Brevet FR3033381A1 — publié le 20160909

DOMAINE DE L'INVENTION Le présent exposé concerne un joint dynamique, du type à bague flottante, bénéficiant d'une flottabilité importante de sorte à suivre de manière fiable les déplacements d'un rotor. Un tel joint peut être utilisé au sein d'une machine tournante, notamment une turbopompe de moteur fusée ou un turboréacteur d'avion, pour ne citer que ces exemples. ETAT DE LA TECHNIQUE ANTERIEURE Plusieurs types d'étanchéités peuvent être rencontrés dans les turbomachines en fonction de la situation, du type d'organe concerné et du but recherché. Parmi ces dernières, il est fréquent d'utiliser des étanchéités dynamiques à bagues flottantes dans le but de réduire les fuites dans les circuits secondaires. En particulier, lorsqu'une turbomachine comprend deux circulations de fluides distincts qui ne doivent pas se rencontrer, tels deux ergols dans une turbopompe de moteur-fusée, il est connu d'utiliser une paires de telles bagues flottantes avec une injection de fluide neutre, tel de l'hélium, entre ces deux bagues pour interdire toute fuite de l'une des circulations d'ergol vers la circulation de l'autre ergol. Ces bagues flottantes ont l'avantage de suivre les mouvements d'excursion radiale des arbres sur lesquelles elles sont montées grâce à des phénomènes de portance hydrostatique, du type effet Lomakin notamment, et hydrodynamique, du fait de la rotation de l'arbre. Ces phénomènes de portance assurent ainsi une flottabilité de la bague qui se recentre automatiquement autour de l'arbre qui la porte. Dès lors, le risque de contact entre l'arbre et la bague est réduit, ce qui permet de réduire le jeu séparant la bague de l'arbre et donc de réduire le débit de fuite de cette étanchéité. On comprend ainsi que plus la portance de la bague est importante, plus sa flottabilité et son recentrage autour de l'arbre sont améliorés, ce qui permet de réduire d'autant plus le jeu séparant la bague de l'arbre et donc de réduire encore le débit de fuite. Une solution connue pour augmenter cette portance est de fournir au jeu séparant la bague de l'arbre un profil décroissant en direction de l'aval, la surface interne de la bague étant alors tronconique. Ceci entraine 3033381 2 en effet une chute de pression plus importante et concentrée plus particulièrement sur l'aval de la bague, ce qui conduit à une portance plus importante. Une solution analogue consiste à prévoir une ou plusieurs marches sur la surface interne de la bague pour réduire une nouvelle fois 5 le jeu en direction de l'aval. Toutefois, en raison de ce jeu réduit en aval, on augmente le risque de contact avec le rotor avec une usure prématurée de cette conicité et donc une dégradation rapide de la flottabilité de la bague en usage. En outre, de tels profils de bague sont difficiles à usiner et augmentent 10 nécessairement les coûts de fabrication ; ces bagues nécessitent également un contrôle plus attentif lors du montage avec la mise en place de détrompeurs pour éviter un montage à contresens de la bague. Il existe donc un réel besoin pour un joint, du type à bague flottante, bénéficiant d'une flottabilité importante et qui soit dépourvu, au 15 moins en partie, des inconvénients inhérents aux configurations connues précitées. PRESENTATION DE L'INVENTION Le présent exposé concerne un joint, du type à bague flottante, 20 comprenant une bague annulaire présentant une face interne comprenant une surface interne annulaire, une face externe et des faces latérales amont et aval ; la bague est munie de canaux d'injection connectant fluidiquement sa face externe, sa face latérale amont ou sa face latérale aval (15) avec sa surface interne annulaire. 