Brevet FR3014160A1 — publié le 20150605

LIMITEUR DE DEBIT POUR JOINT A BROSSE DESCRIPTION DOMAINE TECHNIQUE ET ART ANTÉRIEUR L'invention concerne le domaine des joints à brosse, utilisés dans le 5 domaine des turbomachines, en notamment les turbomachines terrestres ou aéronautiques, et notamment celles d'aéronefs tels que les turboréacteurs ou les turbopropulseurs. Selon un premier aspect, un compresseur de turbomachine est constitué d'une pluralité d'étages de compression formés chacun d'une rangée annulaire d'aubes 10 mobiles montées sur une virole de la turbomachine et d'un redresseur monté sur un carter annulaire externe de la turbomachine. Un redresseur de compresseur peut être constitué d'un anneau, ou il peut être sectorisé (i.e. constitué d'une pluralité de secteurs angulaires reliés bout-à-bout circonférentiellement autour de l'axe longitudinal du compresseur). 15 Chaque secteur de redresseur comprend une virole externe et une virole interne disposées coaxialement l'une à l'intérieur de l'autre, et une (ou plusieurs) pale(s) s'étendant radialement entre ces viroles et raccordée(s) à celles-ci par ses (leurs) extrémité(s) radiale(s). Pour assurer le fonctionnement d'un compresseur, il existe un jeu, à chaque 20 étage, entre le redresseur et le moyeu, formant une cavité sous redresseur. Généralement, un débit de fuite circule dans cette cavité, de l'aval du redresseur vers l'amont, en passant sous l'extrémité radialement interne de la virole interne. L'existence d'un tel débit de fuite est souvent qualifiée de « phénomène de recirculation sous redresseur ». 25 Le phénomène de recirculation sous redresseur perturbe l'écoulement principal des gaz dans la turbomachine, et en particulier il modifie les conditions d'écoulement en amont des aubes. Ainsi, un tel phénomène constitue un facteur significatif de dégradation d'opérabilité et de pertes de performance pour tout compresseur. Afin de lutter contre le phénomène de recirculation sous redresseur, une solution a déjà été proposée consistant en la mise en place de léchettes portées par la virole de rotor, dans le circuit sous redresseur. De cette façon, il est possible de réduire le débit de recirculation des gaz sous la virole interne du redresseur. Néanmoins, cette solution présente plusieurs inconvénients. D'une part, le coût de la mise en place des léchettes sous redresseur est important. D'autre part, l'efficacité des léchettes dépend fortement de la qualité de prédiction et de fabrication de celles-ci, et le phénomène de recirculation sous redresseur reste impactant dans le fonctionnement du compresseur. On cherche donc d'autres moyens de limiter le débit de circulation des gaz sous la virole interne du redresseur. Selon un autre aspect, l'invention concerne un dispositif de joint d'étanchéité de paliers du turbomachine, ainsi que la turbomachine qui comporte un tel dispositif. De façon classique, un palier de turbomachine supportant un arbre tournant à l'intérieur d'un carter fixe comporte un roulement disposé dans une enceinte où sa lubrification est assurée. Toutefois, toute migration d'huile doit être évitée vers certains compartiments de la turbomachine et l'étanchéité doit ainsi être assurée à la séparation entre l'enceinte de palier contenant de l'huile et une enceinte voisine à l'air qui doit être maintenue exempte d'huile. Plusieurs solutions ont déjà été proposées dans ce but, utilisant par exemple des joints d'étanchéité segmentés en carbone associés à diverses modalités de mise en place. Ces solutions sont complexes et, là encore, on cherche d'autres moyens de réaliser une étanchéité entre l'enceinte de paliers et l'enceinte voisine. EXPOSÉ DE L'INVENTION L'invention concerne d'abord un système de maintien d'un joint à brosse dans un compresseur de turbomachine, ce dernier étant destiné à être en contact avec l'arbre d'un rotor qui présente un diamètre d maximum et une excursion maximum, ce système comportant une bague avant (positionnée du côté dit « haute pression ») et une bague arrière (positionnée du côté dit « basse pression »): - la bague avant ayant un diamètre tel qu'elle sera située, après