Brevet FR3029982A1 — publié le 20160617

JOINT ASSERVI A ETANCHEITE DOUBLE, AXIALE ET RADIALE DESCRIPTION Le sujet de l'invention présente est un joint axial asservi à étanchéité double, axiale (faciale) et radiale. Il appartient à la catégorie des joints à labyrinthe couramment utilisés dans de nombreux domaines techniques, entre autres les turbomachines, comme joints dynamiques entre un rotor et un stator, ou plus généralement deux pièces en mouvement relatif l'une devant l'autre. Ces joints peuvent être axiaux (entre des pièces en prolongement) ou radiaux (entre des pièces concentriques). Ils comprennent deux éléments d'étanchéité en regard, qui imposent aux écoulements de fluides un trajet sinueux et resserré entre eux, et qui est donc rendu difficile. Les éléments du joint ne sont normalement pas en contact, ce qui leur donne une durée d'utilisation très longue. Leur inconvénient est qu'un débit de fuite à travers eux est toléré, bien qu'on cherche à le diminuer autant que possible. Dans une configuration typique, les deux pièces en rotation relative ont des portées concentriques à l'emplacement du joint, et le joint comprend des crêtes saillantes, appelées léchettes, orientées radialement sur une des pièces, et une couche de matière abradable sur l'autre des pièces, en face des léchettes. Le jeu entre l'abradable et les léchettes peut être très réduit, puisque s'ils entrent en contact, celui-là est entamé par les léchettes, sans autre dommage sur les pièces. Cette usure de l'abradable est toutefois inévitable en pratique, à cause des balourds ou des dilatations thermiques différentielles auxquels les deux pièces sont exposées, ce qui implique toujours un accroissement du jeu au-delà des valeurs souhaitées et une augmentation corrélative du début de fuite. Si par exemple une différence de pression de 2 bars existe de part et d'autre du joint, avec un jeu radial nominal de 0,3 mm, un débit de fuite de 0,1 kg/s d'air peut être constaté. On observe toutefois que le jeu peut atteindre 0,8 mm en réalité après une usure de l'abradable, ce qui fait passer le débit de fuite à plus de 0,3 kg/s. 3029982 2 Une catégorie particulière des joints à labyrinthe est représentée par les joints asservis (un exemple est donné dans EP 1 306 591 A). Ils comprennent un corps mobile sur une des pièces, et dont le mouvement fait varier le jeu à travers le joint. Le mouvement dépend d'une résultante des forces de pression s'exerçant sur le corps 5 mobile. En effet, le corps mobile délimite un passage à labyrinthe comprenant une chambre intermédiaire aux deux enceintes séparées par le joint, où s'instaure une pression intermédiaire à celle des enceintes, au moyen de léchettes parallèles présentes sur le corps mobile ou sur la pièce en regard. Les mouvements du corps mobile modifient le resserrement procuré par le labyrinthe et la valeur de la pression dans la chambre 10 intermédiaire, qui tend vers la pression de l'enceinte à plus haute pression quand le passage est resserré, et vers la pression de l'enceinte à plus basse pression quand il est large. Comme le corps mobile possède des surfaces donnant sur chacune des enceintes et sur la chambre intermédiaire, il est possible de le concevoir de façon que la résultante des forces de pression du gaz s'annule pour une valeur déterminée de la pression de la 15 chambre intermédiaire, acquise à une position où le jeu entre les enceintes que le corps mobile laisse subsister est petit, et le débit de fluide faible. Cet équilibre est stable : un déplacement accidentel du corps mobile a pour conséquence de produire sur lui une résultante non nulle des forces de pression, qui le ramène à sa position d'équilibre. Le jeu est donc parfaitement maîtrisé. 