25 Dans le présent exposé, les termes « axial », « radial », « circonférentiel », « intérieur », « extérieur » et leurs dérivés sont définis par rapport à l'axe principal de l'ensemble rotatif ; on entend par « plan axial » un plan passant par l'axe principal de l'ensemble rotatif et par « plan radial » un plan perpendiculaire à cet axe principal ; enfin, les 30 termes « amont » et « aval » sont définis par rapport à la circulation du fluide au niveau du joint. Grâce à une telle bague munie de canaux d'injection, un surplus de fluide peut être apporté directement au niveau de la surface interne de la bague, c'est-à-dire dans l'interstice séparant l'arbre, ou plus généralement 35 une portion cylindrique tournante du rotor, de la bague. Dès lors, ceci permet d'amener une pression d'alimentation, supérieure ou égale à la 303 3 3 8 1 3 pression en amont de la bague, dans le film mince de fluide présent dans l'interstice et donc d'augmenter le niveau moyen de pression dans l'ensemble de l'interstice sans augmenter pour autant de manière importante le débit de fuite. Cette pression accrue augmente alors la 5 portance s'exerçant sur la bague, améliorant ainsi sa flottabilité, ainsi que la raideur du film d'huile, assurant ainsi un suivi plus rapide des déplacements de l'arbre par la bague et réduisant donc le risque de contact même en cas de déplacements brusques de l'arbre. Un tel joint bénéficie ainsi d'une portance et d'une raideur accrue, 10 ce qui réduit le risque de contact et donc accroit sa fiabilité. Si cela est souhaité, cette configuration permet également de réduire encore un peu le jeu séparant la bague du rotor pour réduire encore le débit de fuite à risque de contact égal. La géométrie de la bague peut alors rester simple, ce qui facilite 15 son usinage et son montage. En particulier, l'usinage de simples canaux dans la bague est facile à réaliser. Les risques d'usure différentielle sont également réduits, ce qui assure une constance de la fiabilité du joint. En outre, ces canaux d'injections peuvent être utilisés soit pour injecter le même fluide que celui arrivant en amont de la bague, soit pour 20 injecter un second fluide dans l'interstice, par exemple un fluide neutre non réactif, afin de former une barrière empêchant toute fuite du fluide circulant entre le rotor et le stator. Dans certains modes de réalisation, les canaux d'injection connectent fluidiquement la face externe de la bague avec sa surface 25 interne. De tels canaux, pouvant ainsi être rectilignes, sont plus faciles à mettre en place. Dans certains modes de réalisation, au moins un canal d'injection débouche sur la surface interne de la bague à une distance de la face latérale amont comprise entre 25% et 50% de la longueur axiale de la 30 surface interne. De préférence, tous les canaux d'injection sont configurés de cette manière. Rapprocher le canal d'injection de l'aval permet d'augmenter la raideur et la portance obtenues ; en revanche, ceci augmente également le débit de fuite du joint. Dès lors, les inventeurs ont déterminé que cette plage de valeur permettait de réaliser un bon 35 compromis entre gain en raideur et limitation du débit de fuite : ainsi, dans cette plage de valeur, la raideur est doublée par rapport à une bague 3033381 4 sans canaux d'injection et l'augmentation du débit de fuite est inférieure à 20%. Dans certains modes de réalisation, la surface interne est sensiblement cylindrique. Autrement dit, le diamètre de la surface interne 5 est constant sur toute sa longueur axiale : la surface interne ne possède donc pas de portion tronconique et ne présente pas de marche ou de tronçons convergents. L'usinage de la surface interne de la bague est donc particulièrement facile. En outre, on évite une usure prématurée de la portion étroite de la bague. 10 Dans certains modes de réalisation, au moins un canal d'injection s'étend radialement au sein de la bague. Un tel canal radial est particulièrement facile à usiner. Dans certains modes de réalisation, au moins un canal d'injection est incliné circonférentiellement par rapport à un plan axial de la bague 15 passant par le canal d'injection. Le surplus de fluide est ainsi injecté avec une certaine inclinaison circonférentielle au sein de l'interstice : en fonction de l'inclinaison des canaux par rapport au sens de rotation du rotor, ceci peut renforcer ou au contraire atténuer, annuler voire inverser la circulation circonférentielle de fluide au sein de l'interstice et donc jouer 20 sur la portance hydrodynamique de la bague. Elle est de préférence dirigée dans le sens inverse du sens de rotation du rotor afin d'augmenter la raideur croisée et de favoriser la stabilité tangentielle de l'arbre. Dans certains modes de réalisation, cette inclinaison est comprise entre 5 et 60° en valeur absolue. 