Brevet FR3042552A1 — publié le 20170421

JOINT-LABYRINTHE D'ÉTANCHÉITÉ À DENTS GÉOMETRIQUEMENT OPTIMISÉES 1. Domaine technique de l'invention L'invention concerne un joint-labyrinthe d'étanchéité destiné à être agencé entre un rotor et stator d'une turbomachine. L'invention concerne également une turbomachine équipée d'un tel joint-labyrinthe d'étanchéité. 2. Arrière-plan technologique Les joints-labyrinthes sont des dispositifs d'étanchéité dynamique sans contact qui permettent d'étanchéifier des surfaces tout en permettant un mouvement relatif de ces surfaces. Un joint-labyrinthe connu destiné à être agencé entre un rotor et un stator d'une turbomachine comprend : une partie fixe comprenant un matériau de stator qui peut être un matériau abradable en fonction des caractéristiques propres du stator. Dans toute la description qui suit, nous considérons que le matériau du stator est un matériau adapté pour un comportement à la touche et est désigné par matériau abradable car s'usant préférentiellement au matériau du rotor agencé en vis-à-vis en cas de contact, des dents annulaires destinées à être portées par le rotor en regard du matériau abradable du stator et comprenant chacune une portion d'extrémité radiale configurée pour pouvoir pénétrer dans ledit matériau abradable en cas de touche entre ledit rotor et ledit stator. Ainsi, un tel joint-labyrinthe permet de réduire au maximum le jeu radial entre le rotor et le stator, ce qui permet d'améliorer le rendement de la turbine par exemple, tout en limitant l'usure du joint lors d'un contact entre les dents annulaires et le matériau abradable. En effet, lors d'un contact, les dents pénètrent dans le matériau et limitent ainsi la casse, la détérioration et l'usure prématurée des dents du joint-labyrinthe. 3042552 2 Les inventeurs ont remarqué que la pénétration des dents du joint-labyrinthe dans le matériau abradable agencé en regard génère à la fois des débris pulvérulents qui sont naturellement évacués et un film ductile et cohésif qui vient se loger dans le fond du sillon formé dans le matériau abradable par le passage des 5 dents. Ce film ductile est formé et alimenté par les particules d'abrasion non évacuées et piégées par l'extrémité de la dent. Au cours de l'interaction de la dent avec le matériau abradable, le film s'épaissit et génère des bourrelets de matière de part et d'autre du sillon formé dans le matériau par la dent. 10 Cette matière non évacuée peut perturber le flux d'air et limiter la pénétration de la dent dans le matériau lors d'un contact futur. En outre, ces débris de grande dimension peuvent entrainer des blocages moteurs à froid. Jusqu'à présent, les acteurs du domaine technique se sont essentiellement 15 concentrés sur le choix du bon matériau abradable en fonction des conditions visées d'utilisation, de température, d'érosion ou de touche. Cette solution présente néanmoins l'inconvénient de devoir définir un matériau abradable spécifique à chaque utilisation visée et aux performances recherchées. Or, les matériaux abradables ont des performances propres et leur 20 domaine d'utilisation n'est donc pas aussi large que nécessaire. Par exemple, les feutres métalliques présentent un bon comportement à la touche, mais leur résistance à l'érosion est faible. Le matériau abradable est donc en général déterminé de manière à optimiser un besoin spécifique au détriment d'autres comportements. 25 Les inventeurs ont donc cherché à proposer un nouveau type de joint- labyrinthe d'étanchéité permettant de pallier ces différents problèmes. 3. Objectifs de l'invention L'invention vise à pallier au moins certains des inconvénients des joints-labyrinthes d'étanchéité connus. 30 En particulier, l'invention vise aussi à fournir, dans au moins un mode de réalisation de l'invention, un joint-labyrinthe qui permet de limiter les efforts 3042552 3 durant la touche entre une dent et le matériau abradable. L'invention vise aussi à fournir, dans au moins un mode de réalisation, un joint-labyrinthe qui permet d'améliorer le comportement à la touche du joint-labyrinthe. 5 L'invention vise aussi à fournir, dans au moins un mode de réalisation de l'invention, un joint-labyrinthe qui permet de limiter la taille des débris lors du contact et donc de faciliter l'évacuation de ces débris. L'invention vise aussi à fournir, dans au moins un mode de réalisation, un joint-labyrinthe qui permet de limiter la formation de bourrelets de matière de part 10 et d'autre des sillons formés par les dents dans le matériau abradable lors d'un contact. L'invention vise aussi à fournir, dans au moins un mode de réalisation, un joint-labyrinthe qui permet d'utiliser à iso configuration un matériau abradable plus résistant à l'érosion. 15 L'invention vise aussi à fournir un turbomoteur équipé d'au moins un joint-labyrinthe d'étanchéité selon l'invention. 