positionnement du joint dans la turbomachine, à une distance d1 du rotor, cette distance étant dite jeu de bague avant, - la bague arrière ayant un diamètre tel qu'elle sera située, après positionnement du joint dans la turbomachine, à une distance d2 du rotor, cette distance étant dite jeu de bague arrière, le jeu de bague avant étant inférieur ou égal au jeu de bague arrière. Selon l'invention, le jeu de bague avant est réduit par rapport au jeu de bague arrière. En effet, aucune contrainte ne s'impose au jeu de bague avant, puisque le gradient de pression oriente inclinaison des poils vers la bague arrière. Il n'y a donc pas de risque de coincer la nappe de poils entre le rotor et la bague avant. Cependant, cette limitation du jeu de bague avant entraîne une limitation du débit d'air intercepté par la brosse. Ce débit d'air étant ainsi limité, la performance globale du joint peut en être améliorée, et ceci jusqu'à 20 %. De préférence, le jeu de bague avant est égal, ou sensiblement égal, à la somme du diamètre maximum de l'arbre du rotor et de son excursion maximum afin 2 0 d'éviter le contact du rotor avec la bague avant. Ce système est d'autant plus efficace que le débit d'air traversant le joint est important. Ceci est dû à la loi reliant le débit à l'évolution de la pression, pour un trou à travers une section de paroi mince. On choisira le jeu de bague avant minimum pour qu'il n'y ait pas de 25 contact entre le rotor et celle-ci. Selon un exemple de réalisation, la bague avant et la bague arrière sont en acier inoxydable ou en aluminium, ou encore à tout autre matériau qui permettra de résister aux conditions de température et de pression, par exemple telles que celles imposées dans une turbo machine. 30 Ce système de maintien peut avoir une configuration circulaire. L'invention concerne également un système de joint à brosse, comportant un joint à brosse et un système maintien du joint selon l'invention, tel que décrit ci-dessus. Selon une réalisation, une extrémité des poils du joint à brosse est en forme d'anneau et est entourée autour d'un noyau de section sensiblement circulaire. Une extrémité des poils du joint à brosse peut être maintenue par au moins une bague. L'invention concerne également un secteur angulaire de redresseur d'un compresseur de turbomachine comportant une virole externe et une virole interne disposées coaxialement l'une à l'autre, au moins une pale s'étendant radialement entre la virole externe et la virole interne et étant raccordée à celle-ci par ses extrémités, un arbre de rotor, au moins un joint à brosse et son système de maintien, tel que décrit ci-dessus, étant fixé à la virole interne, une première extrémité du joint étant en contact avec ledit arbre. Une deuxième extrémité du joint peut être disposée dans une rainure ou une gorge de ladite virole interne. L'invention concerne également un compresseur de turbomachine comprenant au moins un secteur angulaire de redresseur tel que décrit ci-dessus. BRÈVE DESCRIPTION DES DESSINS La figure 1A illustre très schématiquement un exemple de compresseur comportant un secteur de redresseur comportant un joint à brosse. Les figures 1B et 1C représentent un joint à brosse, maintenu entre une bague avant et une bague arrière. La figure 2 représente un joint à brosse, vu de face, maintenu par un système de bagues. La figure 3 représente une portion d'un joint à brosse et des moyens de fixation de ce joint. La figure 4 représente un joint à brosse, maintenu entre une bague avant et une bague arrière conformément à la présente invention. Les figures 5A et 5B représentent des modélisations d'écoulement avec une bague avant positionnée selon la figure 1B, et une bague avant positionnée selon l'invention. La figure 6 représente une autre application d'un joint à brosse, maintenu entre une bague avant et une bague arrière conformément à la présente invention. EXPOSÉ DÉTAILLÉ DE MODES DE RÉALISATION PARTICULIERS On a représenté en figure 1A un schéma partiel d'un compresseur de turbomachine illustrant un exemple de secteur de redresseur 10 auquel peut être appliquée l'invention. Sur cette figure, la turbo machine