20 Il faut toutefois se prémunir contre les contacts accidentels qui pourraient malgré tout advenir entre le corps mobile et la pièce en regard en cas de perturbation de l'équilibre, puisque l'usure, même faible, consécutive à de tels frottements pourrait altérer le fonctionnement futur du joint, dont l'équilibre est délicat. Si les joints asservis sont donc une conception prometteuse pour 25 réduire le débit de fuite à travers les labyrinthes, leur efficacité est rendue problématique par les difficultés de réglage, et par les risques de déréglages consécutifs à leur usure. Le sujet de l'invention est un joint d'étanchéité asservi peu ou pas sensible à ces inconvénients et qui devrait donc permettre un débit de fuite très faible pendant une longue durée de service, et avec une constitution simple du joint. 3029982 3 Sous une forme générale, l'invention se définit comme un joint d'étanchéité asservi, disposé entre une première pièce et une deuxième pièce en rotation relative autour d'un axe avec la première pièce, le joint comprenant un corps mobile annulaire, coulissant sur une portée de la première pièce, et des moyens d'étanchéité 5 distribués entre le corps mobile et la deuxième pièce, caractérisé en ce que les moyens d'étanchéité comprennent d'une part une surface circulaire plane normale à l'axe et une léchette circulaire orientée en direction de l'axe, et d'autre part une surface cylindrique orientée perpendiculairement à ladite direction de l'axe et une léchette circulaire orientée perpendiculairement à ladite direction de l'axe, les surfaces et les léchettes 10 délimitant une chambre entre deux enceintes pouvant être à des pressions différentes. On exerce donc l'étanchéité suivant deux directions : le labyrinthe comprend un joint en direction radiale, combiné à un joint facial (en direction axiale), qui fonctionne de la façon suivante : le joint radial assure une restriction continuelle du débit de fuite, en tolérant toutefois un jeu relativement important, afin d'éviter toute usure ; et 15 le joint facial restreint le débit de fuite en le rendant très faible, grâce à une position d'équilibre du corps mobile, qui correspond à une position où il est tangent à la léchette orientée axialement. Ainsi, l'usure du joint est normalement très réduite ou complètement évitée, et même si elle apparaît accidentellement, la dégradation des performances du joint sera très faible. 20 Un jeu relativement important étant toléré au joint radial, la surface cylindrique en regard de la léchette radiale peut être une surface continue et lisse, c'est-à-dire dépourvue d'abradable. Dans une conception possible, pour laquelle le fonctionnement ci-dessus est facilement obtenu, le corps mobile est exposé exclusivement à une pression 25 d'une des enceintes à un premier côté axial, et à une autre pression à un second côté axial opposé au premier côté axial, les côtés axiaux ayant des superficies sensiblement égales et le second côté axial comprenant une surface appartenant à ladite chambre ; et notamment si le corps mobile comprend une bague cylindrique coulissant sur la portée, une couronne plane, comprenant la surface circulaire plane, et un rebord cylindrique, comprenant la surface cylindrique, la couronne joignant la bague au rebord, le premier 3029982 4 côté axial et le second côté axial comprenant respectivement des faces opposées de la bague, de la couronne et du rebord, les faces opposées du rebord étant exposées à ladite pression d'une des enceintes, la chambre étant délimitée par les faces de la bague et de la couronne qui sont comprises dans le second côté axial. 5 D'autres aspects de l'invention sont une turbomachine comprenant un joint d'étanchéité asservi selon ce qui précède entre une enceinte à haute pression qui est une desdites enceintes, entourée par une veine d'écoulement de gaz, dans laquelle s'étendent des disques d'un rotor qui est la deuxième pièce, et qui est parcourue par un débit d'air de ventilation, et une enceinte centrale de la turbomachine, qui est une 10 enceinte à basse pression et l'autre desdites enceintes, et qui communique avec des cavités contenant au moins un. roulement ; ainsi qu'un aéronef comprenant cette turbomachine. Dans une conception particulière, le joint comprend des biellettes articulées