Brevet FR3055353A1 — publié le 20180302

ENSEMBLE FORMANT JOINT D'ÉTANCHÉITÉ À LABYRINTHE POUR UNE TURBOMACHINE COMPORTANT UN ABRADABLE ET DES LÉCHETTES INCLINÉS DESCRIPTION DOMAINE TECHNIQUE La présente invention se rapporte au domaine des turbomachines, et plus particulièrement au domaine général des systèmes d'étanchéité de type joints d'étanchéité à labyrinthe destinés à assurer l'étanchéité entre deux éléments d'une turbomachine en rotation l'un par rapport à l'autre. Elle concerne plus précisément un ensemble formant joint d'étanchéité à labyrinthe pour une turbomachine, ainsi que le compresseur et la turbomachine comportant un tel ensemble. L'invention s'applique à tout type de turbomachines terrestres ou aéronautiques, et notamment aux turbomachines d'aéronef telles que les turboréacteurs et les turbopropulseurs. Plus préférentiellement, l'invention peut s'appliquer à un turboréacteur double corps et double flux. ÉTAT DE LA TECHNIQUE ANTÉRIEURE Dans le domaine des turbomachines, il existe différents types de systèmes d'étanchéité pour assurer l'étanchéité entre deux parties de la turbomachine. Une telle étanchéité est par exemple requise sous un redresseur de compresseur de turbomachine. En effet, la perméabilité des cavités sous redresseurs, c'est-à-dire leur capacité à éviter une trop forte recirculation de l'air sous un redresseur, impacte au premier ordre les performances du compresseur. Or, la difficulté pour assurer un bon niveau d'étanchéité est liée au fait que les deux parties de la turbomachine, en particulier le rotor et le carter pour le cas du redresseur, se déplacent indépendamment l'un de l'autre avec des déformations mécaniques et thermiques relativement importantes lors d'un fonctionnement classique du moteur, laissant donc apparaître un jeu et un débit de fuite en fonctionnement. La même problématique se retrouve également pour le cas des distributeurs de turbine de turbomachine ou encore en sommet de roues mobiles. 3055353 2 Parmi les systèmes d'étanchéité connus, on distingue tout particulièrement les systèmes d'étanchéité « sans contact » de type joints d'étanchéité à labyrinthe, qui se caractérisent par une absence de contact entre les parties de la turbomachine, sauf le cas échéant lors d'événements particuliers comme des niveaux de balourd importants ou des 5 manoeuvres sévères de la turbomachine. Les joints d'étanchéité à labyrinthe sont en effet classiquement utilisés sur les turbomachines et en général positionnés en pieds de redresseur. Un joint d'étanchéité à labyrinthe comprend classiquement une partie tournante à léchettes, ou ailettes, avec un alésage statique recouvert d'une garniture en 10 matériau abradable ou une structure en nid d'abeilles capable de résister à des températures élevées. Au démarrage de la turbomachine, les léchettes du joint d'étanchéité à labyrinthe frottent légèrement contre la garniture en matériau abradable, mordant dans cette dernière, ce qui aboutit à un écartement minimum. Ce jeu varie au cours des 15 différents cycles de vol, selon la dilatation des pièces et la souplesse naturelle des parties mobiles. Les léchettes permettent d'assurer les étanchéités aérodynamiques entre des enceintes d'air sous des pressions différentes. Elles sont en général situées sur la partie rotor en vis-à-vis de parties statoriques recouvertes de la garniture en matériau 20 abradable. Elles sont constituées principalement de « lames » de forme annulaire, continues ou segmentées en direction circonférentielle, pouvant être dirigées radialement vers l'intérieur ou vers l'extérieur. En particulier, lorsqu'elles présentent une forme continue, les léchettes sont susceptibles d'entrer en contact avec le stator dans certaines configurations de 25 fonctionnement. Pour éviter leur destruction dans ces situations, on équipe les stators de revêtements permettant l'interface et qui sont dénommés « abradables ». Dans ce cas, les séquences usuelles de pénétration des léchettes dans les abradables consistent en une coupe radiale associée à un déplacement axial (« chariotage »). Au cours de ces dernières années, des améliorations ont été apportées aux joints d'étanchéité à labyrinthe et des concepts différents sont apparus, comme celui des 3055353 3 joints d'étanchéité à labyrinthe comprenant des léchettes inclinées et des matériaux abradables étagés, comme enseigné par exemple dans les demandes de brevet français FR 2 930 593 Al et FR 2 977 274 Al. Avantageusement, ce concept permet de réduire significativement la perméabilité. 