25 Dans certains modes de réalisation, au moins un canal d'injection est incliné axialement par rapport à un plan radial de la bague. Le surplus de fluide est ainsi injecté avec une certaine inclinaison axiale au sein de l'interstice : en fonction de l'inclinaison des canaux, ceci peut accélérer ou au contraire freiner la circulation axiale de fluide au sein de l'interstice et 30 donc jouer sur la pression dans le film mince et sur la portance ainsi que sur le débit de fuite. Elle est de préférence dirigée vers l'amont afin de freiner la circulation axiale au sein du film mince et donc d'augmenter la portance hydrodynamique et de réduire le débit de fuite. Dans certains modes de réalisation, cette inclinaison est comprise 35 entre 5 et 60° en valeur absolue. 3 03 3 3 8 1 5 Dans certains modes de réalisation, les canaux d'injections sont régulièrement répartis autour de l'axe de la bague. On assure ainsi une injection sensiblement uniforme, ou tout au moins barycentrique, au sein de l'interstice, ce qui assure l'équilibrage des pressions et donc l'auto- 5 centrage de la bague autour du rotor. Dans certains modes de réalisation, la bague est munie de 3 à 30canaux selon la taille de la bague. Dans certains modes de réalisation, la bague présente sur sa face latérale aval et/ou sur sa face latérale amont une saillie annulaire. Une 10 telle bague, prévue pour être plaquée contre une paroi du stator, permet de réduire voire d'annuler le débit de contournement de la bague. Dans certains modes de réalisation, le joint comprend en outre au moins un pion anti-rotation faisant saillie sur la face externe ou une face latérale de la bague. Ce pion anti-rotation, pouvant faire partie intégrante 15 de la bague ou bien être rapporté sur cette dernière, est configuré pour être reçu dans une encoche du stator afin de bloquer la rotation de la bague. Ceci permet d'éviter des mouvements circonférentiels parasites de la bague. Le présent exposé concerne également un ensemble rotatif, 20 comprenant un rotor comportant une portion tournante cylindrique, un stator comportant un logement de joint, et un joint selon l'un quelconque des modes de réalisation précédents disposé autour de ladite portion tournante et engagé dans ledit logement de joint. Dans certains modes de réalisation, le logement de joint est muni 25 d'au moins un orifice d'admission de fluide. Cet orifice permet d'alimenter le logement de joint, et donc les canaux d'injections de la bague, avec un fluide dont la pression est différente de celle du fluide présent en amont du joint. On peut ainsi injecter dans le film mince présent dans l'interstice entre la portion tournante cylindrique et la bague du joint du fluide à plus 30 haute pression et donc augmenter la portance au-delà de ce qui serait possible avec le fluide présent en amont du joint. Dans certains modes de réalisation, cet orifice est prévu sur la paroi externe du logement de joint, sensiblement en face ou à distance, des canaux d'injection de la bague. 35 Dans certains modes de réalisation, le logement de joint est une cavité annulaire possédant un profil sensiblement en U. La bague est ainsi 303 3 3 8 1 6 bloquée dans le logement de joint. Cela permet également le réduire le débit de contournement de la bague. Dans certains modes de réalisation, la longueur axiale de la cavité est supérieure à la longueur axiale de la bague du joint. On entend ici 5 qu'un espace supérieur à l'épaisseur d'un simple jeu est prévu entre la face amont de la bague et la paroi amont de la cavité. Ceci permet une circulation de fluide depuis l'amont du joint, le long de la face amont de la bague, afin d'alimenter les canaux d'injection de la bague. Dans certains modes de réalisation, la longueur axiale de la cavité 10 est sensiblement égale à la longueur axiale de la bague du joint. On entend ici que la bague est montée à jeu dans le logement de joint ; autrement dit, l'espace séparant la face amont de la bague de la paroi amont de la cavité est réduit à un simple jeu, de préférence d'au plus 1mm. 15 Dans certains modes de réalisation, l'ensemble rotatif est une turbopompe, adaptée notamment au pompage d'ergol cryogénique. Le présent exposé concerne également un moteur-fusée comprenant un ensemble rotatif selon l'une quelconque des modes de réalisation précédents. 