4. Exposé de l'invention Pour ce faire, l'invention concerne un joint-labyrinthe d'étanchéité destiné à être agencé entre deux pièces concentriques de révolution autour d'un axe de 20 rotation d'une turbomachine, dites respectivement rotor et stator, ledit joint- labyrinthe comprenant : un matériau de stator, dit matériau abradable, destiné à couvrir au moins une partie dudit stator en regard du rotor, des dents destinées à être portées par ledit rotor en regard dudit 25 matériau abradable dudit stator et comprenant chacune une portion d'extrémité radiale configurée pour pouvoir pénétrer dans ledit matériau abradable en cas de touche entre ledit rotor et ledit stator. Un joint-labyrinthe selon l'invention est caractérisé en ce que ladite portion d'extrémité radiale de chaque dent destinée à pénétrer dans ledit matériau 30 abradable en cas de touche comprend : - une paroi distale présentant une dimension axiale inférieure à la 3042552 4 dimension axiale maximale de la dent, - une paroi latérale reliée à ladite paroi distale et formant avec elle un angle prédéterminé. L'invention permet donc d'améliorer la pénétration de la portion 5 d'extrémité radiale dans le matériau abradable du fait de la dimension axiale réduite de la paroi distale de la portion d'extrémité radiale. En particulier, la portion d'extrémité radiale délimite la partie de la dent qui est susceptible de pénétrer dans le matériau abradable en cas de contact entre le rotor et le stator. La paroi distale est la partie de la dent pénétrant en premier dans le matériau 10 abradable en cas de touche. C'est donc la paroi distale qui délimite en premier le sillon formé par le déplacement de la dent dans le matériau abradable. En limitant la dimension axiale de la paroi distale de cette portion d'extrémité par rapport au reste de la dent, on améliore la pénétration de la dent dans le matériau. Cette amélioration de la pénétration est obtenue sans néanmoins modifier sensiblement 15 les performances d'étanchéité du joint-labyrinthe étant donné que seule la partie distale est concernée par une minimisation de sa dimension axiale. La géométrie particulière de la dent selon l'invention prévoit aussi une paroi latérale formant un angle prédéterminé avec la paroi distale. Cela permet d'incliner la paroi latérale de la dent par rapport à la paroi distale. En définissant 20 cette inclinaison, on peut donc limiter la participation de la paroi latérale à la touche. La géométrie particulière de portion d'extrémité radiale de la dent favorise, lors de la pénétration de la dent dans le matériau abradable, l'émission de débris de petites tailles, ce qui réduit les risques d'apparition d'agglomérats de matière. 25 L'amélioration du comportement à la touche et l'élimination des risques de faire apparaitre des agglomérats de matière, tels que des bourrelets, au voisinage du sillon formé par le déplacement de la dent dans le matériau abradable permet notamment de réduire le jeu radial prévu entre le rotor et le stator. Un joint-labyrinthe selon l'invention concourt donc à une amélioration des performances 30 des turbomachines sur lesquelles un tel joint est monté. Enfin, les efforts générés par la touche par une dent présentant une 3042552 5 géométrie optimisée sont sensiblement réduits par rapport aux efforts générés à la touche par une dent classique. Avantageusement et selon l'invention, la paroi distale s'étend parallèlement audit matériau abradable. 5 Avantageusement et selon l'invention, ledit angle prédéterminé séparant ladite paroi latérale de ladite paroi distale d'une dent est compris entre 90° et 101°. De manière encore plus avantageuse, l'angle est de 90°. En effet, une paroi verticale à 90° de la paroi distale favorise la pénétration de la dent dans le matériau en limitant la surface et les efforts qui s'opposent à la pénétration de la 10 dent dans le matériau. Plus la paroi latérale s'écarte d'un angle de 90° et plus la surface de contact lors de la pénétration de la dent dans le matériau est importante, et moins bonne est la pénétration. Avantageusement et selon l'invention, ladite dimension axiale de la dite paroi distale d'une dent est comprise entre 20 i.tm et 350 i.tm. 15 Les inventeurs ont déterminé par expérience que ces valeurs permettent d'obtenir des bons résultats de pénétration de la dent dans le matériau abradable, sans néanmoins dégrader de manière importante la résistance à l'érosion du système ni sa tenue mécanique. Avantageusement et selon l'invention, les dents sont des dents annulaires 20 portées par ledit rotor. L'invention concerne également une turbomachine comprenant un stator et un rotor concentriques en rotation l'un par rapport à l'autre autour d'un axe de rotation, caractérisée en ce qu'il comprend un joint-labyrinthe selon l'invention. Un turbomoteur selon l'invention peut présenter un jeu radial minimal 25 entre le rotor et le stator, ce améliore ses performances. L'invention concerne également un joint-labyrinthe et un turbomoteur caractérisés en combinaison par tout ou partie des caractéristiques mentionnées ci-dessus ou ci-après. 