5 La demande de brevet américain US 2009/0067997 Al a par ailleurs proposé un système avec un abradable en nid d'abeilles étagé dont les parois latérales sont parallèles aux léchettes. Cette amélioration permet d'obtenir une réduction supplémentaire de la perméabilité, et donc une amélioration du rendement de la turbomachine. 10 Néanmoins, ce système présente un inconvénient majeur dans la mesure où, lors d'un déplacement axial du rotor ou du carter, le contact entre abradable et léchettes peut avoir lieu. Dans ce cas, la surface de contact est très importante du fait du parallélisme des deux surfaces en contact. La puissance générée, proportionnelle à la surface de contact, est donc d'autant plus importante. 15 Les risques pour le moteur sont alors de deux types. D'une part, l'obtention d'un fort échauffement de l'air dans les cavités sous redresseur qui peut venir endommager les léchettes, la virole du rotor ou le redresseur, et provoquer l'apparition de microfissures, voire de criques. D'autre part, l'apparition d'un phénomène de divergence thermique : sous l'effet de l'augmentation de la température, le rotor se dilate 20 fortement et pénètre plus profondément dans l'abradable augmentant la surface de contact et propageant le phénomène jusqu'à l'usure complète de celui-ci. Le phénomène peut d'ailleurs se propager aux autres étages du compresseur jusqu'à destruction complète du module. EXPOSÉ DE L'INVENTION 25 L'invention a ainsi pour but de remédier au moins partiellement aux besoins mentionnés ci-dessus et aux inconvénients relatifs aux réalisations de l'art antérieur. En particulier, l'invention vise à proposer un système de joint d'étanchéité à labyrinthe qui permette à la fois de conserver les gains liés à des parois d'abradable 3055353 4 inclinées mais qui évite le risque d'échauffement trop important lors d'un contact entre léchettes et abradable. L'invention a ainsi pour objet, selon l'un de ses aspects, un ensemble formant joint d'étanchéité à labyrinthe pour une turbomachine, servant à assurer l'étanchéité 5 entre deux éléments de la turbomachine en rotation l'un par rapport à l'autre, notamment entre un rotor et un stator de la turbomachine ou entre deux rotors de la turbomachine, ayant notamment des vitesses de rotation différentes, et étant de révolution autour d'un axe de l'ensemble formant joint d'étanchéité, comportant : - au moins un matériau abradable, annulaire autour de l'axe de l'ensemble 10 formant joint d'étanchéité à labyrinthe, destiné à être porté par l'un des deux éléments de la turbomachine en rotation l'un par rapport à l'autre, ledit au moins un matériau abradable étant dit « étagé », sa surface intérieure définissant, en section axiale, une forme d'escalier avec une alternance de marches et de contremarches, - une pluralité de léchettes, annulaires autour de l'axe de l'ensemble formant 15 joint d'étanchéité à labyrinthe, s'étendant radialement en direction de la surface intérieure dudit au moins un matériau abradable, destinées à être portées par l'autre des deux éléments de la turbomachine en rotation l'un par rapport à l'autre, les léchettes comportant chacune, au moins en partie, une paroi latérale amont au moins partiellement en vis-à-vis d'une paroi latérale aval dudit au moins un matériau abradable 20 formant une contremarche en vis-à-vis de la léchette correspondante, caractérisé en ce que, par observation en section axiale, la tangente au sommet de la paroi latérale amont d'au moins une léchette et la droite passant par la paroi latérale aval dudit au moins un matériau abradable, en vis-à-vis de ladite au moins une léchette, sont sécantes, 25 l'angle entre ladite tangente et ladite droite étant strictement compris entre 5 et 15°. L'ensemble formant le joint d'étanchéité à labyrinthe selon l'invention peut en outre comporter l'une ou plusieurs des caractéristiques suivantes prises isolément ou suivant toutes combinaisons techniques possibles. Ladite tangente et l'axe de l'ensemble formant joint d'étanchéité à labyrinthe 30 peuvent avantageusement former ensemble un angle strictement inférieur à 90°. De 3055353 5 même, ladite droite et l'axe de l'ensemble formant