Brevet FR3011608A1 — publié le 20150410

JOINT A LABYRINTHE ET MACHINE TOURNANTE COMPRENANT UN TEL JOINT DESCRIPTION Le sujet de l'invention présente est un joint à labyrinthe ainsi qu'une machine tournante incorporant un tel joint et, par exemple mais sans exclure d'autres applications, une turbomachine comprenant deux lignes d'arbres coaxiales et concentriques, animées de vitesses de rotation différentes et pouvant être contrarotatives. Les joints à labyrinthe comprennent un premier élément muni de léchettes, c'est-à-dire de crêtes circulaires saillantes, et un second élément muni d'une surface d'étanchéité faisant face aux léchettes. Ils séparent le volume environnant en deux enceintes pouvant être soumises à des pressions différentes. Un petit jeu sépare la surface d'étanchéité de chacune des léchettes, qui autorise donc une fuite de gaz à débit réduit. Il est cependant souhaitable de réduire ces jeux autant que possible pour parfaire l'étanchéité entre les enceintes et éviter les pertes de pression, de lubrifiant et les échauffements indésirables, dans les applications où le gaz présent dans l'enceinte en surpression est soumis à une température élevée. Les pièces présentes dans l'enceinte à plus basse pression subissent alors une élévation de température pouvant réduire leur durée de vie, et l'huile ayant fui de l'enceinte en surpression, outre qu'elle doit être renouvelée, se dépose dans l'enceinte à plus basse pression, la salit et peut même se cokéfier. Or la réduction des jeux se heurte à certaines contraintes. Les machines tournantes sont soumises à des régimes transitoires et permanents très différents entre les démarrage à froid et divers régimes de croisière, pendant lesquels des dilatations thermiques différentielles peuvent apparaître entre les pièces porteuses des deux éléments constituant le joint, ce qui implique des variations considérables du jeu, qui peut même devenir négatif. Cet état correspondant à un serrage entre les éléments du joint tournant à des vitesses très différentes amènerait à la destruction du joint ou même de toute la machine. C'est pourquoi il est courant, pour obvier à cette situation, de fabriquer la surface d'étanchéité en face des léchettes en une matière abradable que les léchettes entaillent dès que ce jeu négatif apparaît. Cette usure de l'abradable a toutefois l'inconvénient de permettre des fuites accrues quand le jeu a repris une valeur normale. On est donc dissuadé de limiter le jeu en fonction de la valeur qu'il prendrait en régime stabilisé de croisière, à cause de ces états transitoires. Un jeu minimal doit aussi être accepté pour autoriser le montage du joint, et ce jeu détermine celui qui est atteint ensuite dans les régimes de croisière (permanents) de la machine. On a encore proposé un autre type de joints pour de telles machines tournantes : ils comprennent des pièces d'usure en carbone fixées à un des ensembles tournants et en contact frottant l'une sur l'autre. Les fuites entre les enceintes sont alors presque nulles, mais ces joints sont fragiles, coûteux, ont une usure rapide, et leur emploi devient impossible quand la différence entre les vitesses de rotation des deux ensembles tournants est excessive ou que les chariotages (mouvements axiaux entre les ensembles tournants, dus aux dilatations thermiques différentielles) sont importants. L'invention présente a pour sujet un joint à labyrinthe du genre décrit plus haut, mais apte à présenter des jeux plus réduits, au moins en régime stable de croisière, en fonctionnement à chaud, de la machine à laquelle il appartient. Sous une forme générale, ce joint est caractérisé en ce qu'un de ses éléments est mobile, assujetti à la pièce qui le porte par une interface conique de contact glissant ayant une conicité dirigée dans l'axe de rotation, formée d'une face conique de ladite pièce et d'une face conique, opposée au jeu, de l'élément mobile, et par un ressort maintenant ledit élément mobile contre