, en revanche, un dispositif d'étanchéité selon l'invention, pour une enceinte telle que l'enceinte amont El représentée. Le même dispositif peut, bien évidemment, être mis en place pour une enceinte aval E2. Il est constitué d'un joint à brosse 10 qui est monté en série avec un joint labyrinthe 6 analogue à ceux de l'art antérieur qui sont illustrés sur les figures 1 et 2. Le joint à brosse 10 est réalisé à partir d'un corps de brosse 101, ayant circulairement la forme d'un tore annulaire, qui est généralement constitué par plusieurs secteurs de couronne. De ce corps de brosse 101 s'étendent des brins 102, en l'espèce des fibres de carbone, qui sont agencés pour venir frotter contre un capot tournant 12 lié à l'arbre HP 4. Ces secteurs sont maintenus en place par un flasque 23 qui est fretté dans un ajustage pratiqué dans une paroi cylindrique fixe 11 qui appartient à la partie fixe de l'enceinte El et qui est donc porteuse du joint à brosse. La paroi fixe 11 présente une première face radiale et une seconde face cylindrique, entre lesquelles sont logés les secteurs annulaires constituant le corps de brosse 101. Il comporte en outre une rainure circulaire pratiquée dans l'épaisseur de sa face cylindrique, à une distance du corps de brosse qui correspondant à l'épaisseur axiale dudit flasque 23. Dans cette rainure vient se loger un jonc 24. Le maintien du joint dans l'alésage de la paroi fixe 11 est ainsi assuré par le jonc d'arrêt 24 qui empêche le flasque 23 de reculer et de libérer le corps de brosse 101. Selon l'invention le capot tournant 12, qui est entraîné par l'arbre HP 4, comporte une première partie cylindrique 17, orientée axialement, sur laquelle frottent les brins 102 du joint 10 et il se poursuit axialement par une extension axiale 16 porteuse de léchettes 13 qui sont aptes à former avec un abradable un labyrinthe 6 identique à ceux de l'art antérieur. Cette extension axiale 16 s'étend au delà des brins 102 du joint à brosse 10, dans une direction opposée à celle de l'enceinte El. De même, en ce qui concerne la partie fixe de l'enceinte El, la paroi fixe 11 s'étend axialement au-delà du corps de brosse 101, par une couronne circulaire 14 qui vient en vis-à-vis des léchettes 13 pour former le labyrinthe 6. Classiquement cette couronne 14 porte sur sa face interne un abradable 15 dans lequel viennent s'enfoncer les léchettes 13 pour former un joint d'étanchéité. Au final l'invention se distingue de l'art antérieur en ce qu'elle positionne deux joints d'étanchéité en série entre l'enceinte El à ventiler et une zone E3 externe qui forme l'environnement de l'enceinte El. Dans cette zone la pression est égale à la pression interne de la turbomachine 1 au niveau de son carter intermédiaire 2. Un premier joint situé au niveau de la plus forte pression est un joint labyrinthe 6 alors que le second, placé contre l'enceinte à ventiler, est un joint à brosse 10. Entre les deux joints se trouve formée une zone intermédiaire E31, dans laquelle la pression P31 est intermédiaire entre celle, plus forte, P3 de la zone externe E3 et celle, plus faible, P1 de l'enceinte El. Pour garantir une maîtrise de la pression P1 à tous les régimes de fonctionnement de la turbomachine, il convient de placer deux joints constitués chacun d'un joint à brosse 10 associé à un labyrinthe 6, aux deux extrémités amont et aval de l'enceinte El. Pour des raisons de cohérence de la maîtrise des pressions dans les enceintes, un dispositif analogue est, de préférence, également positionné aux deux extrémités de l'enceinte aval E2. La figure 4 montre l'apport de l'invention en représentant sur un même diagramme adimensionné, l'évolution de la pression P1 à l'intérieur de l'enceinte El lorsque le régime de fonctionnement de la turbomachine 1 varie entre le ralenti et le plein gaz, c'est dire lorsque la pression interne P3 augmente progressivement. Cette évolution est représentée en premier lieu, dans le cas de joints d'étanchéité de l'art antérieur, c'est-à-dire constitués par de simples