20 Les caractéristiques et avantages précités, ainsi que d'autres, apparaîtront à la lecture de la description détaillée qui suit, d'exemples de réalisation du joint et de l'ensemble rotatif proposés. Cette description détaillée fait référence aux dessins annexés. 25 BREVE DESCRIPTION DES DESSINS Les dessins annexés sont schématiques et visent avant tout à illustrer les principes de l'invention. Sur ces dessins, d'une figure (FIG) à l'autre, des éléments (ou parties d'élément) identiques sont repérés par les mêmes signes de 30 référence. En outre, des éléments (ou parties d'élément) appartenant à des exemples de réalisation différents mais ayant une fonction analogue sont repérés sur les figures par des références numériques incrémentées de 100, 200, etc. La FIG 1 est une vue en coupe axiale d'un premier exemple de joint 35 selon l'invention. 303 3 3 8 1 7 La FIG 2 est une vue en coupe radiale selon le plan II-II de la FIG 1. La FIG 3 est une vue en coupe axiale d'un deuxième exemple de joint. 5 La FIG 4 est une vue en coupe axiale d'un troisième exemple de réalisation de joint. La FIG 5 est une vue en coupe radiale d'un quatrième exemple de réalisation de joint. 10 DESCRIPTION DETAILLEE D'EXEMPLE(S) DE REALISATION Afin de rendre plus concrète l'invention, des exemples de joints sont décrits en détail ci-après, en référence aux dessins annexés. Il est rappelé que l'invention ne se limite pas à ces exemples. La FIG 1 représente une zone d'une turbopompe de moteur-fusée 15 dans laquelle est prévu un joint 1 assurant une étanchéité entre l'arbre 2 du rotor de la turbopompe et le stator 3 de la turbopompe. Cette vue est représentée en coupe selon un plan passant par l'axe principal A-A de la turbopompe. Un fluide, en l'espèce un ergol liquide, s'écoule entre l'arbre 2 et le stator 3 d'amont en aval, c'est-à-dire de la gauche vers la droite de 20 la FIG 1. Le joint 1 comprend une bague annulaire 10 entourant l'arbre 2. Cette bague 10 possède une surface interne 11, cylindrique de révolution de diamètre sensiblement constant (on admet une tolérance de 10pm sur la cylindricité), et une surface externe 12, cylindrique dans le cas présent. 25 La face latérale amont 13 de la bague 10 présente une saillie annulaire 14 prévue le long de la surface interne 11. La face latérale aval 15 de la bague 10 présente elle aussi une saillie annulaire 16 prévue le long de sa surface interne 11. Selon les exemples, l'une et/ou l'autre de ces saillies annulaires 14, 16 peuvent présenter des chanfreins ou des congés sur 30 leurs bords. Ainsi, la bague 10 possède en coupe axiale un profil en T avec une surface interne 11 continue,: cette surface interne 11 possède un diamètre très peu supérieur au diamètre de l'arbre 2 afin de laisser un jeu inférieur à 1 mm dans l'interstice 29 séparant la surface interne 11 de la bague 10 et la surface de l'arbre 2. 35 En outre, la bague 10 comprend des alésages 19 formant canaux d'injection. Dans cet exemple, ces derniers sont prévus dans un plan radial 3033381 8 et débouchent au niveau de la surface interne 11 à une distance Lc de la face amont 13 (mesurée orthogonalement à cette dernière), en l'occurrence de la surface frontale 14a de la saillie annulaire amont 14 : cette distance Lc est comprise entre 25 et 50% de la longueur axiale total 5 Lb de la bague 10. Dans cet exemple, comme cela est représenté sur la FIG 2, la bague 10 comprend douze canaux 19, radiaux et régulièrement espacés autour de l'axe central B-B de la bague, qui coïncide en conditions normales et en moyenne temporelle avec l'axe principal A-A de la turbopompe : ainsi, dans cet exemple, les canaux 19 sont espacés de 30° 10 chacun. Cette bague 10 est logée dans une rainure ou cavité annulaire 20 du stator 3 formant logement de joint. Cette cavité fluide annulaire 20 possède en coupe axiale un profil en U avec une paroi externe 21 cylindrique, une paroi latérale amont 22 radiale et une paroi latérale aval 15 23 également radiale. La longueur axiale Ls de la cavité 20 est supérieure à la longueur axiale Lb de la bague 10, c'est-à-dire que lorsque la bague 10 est plaquée contre la paroi aval 23 de la cavité, un passage 28 de largeur supérieure à 5 mm est laissé entre la surface frontale 14a de la saillie annulaire amont 14 et la paroi amont 22 de la cavité 20. 