l'interface conique par une poussée dans l'axe de rotation, et en ce que les éléments du joint ont des coefficients de dilatation thermique différents. L'élément mobile est donc un anneau libre dont la dilatation thermique est indépendante de celle de la pièce à laquelle il est assujetti, mais qui est maintenu en place sur l'interface conique par le ressort. Le matériau de l'anneau libre est choisi pour que son jeu avec l'autre élément diminue à mesure que la température de la machine augmente, à partir d'une valeur déterminée du jeu à froid, qui est nécessaire pour monter le joint, jusqu'à une valeur très faible à la température de fonctionnement. L'élément mobile peut être le second élément susmentionné, porteur de la surface d'étanchéité. Il peut entourer le premier élément, et il est alors construit en un matériau dont le coefficient de dilatation est inférieur à celui du premier élément, et à celui des deux pièces tournantes. Dans un mode particulier de réalisation, la surface d'étanchéité est formée par un liquide, et le second élément, qui entoure le premier élément, est concave et forme une baignoire faisant face au premier élément et recevant le liquide. Ce liquide remplace alors la matière abradable classique ; son avantage est de ne pas être soumis à de l'usure quand les léchettes sont amenées à y pénétrer dans des conditions de jeu négatif. Une surface d'étanchéité lisse et régulière se reforme dès que les léchettes ressortent du liquide, à une position invariable à condition de renouveler le liquide. L'invention concerne aussi une machine tournante comprenant des pièces en rotation relatives et le joint susmentionné. Cette machine peut être pourvue, dans le cas précédent où la surface d'étanchéité est constituée par un liquide, d'un circuit d'alimentation de ce liquide pour le renouveler ; il peut s'agir d'un circuit autonome ou, de façon peut-être meilleure, d'un circuit d'huile de lubrification d'un palier adjacent au joint et qui est soumis à une lubrification continue, ce circuit étant aménagé pour les besoins de l'invention. Dans certains modes de réalisation, le débit de liquide peut être exploité pour maintenir le second élément à une température déterminée, le liquide ayant alors aussi un rôle d'extraction de chaleur. Le maintien de la température du second élément à une valeur différente peut alors contribuer à la réduction des jeux en renforçant l'effet de la dilatation thermique différentielle du matériau du second élément. Selon certaines caractéristiques optionnelles, mais avantageuses : - le dispositif d'alimentation du liquide comprend un distributeur situé devant la baignoire, et ledit distributeur est avantageusement une extrémité libre ; - le circuit d'huile comprend une dérivation partielle de l'huile qui contourne l'extrémité libre et la cuvette et mène directement à la surface de récupération ; - l'élément mobile est construit en un matériau dont le coefficient de dilatation thermique est inférieur à 8.10-6/K, préférentiellement à 5.10-6/K dans la plage de températures de 0°C à 400°C, alors que d'autres pièces du joint, et en premier lieu celle à laquelle l'élément mobile est assujetti, ont un coefficient proche de 14.10-6/K dans cette plage de températures ; elles peuvent être en acier, aluminium et titane, alors que l'élément mobile peut être en céramique ; - le ressort peut consister en une rondelle conique ou en un empilement de rondelles coniques ; - ou la conicité peut avoir un demi-angle de cône d'au moins 3°, et ce demi-angle peut être supérieur à 10°, voire 15°; ce demi-angle sera le plus grand possible ; - la machine tournante comprend un second joint à labyrinthe comprenant un premier élément muni d'autres léchettes circulaires saillantes et un second élément muni d'une autre surface d'étanchéité faisant face auxdites autres léchettes, et les éléments du second joint sont assujettis de façon fixe aux pièces en rotation relative. D'autres caractéristiques, avantages