par des rotules au corps coulissant et à la première pièce, afin d'éviter des arcs- 15 boutements consécutifs à des déséquilibres d'efforts dans la direction angulaire du corps. L'invention sera maintenant décrite dans ses différents aspects, caractéristiques et avantages, au moyen des figures suivantes : - la figure 1 illustre un joint à labyrinthe statique connu ; - les figures 2 à 4 illustrent quatre états de fonctionnement d'une 20 réalisation, donnée à titre illustratif, d'un joint asservi à labyrinthe conforme à l'invention ; - les figures 5 et 6 représentent un perfectionnement possible de ce mode de réalisation ; - et la figure 7 illustre un emploi de l'invention. 25 La figure 1 représente un joint à labyrinthe de genre classique, où un rotor 1 tourne autour d'un axe X-X de rotation dans un stator 2. Le rotor 1 et le stator 2 comprennent des portées concentriques entre lesquelles est logé un joint à labyrinthe 3, composé de léchettes 4 d'orientation radiale ou oblique sur une des portées et d'une couche d'abradable 5 en face des extrémités des léchettes 4 sur l'autre des portées. Le 30 stator 1 et le rotor 2 séparent une enceinte à haute pression 6 d'une enceinte à basse 3029982 5 pression 7, en tolérant un débit de fuite 8 à travers le joint à labyrinthe 3. La réduction de ce débit de fuite est souhaitée. Une description succincte d'un mode de réalisation de l'invention est entreprise au moyen de la figure 2. Le rotor porte désormais la référence 9, le stator la 5 référence 10, et ils s'étendent en face l'un de l'autre. Le stator 10 porte un corps mobile 11 en forme de piston annulaire, et il comprend une bague 12, glissant dans la direction de l'axe X-X sur une portée 13 du stator 10, une couronne 14 plane et circulaire et s'étendant devant l'extrémité du rotor 9, et un rebord 15 cylindrique entourant l'extrémité du rotor 9. La couronne 14 peut porter une butée 16, qui empêche le corps 10 mobile 11 d'être rétracté complètement sur le stator 10 en s'éloignant du rotor 9. Un segment d'étanchéité 17 est disposé dans une gorge du stator 10 et en contact avec la bague 12 pour établir une étanchéité avec elle. Le rotor 9 porte un élément d'étanchéité 18 annulaire, qui comprend une léchette radiale 19, entourée par le rebord 15 et séparée d'une face interne 20 (surface cylindrique s'étendant en direction de l'axe X-X) de celui-ci 15 par un jeu modéré, et une léchette axiale 21, dirigée vers une face antérieure 22 (surface circulaire plane normale à l'axe X-X) de la couronne 14. La léchette radiale 19 sépare l'enceinte à haute pression, maintenant 23, d'une chambre intermédiaire 24 contenue entre le corps mobile 11 et l'élément d'étanchéité 18, et la léchette axiale 21 sépare la chambre intermédiaire 24 de l'enceinte à basse pression, maintenant 25. Contrairement à 20 certains joints asservis, la couronne 14 n'est pas traversée par un perçage, et la chambre intermédiaire 24 communique aux enceintes 23 et 25 seulement par le joint radial et le joint axial respectivement formés par les léchettes 19 et 21. Contrairement aux léchettes habituelles, qui font face à de la matière abradable et ont une arête fine (0,5 à 1 mm de largeur) pour l'entailler facilement, la léchette axiale 21 est large (avec une arête de 2 à 3 25 mm de largeur par exemple à une extrémité proche de la face antérieure 22) pour exercer seulement une pression modérée sur la face antérieur 22 en cas de contact, en évitant si possible de l'endommager. Le fonctionnement de l'invention est le suivant. A partir de la position de repos statique, où le corps mobile 11 peut être rétracté sur le stator 10, la butée 16 30 étant en appui sur lui, la mise en marche de la machine contenant le rotor 9 produit une 3029982 6 élévation de pression différentielle dans les enceintes 23 et 25 et un déséquilibre du corps mobile (figure 3) : la chambre intermédiaire 24 étant largement ouverte sur l'enceinte à basse pression 25, la basse pression y règne aussi, alors que la haute pression s'exerce