20 Le fonctionnement du joint 1 va maintenant être décrit en référence à la FIG 1. Lors du fonctionnement de la turbopompe, l'arbre 2 tourne à grande vitesse par rapport au stator 3 : il entraine ainsi un rouet permettant de pomper un ergol destiné à l'alimentation du moteur-fusée. Une partie de cet ergol est admis dans l'espace séparant le rotor du stator 25 afin notamment de lubrifier les paliers de l'arbre. Ce fluide est donc présent en amont 31 du joint 1. Une première part de ce fluide s'introduit alors dans l'interstice 29 séparant la bague 10 de l'arbre 11 formant ainsi une première circulation de fluide 32 sous la forme d'un film mince. Une autre part de ce fluide 30 passe alors dans le passage 28 en amont de la bague 10 et forme ainsi une seconde circulation 33 de contournement. En raison de la perte de charge causée par la section de passage étroite de l'interstice 29, la pression de fluide en amont de la bague 10 est plus forte qu'en aval de telle sorte que la bague 10 est plaquée contre la paroi aval 23 de la cavité 35 et donc que le fluide est bloqué au niveau de la saillie annulaire aval 16 et ne peut ainsi contourner complètement la bague 10 : le seul débit de fuite 303 3 3 8 1 9 concédé par ce joint 1 provient donc du film mince s'échappant de l'interstice 29. Toutefois, la deuxième circulation 33 remplit la cavité 20 du stator et aboutit à l'injection 34 d'un surplus de fluide dans l'interstice 29 via les 5 canaux d'injection 19, rehaussant ainsi la pression régnant dans l'interstice 29. Dès lors, grâce à ce film mince de fluide présent dans l'interstice 29, dont la pression est ainsi rehaussée, des forces de portance hydrostatique et hydrodynamique s'exercent sur la bague 10 pour la 10 recentrer automatiquement autour de l'arbre 2, lui permettant ainsi de suivre ce dernier en cas d'excursions radiales de l'arbre 2. La FIG 3 représente, en coupe selon l'axe principal A-A de la turbopompe, un deuxième exemple de joint 101 selon l'invention. Dans ce deuxième exemple, la bague 110 est tout à fait identique à la bague 10 du 15 premier exemple. La cavité 120 du stator 103 présente quant à elle quelques différences. Tout d'abord, la longueur axiale Ls de la cavité 120 est ici sensiblement égale à la longueur axiale Lb de la bague 110 : plus précisément, la différence de longueur entre la longueur Ls de la cavité 20 120 et la longueur Lb de la bague 110 correspond au plus à un jeu de faible épaisseur permettant la mise en place de la bague 110 au sein de la cavité 120. En particulier, lorsque la bague 110 est plaquée contre la paroi aval 123 de la cavité 120, seul un jeu 128 inférieur à 1 mm sépare la surface frontale 114a de la saillie annulaire amont 114 de la paroi amont 25 122 de la cavité 120 de telle sorte que le débit de contournement du fluide est négligeable dans ce jeu 128. La cavité 120 possède en outre un orifice d'admission de fluide 127 permettant d'injecter dans la cavité 120 un second fluide 135 : ce second fluide peut être le même fluide que le premier fluide présent en amont 30 131 du joint 101 ou bien un autre fluide. Dans le présent exemple, il peut s'agir du même ergol circulant dans la turbopompe ou bien d'un fluide neutre, tel de l'hélium liquide, permettant de refouler l'ergol vers l'amont et donc d'empêcher tout risque de fuite d'ergol vers l'aval. Quel que soit le second fluide 135 utilisé, il est admis dans la cavité 120 avec une pression 35 de préférence supérieure à celle du premier fluide 131 présent en amont. 