et aspects de l'invention apparaîtront à la description détaillée de l'invention, qui sera maintenant faite à partir d'un certain nombre de modes de réalisation particuliers, non exclusifs d'autres, au moyen des figures suivantes : - la figure 1 illustre une conception traditionnelle de joint à labyrinthe ; - la figure 2 illustre une première réalisation de l'invention après montage; - la figure 3, le fonctionnement à chaud de la première réalisation ; - la figure 4, un second mode de réalisation ; - la figure 5, un troisième mode de réalisation ; - et la figure 6 est un diagramme illustrant l'effet de l'invention sur la réduction des fuites. La figure 1 représente un joint 1 à labyrinthe classique, disposé entre une ligne d'arbres interne 2, et une ligne d'arbres externe 3, coaxiale et concentrique à la précédente. Le joint 1 comprend un premier élément 4, formé de léchettes circulaires saillantes 5, et qui est assujetti à la ligne d'arbres interne 2, ici d'une pièce avec elle. Il comprend encore un second élément 6, en forme d'anneau assujetti rigidement à un support 7, qui fait partie de la ligne d'arbres externe 3, et qui comprend une surface d'étanchéité appartenant à une couche de matière abradable 8, qui fait face aux léchettes 5. L'étanchéité entre les lignes d'arbres 2 et 3 est renforcée par un second joint à labyrinthe 9, adjacent au précédent et de construction analogue à lui. Un jeu radial de 0,3 mm à froid doit subsister entre les éléments 4 et 6 des joints 1 et 9 pour permettre un montage correct, mais ce jeu subsiste dans les conditions de fonctionnement permanent et occasionne des fuites d'air, qu'on voudrait réduire, entre deux enceintes 10 et 11 séparées par les joints 1 et 9. Un premier mode de réalisation de l'invention sera maintenant décrit à l'aide de la Figure 2. Le joint 1 est remplacé par un autre joint 12 à labyrinthe. Le joint 12 comprend un premier élément 13, semblable à l'élément 4 de la réalisation connue, comprenant encore des léchettes 14, et assujetti à la ligne d'arbres interne 2 en étant d'une pièce avec elle. Il comprend encore un second élément 15 assujetti à la ligne d'arbres externe 3, et plus précisément au support 7, d'une façon originale. Ce second élément 15 consiste en un anneau libre 16 dont la face intérieure, tournée vers les léchettes 14, est creusée en baignoire 17, et dont la face opposée, extérieure, comporte une portion conique 18. La portion conique 18 est en appui sur une face de même conicité d'un anneau 19 fixé au support 7 en formant une interface conique. Le contact à l'interface conique est maintenu par un ressort 20, comprimé entre une lèvre 21 de la ligne d'arbres externe 3 et une extrémité de l'anneau libre 16 de façon à exercer une poussée axiale vers le sommet de l'interface conique. Le dispositif comprend encore un dispositif de circulation d'huile, adapté de dispositifs assurant le graissage continu d'un palier 22 adjacent au joint 12 : l'huile s'écoulant du palier 22 glisse vers le joint 12 sur une lèvre 21, et s'écoule dans la baignoire 17 par le distributeur formé par l'extrémité libre 23 en prolongement de la lèvre 21 qui surplombe la baignoire 17. L'huile emplit la baignoire 17 et en déborde pour s'écouler sur la surface du support 7 en passant autour de l'anneau libre 16 le long d'une surface de récupération du support 7. Des canaux sont creusés à travers l'anneau 19 pour qu'elle puisse le traverser, ces canaux étant noyés par un débit suffisant de l'huile, de façon à empêcher des fuites d'air. L'huile est ensuite récupérée et renvoyée dans l'enceinte contenant le palier 22. Ses mouvements sont assurés essentiellement par la combinaison des forces centrifuges et d'une inclinaison adaptée des surfaces sur lesquelles elle s'écoule. L'huile est centrifugée contre les parois de l'enceinte vers l'extérieur de la turbomachine. De façon connue, l'huile des différents éléments de l'enceinte est récupérée par une pompe non représentée