sur le reste du corps mobile 11. Plus en détail, la basse pression produit une 5 force dirigée vers le stator 10 sur les surfaces de la bague 12 et de la couronne 14 donnant sur la chambre intermédiaire 24, alors que les surfaces opposées et de même superficie de ces deux constituants du corps mobile 11 sont exposés à la haute pression et subissent une force plus importante, et que les surfaces opposées axialement du rebord 15, de superficies sensiblement égales, sont toutes deux exposées à la haute 10 pression et donc à des forces égales et opposées : un côté axial du corps mobile 11 étant soumis exclusivement à la haute pression, et le côté axial opposé, de superficie sensiblement égale, à une autre pression moyenne (en général, quand des différences de pression existent), il apparaît sur le corps mobile 11 une résultante axiale d'effort qui le déplace vers le stator 9. Cela est exprimé par les flèches de la figure 3, dont les grandes 15 représentent la haute pression, et les petites la basse pression. Quand la léchette axiale 21 est tangente à la face antérieure 22 de la couronne 14 (figure 4), la communication entre la chambre intermédiaire 24 et l'enceinte à basse pression 25 est toutefois interrompue, alors que le jeu à travers le joint radial, entre la léchette radiale 19 et la face interne 20, est resté le même. La chambre intermédiaire 24 est alors soumise à l'influence 20 de l'enceinte à haute pression 23 et prend sa pression. On remarque que la résultante d'effort sur le corps mobile 11 est théoriquement nulle, d'autant mieux que l'extrémité de la léchette axiale 21 est à un rayon, mesuré à l'axe X-X, identique à celui de la portée 13. Le jeu entre la léchette axiale 21 et la surface antérieure 22 est alors extrêmement faible et laisse passer un débit de fuite très réduit. Cette situation est indépendante des 25 mouvements relatifs du rotor 9 et du stator 10 : s'ils se rapprochent l'un de l'autre, à la suite de dilatations thermiques par exemple, la léchette axiale 21 pousse le corps mobile 11 vers le stator 10, en exerçant seulement une force réduite, correspondant à sa résistance au glissement sur la portée 13. Si par contre le rotor 9 s'éloigne du stator 10, le corps mobile 11 reste libre de le suivre dès que le déséquilibre de pression apparaissant à 30 l'ouverture de la chambre intermédiaire 24 suffit à vaincre sa résistance au glissement. La 3029982 7 résistance étant faible en pratique, on évitera aussi bien une usure importante de la face antérieure 22 par la léchette axiale 21 qu'une ouverture excessive, conduisant un débit de fuite accru de la chambre intermédiaire 24. L'usure de la face antérieure 22 qui pourra tout de même se produire ne sera pas préjudiciable à la qualité de l'étanchéité, une 5 position d'équilibre voisine à celle de l'état neuf étant encore obtenue, avec un débit de fuite peu différent. Il est aussi à noter que l'abradable entre la léchette radiale 19 et la face interne 20 devient inutile, le jeu modéré entre elles étant suffisant pour éviter tout risque de contact accidentel et n'étant pas critique sur le débit de fuite obtenu. Ce fonctionnement favorable est plus facilement obtenu en pratique si 10 le rayon de la face interne 20 est proche de 110 % du rayon intérieur de la chambre intermédiaire 24, délimité par la léchette axiale 21, pour obtenir une résultante de forces quasiment nulle en fonctionnement, une faible résultante dirigeant le corps mobile 11 vers la fermeture du joint étant tolérée ou recherchée en raison de la résistance au glissement sur la portée 13 que le corps mobile 11 doit vaincre pour se déplacer et 15 assurer sa fonction. Une variation autour de cette valeur (110 % + 2 % à 3 %) pourra être appliquée pour arriver à ce résultat. Dans un exemple effectivement envisagé, où la haute pression est à 5 bars, la basse pression à 3 bars, les rayons de la portée 13 et de l'extrémité de la léchette radiale 21 à 200 mm et le rayon de la face interne 20 à 220 mm, on a constaté 20 que pour un