joints à brosse, sans labyrinthe, positionnés à chacune des extrémités de l'enceinte, et, en second lieu, par des joints d'étanchéité selon l'invention, c'est-à-dire par un joint labyrinthe 6 positionné en série avec un joint à brosse 10, et ceci à chacune de ces extrémités. Dans cas de l'art antérieur (courbe du haut), le débit de fuite, c'est-à-dire celui qui traverse l'enceinte El, croît rapidement avec l'écart de pression P1 - P3, alors que dans le cas de l'invention (courbe du bas) ce débit de fuite croît nettement plus lentement. On arrive ainsi avec l'invention à conserver un bas niveau de fuite, compatible cependant des impératifs de refroidissement de l'enceinte, à tous les régimes et donc à réduire les pertes de rendement qui sont actuellement associées aux forts régimes. On va maintenant décrire le fonctionnement d'un dispositif d'étanchéité selon l'invention. La solution proposée est une combinaison d'un joint labyrinthe 6 et d'un joint à brosse 10 à brins en carbone, positionnés en série l'un par rapport à l'autre. Le joint labyrinthe est la solution d'étanchéité la plus simple, la plus robuste et la plus répandue dans les turbomachines mais son efficacité est moindre par rapport aux étanchéités, dites avancées, comme le joint à brosse. Le joint à brosse carbone 10 est, quant à lui, par ailleurs connu pour être très souple et il permet donc une très bonne adaptation du joint aux défauts des pièces mêmes quand ceux-ci sont grands. Par contre le défaut de ce joint très souple est de perdre rapidement de son efficacité dès que les écarts de pression entre les cavités à étanchéifier sont élevés (comme illustré par la figure 4). En revanche il permet d'avoir une étanchéité très performante pour des pressions très faibles à moyennes, tout en restant relativement simple et robuste. L'inconvénient principal du joint à brosse étant cependant sa médiocre capacité d'étanchéité pour les pressions élevées, ce point faible est corrigé, dans l'invention, en mettant un joint labyrinthe en série avec le joint à brosse. L'adjonction d'un labyrinthe 6 à un joint à brosse carbone 10 permet au joint à brosse, par la perte de charge créée par la ou les léchettes 13 du labyrinthe, de fonctionner à son efficacité maximale et l'on obtient ainsi une étanchéité à tous les régimes qui est meilleure que celle que l'on obtiendrait avec chacune des solutions individuelles et ce, tout en conservant un encombrement et un coût limité. L'amélioration la plus significative est obtenue dès l'ajout d'une première léchette 13 en amont d'un seul joint à brosse 10; l'ajout de léchettes supplémentaires (comme illustré sur la figure 3) ou de joints à brosses supplémentaires permet certes d'augmenter encore l'efficacité de l'étanchéité, mais de façon marginale et au prix d'un encombrement et d'un coût plus élevé. La solution préconisée est donc de ne retenir un joint labyrinthe qu'a une seule léchette. La figure 4 montre que l'efficacité d'un joint à brosse carbone 10 n'est élevée, c'est-à-dire que le débit de fuite reste faible, que lorsque l'écart de pression P3 - P1 entre les 2 cavités à étanchéifier est faible. Cette efficacité diminue ensuite, par une augmentation non désirée du débit de fuite, avec l'augmentation de l'écart de pression entre les deux cavités. Cette diminution d'efficacité s'explique par le fait que l'écart de pression provoque un effort de l'air sur le joint à brosse 10, orienté dans le sens de l'écoulement de l'air. Cet effort provoque une flexion des brins 102 de la brosse, qui ont été choisis volontairement relativement souples pour s'adapter aux défauts des pièces à étancher. Et, plus la flexion des brins de la brosse est élevée, plus grande est la fuite. Si l'on veut que le joint à brosse 10 conserve ses bonnes performances, il faudrait que la flexion des brins 102 puisse être plus faible. Alors, à défaut de pouvoir rigidifier les brins de la brosse, l'invention propose de diminuer l'effort auquel ils sont soumis, en ajoutant un joint labyrinthe 6 à une ou