5. Liste des figures 30 D'autres buts, caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront à la lecture de la description suivante donnée à titre uniquement non limitatif et qui se 3042552 6 réfère aux figures annexées dans lesquelles : la figure 1 est une vue schématique en coupe d'un joint-labyrinthe monté entre un stator et un rotor d'une turbomachine, la figure 2 est une vue schématique partielle en perspective d'une 5 interaction entre une dent et un matériau abradable d'un joint- labyrinthe selon un mode de réalisation de l'invention. 6. Description détaillée d'un mode de réalisation de l'invention Sur la figure, les échelles et les proportions ne sont pas strictement respectées et ce, à des fins d'illustration et de clarté. 10 La figure 1 est une vue schématique en coupe d'un joint-labyrinthe monté entre un stator 10 et un rotor 11 d'une turbomachine. Le stator 10 et le rotor 11 sont concentriques de révolution autour d'un axe 12 de rotation. Le joint-labyrinthe comprend un matériau 6 abradable couvrant la paroi 15 interne du stator 10 en regard du rotor 11. Le joint-labyrinthe comprend également une pluralité de dents 8 annulaires portées par le rotor 11. Chaque dent 8 comprend une portion d'extrémité radiale 9 configurée pour pouvoir pénétrer dans le matériau 6 abradable en cas de touche entre le rotor 11 et le stator 10. 20 La figure 2 est une vue schématique partielle de l'interaction entre la portion d'extrémité radiale 9 d'une dent 8 et le matériau abradable 6. Selon l'invention, la portion d'extrémité radiale 9 comprend une paroi distale 21 présentant une dimension axiale dd inférieure à la dimension axiale maximale dm de la dent et une paroi latérale 22 formant avec la paroi distale 21 25 un angle a prédéterminé. En d'autres termes, la dent présente une extrémité dont la largeur est plus fine que le reste de la dent. De préférence, la dimension axiale dd de la paroi distale 21 est fixe et comprise entre 20 i.tm et 350 i.tm. Les inventeurs ont déterminé par expérience qu'une paroi distale dont la largeur est comprise dans cet intervalle de valeurs 30 permet un bon comportement à la touche sans néanmoins dégrader la résistance à l'érosion du joint, ni sa tenue mécanique. 3042552 7 L'angle a est compris entre 90° et 101°. De préférence, il est fixé à 90°. En effet, un angle de 90° limite l'effort de pénétration de la paroi latérale. L'invention s'applique à tous types de matériaux pour le matériau abradable et à tous types de matériaux pour la réalisation des dents. 5 Selon une variante de réalisation de l'invention, les dents du labyrinthe sont formées en acier inoxydable et le matériau de stator est de l'aluminium. Le rotor peut être de tous types selon les applications. Selon un mode de réalisation, les dents sont portées par les extrémités des aubes de rotor d'une turbine. 10 REVENDICATIONS1. Joint-labyrinthe d'étanchéité destiné à être agencé entre deux pièces concentriques de révolution autour d'un axe (12) de rotation d'une turbomachine, dites respectivement rotor (11) et stator (10), ledit joint-labyrinthe comprenant : un matériau de stator, dit matériau (6) abradable, destiné à couvrir au moins une partie dudit stator (10) en regard du rotor (11), des dents (8) destinées à être portées par ledit rotor (11) en regard dudit matériau (6) abradable dudit stator (10) et comprenant chacune une portion d'extrémité radiale (9) configurée pour pouvoir pénétrer dans ledit matériau (6) abradable en cas de touche entre ledit rotor (11) et ledit stator (10), caractérisé en ce que ladite portion d'extrémité radiale de chaque dent destinée à pénétrer dans ledit matériau abradable en cas de touche comprend : une paroi distale (21) présentant une dimension axiale (dd) inférieure à la dimension axiale maximale (dni) de la dent (8), une paroi latérale (22) reliée à ladite paroi distale (21) et formant avec elle un angle (a) prédéterminé. 2. Joint-labyrinthe selon la revendication 1, caractérisé en ce que ladite paroi distale (21) s'étend parallèlement audit matériau (6) abradable. 3. Joint-labyrinthe selon l'une des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce que ledit angle (a) prédéterminé séparant ladite paroi latérale (22) de ladite paroi distale (21) d'une dent (8) est compris entre 90° et 101°. Joint-labyrinthe selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que ladite dimension axiale (dd) de la dite paroi distale (21) d'une dent est comprise entre 20 jam et 350 i.trn. 5. Joint-labyrinthe selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que lesdites dents (8) sont des dents annulaires portées par ledit rotor (11). 6. Turbomachine comprenant un stator (10) et un rotor (11) concentriques en rotation l'un par rapport à l'autre autour d'un axe (12) de rotation, caractérisée en ce qu'elle comprend un joint-labyrinthe selon l'une des revendications 1 à 5 3042552 9 agencé entre ledit rotor (11) et ledit stator (10).