s'étend suivant un axe longitudinal X. Ce secteur de redresseur 10 comporte une virole externe (non représentée sur les figures mais située à l'extrémité externe de la pale P) et une virole interne S, disposées coaxialement l'une à l'intérieur de l'autre. De plus, le secteur de redresseur 10 comporte une pale P s'étendant radialement entre la virole externe et la virole interne S et raccordée à celles-ci par ses extrémités radiales. Le secteur de redresseur 10 est situé axialement entre une plateforme de rotor amont R2 et une plateforme de rotor aval R1, portant chacune une pale P. Les plateformes de rotor amont R2 et aval R1 sont par ailleurs reliées entre elles par l'arbre ou la virole V de rotor du compresseur. L'espace situé radialement entre l'extrémité radiale interne 6 de la virole interne de stator S et la virole V de rotor définit une cavité C de recirculation des gaz d'aval en amont de la virole interne S (les gaz circulant selon la flèche R positionnée entre l'extrémité 6 et la virole V) cette cavité étant appelée « cavité sous redresseur ». La virole interne S du secteur de redresseur 10 comporte ici au moins un joint à brosse formant un obstacle à la recirculation des gaz, d'aval en amont de la virole interne S. Plus précisément, ce joint est situé à l'extrémité radiale interne 6 de la virole interne S. D'autres joints 1, 2 peuvent être disposés, entre la virole interne S de stator et le rotor aval R1 et/ou le rotor amont R2. La figure 1B est une représentation plus détaillée du joint 3 et de son système de maintien. Elle peut également s'appliquer aux autres joints 1, 2. Un tel joint comporte des poils dont l'extrémité 30 est destinée à venir en contact avec l'une des deux pièces (ici : le rotor V) par rapport auxquelles elle va permettre de réaliser une étanchéité. Les poils sont par exemple en carbone, ou en un matériau céramique, ou encore en un matériau métallique. Une partie des soies s'étend de manière sensiblement rectiligne depuis l'extrémité 30. L'autre extrémité des poils est en forme d'anneau et est entourée autour d'un noyau 51 de section sensiblement circulaire. Cette autre extrémité des soies est maintenue par une première tôle emboutie 50, interne, et une deuxième tôle emboutie 52, dont la section est en forme de « C », l'ouverture du « C » permettant de laisser passer les portions d'extrémité 40, 60 de la bague interne qui se prolonge le long d'une partie de la portion rectiligne des soies. Ces portions d'extrémité 40, 60 prolongent une portion de la tôle emboutie 50, elle aussi en forme de C. L'ensemble est maintenu dans une rainure ou une gorge 53 de la virole interne S Dans une variante, illustrée en figure 1C, une extrémité de la nappe de poils est maintenue par un procédé mécanique, par exemple en étant soudée à la surface radiale interne 6 du stator. C'est notamment le cas lorsque les poils sont en un matériau métallique. Les bagues internes et externes peuvent être elle-même également soudées à la même surface. Les portions 40, 60 sont désignées, respectivement, par les expressions « bague avant » et « bague arrière ». Par « bague avant », il faut entendre la bague 40 située en amont par rapport au sens de recirculation des gaz, d'aval en amont de la virole correspondante, par exemple dans le sens de la flèche R pour la virole interne S de la figure 1A. Par « bague arrière », il faut entendre la bague 60 située en aval par rapport au sens de recirculation des gaz, d'aval en amont de la même virole. Le joint est donc maintenu entre la bague avant 40 et la bague arrière 60, l'expression « jeu de bague avant » désignant la distance d1 entre la surface 41 de la bague avant qui est la plus proche de la surface de la virole V du rotor. Le jeu de bague arrière désigne la distance d2 entre la surface 61 de la bague arrière qui est le plus proche de la surface de la virole V du rotor. La figure 2 représente une vue de face d'un tel joint et de son système de maintien. Le joint a ici une configuration circulaire, de même que son système de maintien. Les poils 3 apparaissent à la périphérie interne du système de maintien constitué par les bagues 50, 52. En