plusieurs léchettes 13. On constate, en pratique, qu'un labyrinthe à une seule léchette suffit pour réaliser une perte de charge significative. L'invention préconise préférentiellement de placer le joint à brosse 10 du coté de l'enceinte lubrifiée El, c'est-à-dire pneumatiquement en aval du joint labyrinthe 6 ; ceci permet, d'une part, au joint à brosse carbone de travailler dans sa plage de fonctionnement préférentielle et, d'autre part, de faire bénéficier les brins 102 de la brosse qui sont en contact avec le rotor 4 de l'effet lubrifiant et caloporteur de l'air huilé. Le labyrinthe 6, qui est positionné du côté opposé à l'enceinte lubrifiée El, c'est-à-dire du côté des hautes pressions, fonctionne, quant à lui, dans sa plage de fonctionnement nominale. Ce type de joint double, constitué d'un joint à brosse carbone 10 associé à un joint labyrinthe 6, et positionné pneumatiquement en aval de celui-ci, a été décrit pour une enceinte El de lubrification de roulements et d'engrenages, mais il est bien évident que cette configuration peut être appliquée à d'autres étanchéités rotor-stator de la turbomachine ; elle peut également être appliquée à des étanchéités rotor-rotor ou même stator-stator. Elle peut en particulier être mise en place pour étanchéifier des cavités air-air, des cavités air-huile et plus généralement des cavités contenant des gaz, des liquides ou un mélange des deux.5 REVENDICATIONS1. Dispositif d'étanchéité pour une enceinte (El, E2) d'une turbomachine (1) formée par un ensemble d'organes tournants et/ou statiques juxtaposés, le dispositif d'étanchéité comprenant au moins un joint à brosse (10) comportant un corps de brosse (101), porté par au moins un premier organe (11), et des brins (102) s'étendant à partir dudit corps de brosse et agencés pour frotter contre au moins un second organe (12) mobile en rotation par rapport au premier organe, de façon à produire un écart de pression entre l'intérieur de ladite enceinte et son environnement extérieur (E3), caractérisé en ce que ledit dispositif comprend en outre un joint de type labyrinthe (6) comportant au moins une léchette (13) s'étendant à partir dudit premier ou second organe et coopérant avec un abradable (15) porté respectivement par ledit second ou premier organe, ledit labyrinthe étant positionné en série avec ledit joint à brosse entre l'intérieur de ladite enceinte et son environnement extérieur. 2. Dispositif selon la revendication 1 dans lequel le joint à brosse (10) est un joint à brins en carbone. 3. Dispositif selon l'une des revendications 1 ou 2 dans lequel le joint labyrinthe (6) est positionné par rapport au joint à brosse du côté des plus fortes pressions. 4. Dispositif selon l'une des revendications 1 à 3 dans lequel le joint labyrinthe ne comporte qu'une seule léchette (13). 5. Dispositif selon l'une des revendications 1 à 4 dans lequel le premier organe est une paroi cylindrique fixe (11), le second organe étant un capot tournant (12). 6. Dispositif selon la revendication 5 dans lequel ladite paroi fixe comporte un alésage dans lequel est positionné le corps de brosse (101), et une extension axiale formant une couronne circulaire (14) porteuse dudit abradable. 7. Dispositif selon l'une des revendications 5 ou 6 dans lequel ledit organe tournant comporte une face cylindrique positionnée en vis-à-vis des brins (102) dudit joint à brosse (10) et s'étendant axialement pour porter la ou lesdites léchettes (13) du joint labyrinthe (6). 8. Turbomachine comportant une enceinte de lubrification (El, E2) des paliers de son ou ses arbres de rotation (4, 5) caractérisée en ce que l'étanchéité de ladite enceinte vis-à-vis de son environnement (E3) est assurée par au moins un dispositif selon l'une des revendications 1 à 7. 9. Turbomachine comportant une enceinte amont (El) et une enceinte aval (E2) de lubrification des paliers (7, 8) de son ou ses arbres de rotation dans laquelle l'étanchéité de chacune des enceintes est assurée par des dispositifs selon l'une des revendications 1 à 7.