jeu radial de 1 mm et une résistance au glissement de 10 daN pour le corps mobile 11, un jeu facial de 0,12 mm environ sera obtenu entre la léchette axiale 21 et la face antérieure 22, avec un débit de fuite de 0,065 kg/s. Dans les mêmes conditions, le débit de fuite du joint de la figure 1 serait de 0,1 kg/s avec un jeu radial de 0,3 mm, correspondant à l'état neuf du joint, et pourrait monter jusqu'à 0,3 kg/s avec un jeu radial 25 de 0,8 mm, correspondant à une forte usure ; un jeu radial un peu plus important est donc accepté sans préjudice dans l'invention, pour éviter tout risque de contact en l'absence d'abradable. Des performances encore meilleures peuvent encore évidemment être attendues pour le débit de fuite, si la résistance au glissement du corps mobile 11 est plus petite. 3029982 8 Un perfectionnement est représenté sur les figures 5 et 6. Des arcs-boutements du corps mobile 11 peuvent être craints en cas de déséquilibre de la répartition des forces sur le pourtour. Il est possible d'y remédier au moyen de biellettes 26, au nombre de trois par exemple, réparties sur le pourtour et articulées au stator 10 et 5 à la bague 12 par des articulations à rotule 27 et 28. Cette liaison permet de maintenir le corps mobile 11 bien coaxial à l'axe X-X. La figure 6 montre la disposition oblique des biellettes 26 sur la circonférence. Les déplacements axiaux du corps mobile 11 sont couplés à un mouvement angulaire, qui n'affecte pas le fonctionnement de l'invention. Le sens d'inclinaison des biellettes 26 en direction angulaire et vers le rotor 9 est choisi dans 10 son sens de rotation Y, afin qu'un contact de la léchette axiale 21 produise une force de frottement sur le corps mobile 11 qui accroisse l'inclinaison des biellettes 26, et favorise donc la rétraction du corps mobile 11. Les biellettes 26 pourraient avoir encore une inclinaison radiale, les articulations 27 étant à des rayons différents des articulations 28. La figure 7 illustre une application concrète du joint. Il est présent dans 15 une turbine à basse pression d'une turbomachine entre une enceinte à haute pression et une enceinte à basse pression 4, entourées par une veine d'écoulement 30, où des étages circulaires d'aubes fixes 31 et d'aubes mobiles 32 alternent. Les aubes mobiles 32 sont montées sur des disques 33, qui s'étendent vers l'axe X-X de la machine. Les disques 33 solidaires du rotor 9 sont contenus dans une cavité du rotor 9 qui coïncide avec l'enceinte 20 à haute pression 23. Les parois de l'enceinte à haute pression 23 sont constituées du rotor 9 et du stator 10, et il existe des fuites entre ces deux pièces tournant l'une par rapport à l'autre. Un débit d'air de ventilation, prélevé des compresseurs de la turbomachine, circule à travers l'enceinte à haute pression 23 à une pression supérieure à celle de la veine d'écoulement 30 pour limiter les fuites de l'air de ladite veine 25 d'écoulement 30 vers la cavité de l'enceinte à haute pression 23. Cet air sert également à la ventilation des disques 33 pour les rafraîchir, ainsi que les aubes fixes 31. L'enceinte à basse pression 25 est une enceinte centrale, qui communique avec l'enceinte à haute pression 23 et est entourée par elle, à l'intersection entre le stator 10 et le rotor 9. Elle communique aussi avec des cavités centrales, proches de l'axe X-X et contenant des 30 roulements 35, qui doivent être lubrifiés, soutenant un arbre de rotor 36 par une nervure 3029982 9 37 du stator 1. Le joint à labyrinthe conforme à l'invention est donc disposé à ladite intersection au concours de deux nervures 38 et 39 du stator 10 et du rotor 9. Le joint à labyrinthe contribue à isoler les cavités centrales contenant les roulements 35 pour confiner l'huile de lubrification, afin d'éviter qu'elle ne parvienne à la veine d'écoulement 5 30 à haute température, où elle produirait des incendies. L'utilisation d'un joint à labyrinthe conforme à l'invention se justifie par la volonté de conserver le plus grand débit possible de l'enceinte