fait, on voit ici la portion 60 de la bague interne et une partie de la bague 52. La figure 3 représente une vue en perspective d'une partie d'un tel joint et de son système de maintien. Des références numériques identiques à celles de figures précédentes y désignent des éléments identiques ou correspondants. Seule une partie des bagues interne et externe est représentée sur cette figure. On voit également, sur cette figure, une partie du noyau interne 51. Les inventeurs ont mis en évidence que l'un des paramètres les plus importants dans le dimensionnement du système de maintien d'un joint à brosse tel que présenté ci-dessus est le jeu de bague arrière d2. On cherche à réduire ce jeu de bague arrière au minimum. Toutefois pour ne pas coincer la nappe de soies 3 du joint entre le rotor V et la bague 60, et compte tenu des différentes excursions du rotor, ce jeu ne peut être inférieur à une certaine valeur, ce qui implique que la performance du joint est limitée par les déplacements radiaux par rapport à l'axe X de l'arbre ou de la virole V du rotor. Aujourd'hui, aucune solution n'existe pour passer outre cette limitation de jeu de bague arrière. Pour améliorer les performances du joint, il faudrait densifier la nappe 3 de soies ou la rigidifier. Mais ces solutions auraient pour effet d'augmenter le couple résistant du joint en cas de contact et accélèrent donc l'usure du joint. Un exemple de réalisation de l'invention, pour résoudre le problème du maintien d'un tel joint, est illustré en figure 4, sur laquelle on retrouve des références identiques à celle des figures précédentes pour désigner des mêmes éléments ou des éléments similaires, en particulier la nappe 3 de soies, positionnée entre la bague avant 40 et la bague arrière 60 (ces éléments ayant été déjà définis ci-dessus). Comme on le voit sur cette figure, le jeu de bague avant d1 est inférieur au jeu de bague arrière d2. L'adjectif « avant » désigne le jeu de bague qui est en amont par rapport au sens de recirculation des gaz R de la figure 1A, lorsqu'il traverse le joint et son système de maintien (comme indiqué par la flèche, sur la figure 4). d1 est de préférence sensiblement égal au diamètre maximum du rotor auquel on ajoute son excursion maximum, cette dernière étant fonction du moteur, mais en général étant inférieure à 1 mm. Ainsi, on limite le débit de l'air qui s'écoule entre la surface 41 et le rotor ou sa virole V et donc le débit d'air qui traverse le joint. Il en résulte une augmentation de la performance globale du joint 1, 2 ou 3. d2 peut être calculé comme étant égal à d1 augmentée au moins de l'épaisseur e de la nappe de poils suivant l'axe X. Les autres aspects d'un joint à brosse, décrits ci-dessus en liaison avec les figures 1A - 3 s'appliquent à la configuration qui vient d'être décrite ci-dessus et qui est illustrée en figure 4. On a représenté, sur les figures 5A et 5B, des modélisations de l'écoulement d'air dans le cas d'un joint à brosse maintenu selon la configuration de la figure 1B (figure 5A, le jeu de bague avant étant à même distance du rotor que le jeu de bague arrière) et dans le cas d'un joint à brosse maintenue conformément à l'invention (figure 5B, le jeu de bague avant étant à une distance du rotor qui est inférieure à la distance qui sépare le jeu de bague arrière du rotor), la référence V désignant la surface de l'arbre ou de la virole du rotor. En figure 5A, on a identifié les zones suivantes : - figure 5A : zones la - Va, la pression de l'air étant croissante de la à Va ; - figure 5B : zones lb - 111b, la pression de l'air étant, là encore, croissante de la à Ill b ; mais, cette fois, la pression dans l'espace entre les deux bagues 40, 60 est inférieure à celle modélisée dans le cas de la configuration précédente, pour le même espace entre les deux bagues (figure 5A). Comme on le voit sur la figure 5A, la pression d'air est suffisante pour que la nappe de poils ne soit plus en contact avec le rotor. L'extrémité 31 de la nappe est en effet soulevée par le flux d'air. Au contraire, en figure 5B, la nappe de poils reste en contact avec le rotor. L'extrémité 31 de la nappe n'est pas