ou par gravité, filtrée puis réinjectée. En haut régime, l'huile peut s'écouler du palier avec un débit important de plusieurs centaines de litre par heure. Une portion du débit de lubrification peut toutefois emprunter une dérivation, qui lui fait éviter l'anneau libre 16, en s'écoulant directement du palier 22 à la surface de récupération de l'huile appartenant au support 7, par des trous 35 traversant l'extrémité de lèvre 23. Le nombre et le diamètre de ces trous 35 permet de dimensionner correctement le débit d'huile à fournir au joint à labyrinthe. Alternativement, on peut ménager un gicleur sur la pièce 2 faisant face radialement à la baignoire 17. Ce gicleur peut être alimenté par un canal traversant la pièce 2. L'huile arrive plus froide sur la baignoire car elle n'a pas traversé le palier, ce qui favorise la faible dilatation de l'anneau libre 16. Avec un gicleur dédié ou en passant par le palier, l'huile participe au refroidissement du système. Le fonctionnement de ce mode de réalisation est le suivant. Les pièces sont soumises à des dilatations thermiques, à mesure que la machine tournante s'échauffe au cours de son fonctionnement. Or on a prévu de construire l'anneau libre 16 en un matériau tel que la céramique, dont le coefficient de dilatation thermique est plus faible que celui des autres pièces, typiquement en acier, en aluminium ou en titane. L'anneau libre est en un matériau avec un coefficient de dilatation thermique inférieur à 8.10-6/K, préférentiellement 5.10-6/K dans la plage thermique 0°C - 400°C. Il est par exemple choisi dans les céramiques techniques comme les carbures de silicium ou les nitrures de bore. Les métaux acier, aluminium et titane ont des coefficients de dilatation thermique proche de 14. 10-6/K dans la plage thermique considérée. C'est pourquoi l'anneau libre 16 se dilate moins que les autres pièces et que le jeu qu'il fait avec les léchettes 14 de l'autre élément 13 du joint 12 diminue, jusqu'à une valeur pouvant atteindre 0,1 mm en régime permanent. La dilatation de l'anneau libre 7 étant moins forte que celle du support 7 et de la bague 19, le ressort 20 pousse l'anneau libre 16 vers la gauche de la Figure et vers la bague 19 pour maintenir le contact glissant à l'interface conique et maintenir l'anneau libre 16 centré. L'huile affleurant à la bordure de la baignoire 17 forme une surface d'étanchéité 25, qui remplace celle de l'abradable et limite les fuites d'air, en coopération avec les léchettes 14. La surface d'étanchéité étant liquide, aucune détérioration du joint 12 ne se produit si les léchettes 14 plongent dans la surface d'étanchéité à certains régimes de la machine. L'huile peut exercer le rôle supplémentaire de limiter l'échauffement de l'anneau libre 16, et donc de réduire encore ses dilatations thermiques. Les trous 35, contribuant à limiter le débit d'huile passant par l'anneau libre 16, permettent toutefois, si nécessaire, de limiter le rafraîchissement qu'ils apportent. Le joint 9 précédent subsiste et permet d'assurer une étanchéité convenable, si le joint 12 de l'invention a des performances insuffisantes à certains moments du fonctionnement de la machine. Comme les éléments du joint 9 sont assujettis aux lignées d'arbres 2 et 3, leurs dilatations thermiques sont à peu près identiques, et le jeu traversant ce joint 9 est à peu près constant pendant le fonctionnement. Le fonctionnement du joint 12 est schématisé à la Figure 3, qui représente aussi son état final : la flèche 26 illustre la dilatation radiale du support 7; la flèche 27, le déplacement axial de l'anneau libre 16 sous l'effet de l'expansion relative de son logement 7; on a aussi représenté le ressort 20 à un état détendu. L'angle du cône sera le plus grand possible afin de limiter l'amplitude de déplacement axial et d'éviter le coincement lors de la contraction de son support. Le demi-angle du cône est par exemple d'au moins 3° et peut être supérieur à 100 voire 15° si l'encombrement