à haute pression 3 pour la ventilation des disques 33. REVENDICATIONS1) Joint d'étanchéité asservi, disposé entre une première pièce (10) et une deuxième pièce (9), en rotation relative autour d'un axe (X-X) avec la première pièce, le joint comprenant un corps mobile (11) annulaire (18, 19, 21 ; 20, 22) coulissant sur une portée (13) de la première pièce (10), et des moyens d'étanchéité distribués entre le corps mobile et la deuxième pièce (9), caractérisé en ce que les moyens d'étanchéité comprennent d'une part une surface circulaire plane (22), normale à l'axe (X-X) et une léchette circulaire (21) orientée en direction de l'axe, et d'autre part une surface cylindrique (20) s'étendant selon l'axe (X-X) et une léchette circulaire (19) orientée perpendiculairement à ladite direction de l'axe, les surfaces et les léchettes délimitant une chambre (24) entre deux enceintes (23, 25) pouvant être à des pressions différentes. 2) Joint d'étanchéité asservi selon la revendication 1, caractérisé en ce que la surface cylindrique (20) est une surface continue et lisse. 3) Joint d'étanchéité asservi selon l'une quelconque des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce que la léchette circulaire (21) orientée dans ladite direction de l'axe a une extrémité située à un même rayon, mesuré à l'axe, que ladite portée sur laquelle le corps annulaire coulisse. 4) Joint d'étanchéité asservi selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce qu'il comprend des biellettes (26) articulées par des rotules (27) au corps mobile (11) et à la première pièce (10). 5) Joint d'étanchéité asservi selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce qu'il comprend un segment d'étanchéité (17) entre le corps mobile (11) et la portée (13) de la première pièce (10). 6) Joint d'étanchéité asservi selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que la léchette circulaire (21) orientée en direction de l'axe a une largeur de 2 à 3 mm à une arête d'extrémité proche de la surface circulaire plane (22). 7) Joint d'étanchéité asservi selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que le corps mobile (11) est exposé exclusivement à une pression d'une des enceintes à un premier côté axial, et à une autre pression à un second côté 3029982 11 axial opposé au premier côté axial, les côtés axiaux ayant des superficies sensiblement égales et le second côté axial comprenant une surface appartenant à ladite chambre. 8) Joint d'étanchéité asservi selon la revendication 7, caractérisé en ce que le corps mobile (11) comprend une bague (12) cylindrique coulissant sur la portée 5 (13), une couronne (14) plane, comprenant la surface circulaire plane (22), et un rebord (15) cylindrique, comprenant la surface cylindrique (20), la couronne (14) joignant la bague (22) au rebord (15), le premier côté axial et le second côté axial comprenant respectivement des faces opposées de la bague, de la couronne et du rebord, les faces opposées du rebord étant exposées à ladite pression d'une des enceintes, la chambre 10 (24) étant délimitée par les faces de la bague et de la couronne qui sont comprises dans le second côté axial. 9) Joint d'étanchéité asservi selon l'une quelconque des revendications 1 à 8, caractérisé en ce que la chambre s'étend entre un rayon de la portée (13) et la surface cylindrique (20), qui est à un rayon de 110 % + 3 % du rayon de la portée. 15 10) Turbomachine, caractérisée en ce qu'elle comprend un joint d'étanchéité asservi selon l'une quelconque des revendications précédentes entre une enceinte à haute pression (23) qui est une desdites enceintes (23, 25), entourée par une veine d'écoulement (30) de gaz, dans laquelle s'étendent des disques (33) d'un rotor qui est la deuxième pièce (9), et qui est parcourue par un débit d'air de ventilation, et une 20 enceinte (25) centrale de la turbomachine, qui est une enceinte à basse pression et l'autre desdites enceintes (23, 25), et qui communique avec des cavités contenant au moins un roulement (35).