303 3 3 8 1 10 Dès lors, le second fluide s'écoule dans les canaux d'injection 119 de la bague 110 et vient rehausser la pression dans le film mince présent dans l'interstice 129 séparant la bague 110 de l'arbre 102, ce qui augmente la portance et donc la flottabilité de la bague 110 autour de 5 l'arbre 102. La FIG 4 représente, en coupe selon l'axe principal A-A de la turbopompe, un troisième exemple de joint 201 selon l'invention. Ce troisième exemple est représenté ici comme une variante de réalisation du premier exemple ; toutefois, il va de soi qu'il est également compatible 10 avec le deuxième exemple. Dans ce troisième exemple, le joint 201 est tout à fait analogue au joint 1 du premier exemple si ce n'est que les canaux d'injection 219 de sa bague 210 ne sont plus radiaux mais inclinés axialement. Ainsi, dans le présent exemple, les canaux 219 forment un angle À d'environ 15° avec 15 tout plan radial passant par les canaux 219. La FIG 5 représente, en coupe radiale, un quatrième exemple de joint 301 selon l'invention. Ce quatrième exemple est compatible avec chacun des exemples précédents. Dans ce quatrième exemple, le joint 301 est tout à fait analogue au 20 joint 1 du premier exemple si ce n'est que les canaux d'injection 319 de sa bague 310 ne sont plus radiaux mais inclinés circonférentiellement. Ainsi, dans le présent exemple, les canaux 319 forment chacun un angle p d'environ 35° avec le plan radial passant par l'embouchure du canal 319 au niveau de la surface interne 311 de la bague 310. 25 Les modes ou exemples de réalisation décrits dans le présent exposé sont donnés à titre illustratif et non limitatif, une personne du métier pouvant facilement, au vu de cet exposé, modifier ces modes ou exemples de réalisation, ou en envisager d'autres, tout en restant dans la portée de l'invention. 30 De plus, les différentes caractéristiques de ces modes ou exemples de réalisation peuvent être utilisées seules ou être combinées entre elles. Lorsqu'elles sont combinées, ces caractéristiques peuvent l'être comme décrit ci-dessus ou différemment, l'invention ne se limitant pas aux combinaisons spécifiques décrites dans le présent exposé. En particulier, 35 sauf précision contraire, une caractéristique décrite en relation avec un REVENDICATIONS1. Joint, du type à bague flottante, comprenant une bague annulaire (10) présentant une face interne comprenant une surface interne annulaire (11), une face externe (12) et des faces latérales amont (13) et aval (15), caractérisé en ce que la bague (10) est munie de canaux d'injection 10 (19) connectant fluidiquement sa face externe (12), sa face latérale amont (13) ou sa face latérale aval (15) avec sa surface interne (11). 2. Joint selon la revendication 1, dans lequel les canaux d'injection (19) connectent fluidiquement la face externe (12) de la bague (10) avec 15 sa surface interne (11). 3. Joint selon la revendication 1 ou 2, dans lequel au moins un canal d'injection (19) débouche sur la surface interne (11) de la bague (10) à une distance (Lc) de la face latérale amont (13) comprise entre 20 25% et 50% de la longueur axiale (Lb) de la surface interne (11). 4. Joint selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, dans lequel la surface interne (11) est sensiblement cylindrique. 25 5. Joint selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, dans lequel au moins un canal d'injection (19) est incliné circonférentiellement par rapport à un plan axial de la bague (10) passant par le canal d'injection (19). 30 6. Joint selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, dans lequel au moins un canal d'injection (19) est incliné axialement par rapport à un plan radial de la bague (10) 7. Ensemble rotatif, comprenant 35 un rotor comportant une portion tournante cylindrique (2), un stator (3) comportant un logement de joint (20), et 3033381 13 un joint (1) selon l'une quelconque des revendications précédentes disposé autour de ladite portion tournante (2) et engagé dans ledit logement de joint (20). 5 8. Ensemble rotatif selon la revendication 7, dans lequel le logement de joint (120) est muni d'au moins un orifice d'admission de fluide (127). 9. Ensemble rotatif selon la revendication 7 ou 8, dans lequel le logement de joint est une cavité annulaire (20) possédant un profil sensiblement en U, et dans lequel la longueur axiale (Ls) de la cavité (20) est supérieure à la longueur axiale (Lb) de la bague (10) du joint. 10. Ensemble rotatif selon l'une quelconque des revendications 7 à 9, dans lequel le logement de joint est une cavité annulaire (120) possédant un profil sensiblement en U, et dans lequel la longueur axiale (Ls) de la cavité (120) est sensiblement égale à la longueur axiale (Lb) de la bague (120) du joint. 11. Moteur-fusée, comprenant un ensemble rotatif selon l'une quelconque des revendications 7 à 10.