du système le permet. Un faible déplacement axial permet avantageusement de simplifier la conception du ressort 20. Le mode de réalisation de la Figure 4 diffère du précédent en ce que l'élément 13, porteur des léchettes 14 du joint 12, est ici une pièce séparée de la ligne d'arbres interne 2. L'élément 13 se présente alors sous forme d'un anneau retenu sur la ligne d'arbres interne 2, entre une languette 28 circulaire, d'un côté et un joint d'arrêt 29 du côté opposé. L'assujettissement de l'élément 13 sur la ligne d'arbres interne 2 est en principe fixe puisque la languette 28 pénètre dans la ligne d'arbres interne 2, mais la disposition de l'invention permet pourtant de dissocier les dilatations thermiques de l'élément 13 et de la ligne d'arbres interne 2, soit en permettant des variations de température plus rapides de l'élément 13, quand il est exposé aux fuites de gaz chaud, mais que la ligne d'arbres interne 2, plus massive, est donc plus inerte et encore froide, soit en choisissant le matériau de l'élément 13 différent de celui de la ligne d'arbres interne 2, et ayant un coefficient de dilatation plus grand. Dans les deux cas, les dilatations thermiques de l'élément 13 sont plus grandes que celles des portions voisines de la ligne d'arbres interne 2 et contribuent donc à réduire encore le jeu à travers le joint 12, plutôt en régime transitoire dans le premier cas et en régime permanent dans le second cas. Et la réalisation de la Figure 5 montre que l'anneau libre 16 des réalisations précédentes peut être remplacé par un anneau libre 30 de forme analogue, mais dont la face intérieure est garnie d'une couche d'abradable 31, comme dans les réalisations antérieures. L'écoulement d'huile dans la baignoire 17 est alors supprimé, et le circuit de lubrification du palier 22 est conçu comme dans les conceptions connues ; il évite l'élément 30 et l'extrémité libre 23 est supprimée. Ce mode de réalisation fonctionne encore en exploitant une dilatation thermique différentielle de l'anneau libre 30, par rapport au support 7, sur une interface conique 32. Ici encore, un ressort, maintenant référencé par 33, est utilisé pour repousser l'anneau libre 30 axialement et maintenir le contact sur l'interface conique 32. Le ressort 33 peut consister en une rondelle conique ou en un empilement de rondelles coniques. La compression se fait entre l'anneau libre 30 et un joint 34 établi à la surface du support 7. Ainsi qu'il était signalé plus haut, un jeu radial nominal de 0,3 mm à froid doit être accepté dans les conceptions entre les éléments des joints à labyrinthe 1 et 9 classiques. Le débit d'air Q fuyant alors par les joints est donné par la courbe 37 de la Figure 6 en fonction de la différence de pression AP entre les deux côtés du joint (pour un labyrinthe à cinq léchettes de diamètre 113 mm, une température de 150°C et une pression aval de 0,9 bar) : elle est de 0,059 kg/s pour une différence de 3 bars. L'application de l'invention permet de réduire le jeu radial nominal à froid à 0,1 mm entre les éléments des joints à labyrinthe, et dans les mêmes conditions, le débit d'air de fuite est donné par la courbe 38 : on voit qu'il est de 0,016 kg/s pour la même différence de pression de 3 bars, soit 3,8 fois inférieur, ce qui illustre l'intérêt de l'invention. Un aspect de l'invention est ainsi un joint à labyrinthe entre deux pièces en rotation relative autour d'un axe de rotation, le joint à labyrinthe comprenant un premier élément muni de léchettes circulaires saillantes et un second élément muni d'une surface d'étanchéité faisant face aux léchettes, les éléments étant concentriques, séparés par un jeu et chacun assujettis à une pièce respective, caractérisé en ce qu'un des éléments est un élément mobile, qui est assujetti à la pièce par une interface conique de contact glissant ayant une conicité dirigée dans l'axe de rotation; formée d'une face conique de ladite pièce et d'une face conique, opposée au jeu, dudit