soulevée par le flux d'air. Les bagues pourront être réalisées en un matériau qui résiste aux conditions de température et de pression dans la turbo machine concernée. Par exemple, elles pourront être réalisées en un acier inoxydable, ou en aluminium. La présence d'un joint à brosse selon l'invention, dans la cavité sous redresseur, est compatible avec la présence d'une ou plusieurs léchettes et de la ou des surfaces abradables correspondantes. La description qui a été faite ci-dessus pour le joint 3 peut également s'appliquer à l'un ou l'autre des joints 1, 2, l'extrémité de chacun d'entre eux étant en effet en contact avec un rotor R1 ou R2. L'invention s'applique également à la réalisation d'un joint d'étanchéité apte à séparer une enceinte à huile d'un roulement et une enceinte à air d'une turbomachine. Une telle application est représentée de manière schématique en figure 6, sur laquelle la référence 71 désigne un arbre solidaire d'un manchon 74. Un roulement 73 est disposé entre ce manchon et un carter 72. Le manchon présente une surface tournante 78, et un 3 joint à brosse, muni de son ensemble de maintien 40, 60 selon l'invention permet d'assurer l'étanchéité entre l'enceinte à air 75 (côté haute pression) et l'enceinte à huile 76 (côté basse pression). Les bagues de maintien 40, 60, ainsi que le joint 3, peuvent être fixées selon un montage du type de la figure 1B ou 1C.25 REVENDICATIONS1. Système de maintien d'un joint à brosse (3), ce dernier étant destiné à être en contact avec l'arbre (V, 71) d'un rotor qui présente un diamètre maximum d et une excursion maximum, ce système comportant une bague avant (40) et une bague arrière (60) : - la bague avant ayant un diamètre tel qu'elle sera située, après positionnement du joint dans la turbomachine, à une distance d1 du rotor, cette distance étant dite jeu de bague avant, - la bague arrière ayant un diamètre tel qu'elle sera située, après positionnement du joint dans la turbomachine, à une distance d2 du rotor, cette distance étant dite jeu de bague arrière, le jeu de bague avant étant inférieur au jeu de bague arrière 2. Système de maintien d'un joint à brosse, selon la revendication 1, dans lequel le jeu de bague avant (d1) est égal, ou sensiblement égal, à la somme du diamètre maximum d de l'arbre du rotor et de son excursion maximum. 3. Système de maintien d'un joint selon l'une des revendications précédentes, dans lequel la bague avant (40) et la bague arrière (60) sont en un acier inoxydable ou en aluminium. 4. Système de maintien d'un joint selon l'une des revendications précédentes, ce système ayant une configuration circulaire. 5. Système de maintien d'un joint selon l'une des revendications précédentes, la distance d1 étant inférieure ou égale à 1 mm. 6. Système de joint à brosse, comportant un joint à brosse et un système maintien de ce joint selon l'une des revendications 1 à 5. 7. Système de joint à brosse selon la revendication précédente, dans lequel une extrémité des soies du joint à brosse est en forme d'anneau et est entourée autour d'un noyau (51) de section sensiblement circulaire. 8. Système de joint à brosse selon l'une des revendications 6 ou 7, dans lequel une extrémité des soies du joint à brosse est maintenue par au moins une bague (50, 52). 9. Secteur angulaire de redresseur d'un compresseur de turbomachine comportant une virole externe et une virole interne (S) disposées coaxialement l'une à l'autre, au moins une pale (P) s'étendant radialement entre la virole externe et la virole interne (S) et étant raccordée à celle-ci par ses extrémités, un arbre (V) de rotor, au moins un joint à brosse et son système de maintien, conformément à l'une des revendications 1 à 8, étant fixé à la virole interne, une première extrémité du joint étant en contact avec ledit arbre (V). 10. Secteur angulaire de redresseur d'un compresseur selon la revendication précédente, dans lequel une deuxième extrémité du joint est disposée dans une rainure ou une gorge (53) de ladite virole interne (S). 11. Compresseur de turbomachine comprenant au moins un secteur angulaire de redresseur selon l'une des revendications 9 à 10.