élément mobile, et par un ressort maintenant ledit élément mobile contre l'interface conique par une poussée dans l'axe de rotation, et en ce que les éléments du joint ont des coefficients de dilatation thermique différents. Un autre aspect de l'invention est une machine tournante comprenant ces pièces en rotation relative et ce joint, où les deux pièces ont deux rotors appartenant à des lignes d'arbres animées de vitesses de rotation différentes, et le joint établit une ,étanchéité entre deux lignes d'arbres.30 REVENDICATIONS1) Joint à labyrinthe entre deux pièces (2, 3) en rotation relative autour d'un axe de rotation, le joint à labyrinthe comprenant un premier élément (13) muni de léchettes (14) circulaires saillantes et un second élément (16, 30) muni d'une surface d'étanchéité (17, 31) faisant face aux léchettes (14), les éléments étant concentriques, séparés par un jeu et chacun assujettis à une pièce (2, 3) respective, caractérisé en ce qu'un des éléments est un élément mobile, qui est assujetti à la pièce par une interface conique de contact glissant ayant une conicité dirigée dans l'axe de rotation, formée d'une face conique de ladite pièce et d'une face conique (18), opposée au jeu, dudit élément mobile, et par un ressort (20, 33) maintenant ledit élément mobile contre l'interface conique par une poussée dans l'axe de rotation, et en ce que les éléments du joint ont des coefficients de dilatation thermique différents. 2) Joint à labyrinthe suivant la revendication 1, caractérisé en ce que ledit élément mobile est le second élément (16, 30). 3) Joint à labyrinthe suivant la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que l'élément qui n'est pas l'élément mobile est distinct de la pièce à laquelle il est assujetti et rapporté à ladite pièce par un assemblage fixe (28, 29). 4) Joint à labyrinthe suivant l'une quelconque des revendications 2 à 3, caractérisé en ce que la surface d'étanchéité (26) est formée par un liquide, le second élément entourant le premier élément, et le second élément forme une baignoire (17) faisant face au premier élément et recevant le liquide. 5) Machine tournante, caractérisée en ce qu'elle comprend les pièces (2, 3) en rotation relative et le joint suivant l'une quelconque des revendications précédentes. 6) Machine tournante suivant les revendications 4 et 5, caractérisée en ce qu'elle comprend un dispositif d'alimentation du liquide comprenant un distributeur situé devant la baignoire, et ledit distributeur est avantageusement une extrémité libre (23). 7) Machine tournante suivant la revendication 6, caractérisée en ce qu'elle comprend un palier (22) adjacent au joint, le liquide est de l'huile de lubrification du palier, et le dispositif d'alimentation du liquide appartient à un circuit d'huile comprenant encore une surface de récupération de l'huile entourant le second élément. 8) Machine tournante suivant la revendication 7, caractérisée en ce que le circuit d'huile comprend une dérivation partielle de l'huile qui contourne l'extrémité libre et la cuvette et mène directement à la surface de récupération. 9) Machine tournante suivant l'une quelconque des revendications 6 à 8, caractérisée en ce qu'elle comprend un second joint à labyrinthe (9) comprenant un premier élément muni d'autres léchettes circulaires saillantes et un second élément muni d'une autre surface d'étanchéité faisant face auxdites autres léchettes, et les éléments du second joint sont assujettis de façon fixe aux pièces (2, 3) en rotation relative. 10) Machine tournante suivant l'une quelconque des revendications 6 à 9, caractérisée en ce que les deux pièces sont deux rotors appartenant à des lignes d'arbres animées de vitesses de rotation différentes, et le joint établit une étanchéité entre deux lignes d'arbres. 11) Machine tournante suivant l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce que le ressort consiste en une rondelle conique ou en un empilement de rondelles coniques.