joint d'étanchéité à labyrinthe peuvent avantageusement former ensemble un angle strictement inférieur à 90°. Selon un premier concept de l'invention, ladite tangente et l'axe de l'ensemble formant joint d'étanchéité à labyrinthe peuvent former ensemble un angle 5 strictement supérieur à l'angle formé par ladite droite et l'axe de l'ensemble formant joint d'étanchéité à labyrinthe. Dans ce cas, la paroi latérale aval dudit au moins un matériau abradable est plus inclinée que la paroi latérale amont de la léchette. Selon un deuxième concept de l'invention, ladite tangente et l'axe de l'ensemble formant joint d'étanchéité à labyrinthe peuvent former ensemble un angle 10 strictement inférieur à l'angle formé par ladite droite et l'axe de l'ensemble formant joint d'étanchéité à labyrinthe. Dans ce cas, la paroi latérale aval dudit au moins un matériau abradable est moins inclinée que la paroi latérale amont de la léchette. Au moins deux léchettes, notamment toutes les léchettes, comportant une paroi latérale amont au moins partiellement en vis-à-vis d'une paroi latérale aval dudit au 15 moins un matériau abradable peuvent être telles que, par observation en section axiale, la tangente au sommet de la paroi latérale amont et la droite passant par la paroi latérale aval dudit au moins un matériau abradable, en vis-à-vis de la léchette correspondante, sont sécantes, l'angle entre ladite tangente et ladite droite étant strictement compris entre 5 et 15°. 20 Ledit au moins un matériau abradable peut être lisse. En particulier, ledit au moins un matériau abradable est avantageusement de très faible rugosité. Il est tout particulièrement différent d'un matériau abradable en nid d'abeilles. L'angle a, p entre ladite tangente et ladite droite peut tout particulièrement satisfaire à la relation suivante : 25 a ou 13 = arctan (Padn, / (n x rx K x V2), dans laquelle : a ou p désigne l'angle entre ladite tangente et ladite droite, Padn, correspond à la puissance dégagée limite admissible par la turbomachine lors d'un contact entre la léchette et ledit au moins un matériau abradable, 30 r correspond au rayon au niveau dudit contact, 3055353 6 n est la constante de Pi, K est un paramètre empirique intégrant les propriétés des matériaux de la léchette et dudit au moins un matériau abradable, V correspond à la vitesse de déplacement axial de la partie portant les léchettes 5 relativement à la partie portant ledit au moins un matériau abradable. De préférence, les léchettes sont espacées axialement de façon régulière. De plus, les léchettes sont préférentiellement de formes identiques. L'invention a également pour objet, selon un autre de ses aspects, un compresseur de turbomachine, notamment un compresseur haute pression, caractérisé 10 en ce qu'il comporte un ensemble formant joint d'étanchéité tel que défini précédemment. L'invention a par ailleurs pour objet, selon un autre de ses aspects, une turbomachine, caractérisée en ce qu'elle comporte un compresseur tel que défini précédemment ou un ensemble formant joint d'étanchéité à labyrinthe tel que défini 15 précédemment. L'ensemble formant joint d'étanchéité à labyrinthe permet d'assurer l'étanchéité entre deux éléments de la turbomachine en rotation l'un par rapport à l'autre, notamment entre un rotor et un stator de la turbomachine ou entre deux rotors de la turbomachine, ayant notamment des vitesses de rotation différentes. 20 Les léchettes peuvent être portées par un rotor de la turbomachine et ledit au moins un matériau abradable peut être porté par un stator de la turbomachine. Inversement, les léchettes peuvent être portées par un stator de la turbomachine et ledit au moins un matériau abradable peut être porté par un rotor de la turbomachine. Les léchettes peuvent encore être portées par un rotor de la 25 turbomachine et ledit au moins un matériau abradable peut être porté par un autre rotor de la turbomachine, ayant notamment une vitesse de rotation différente. 3055353 7 BRÈVE DESCRIPTION DES DESSINS L'invention pourra être mieux comprise à la lecture de la description détaillée qui va suivre, d'exemples de mise en oeuvre non limitatifs de celle-ci, ainsi qu'à l'examen des figures, schématiques et partielles, du dessin annexé, sur lequel : 5 - les figures 1 et 2 représentent, en coupe axiale, deux exemples distincts de réalisation d'ensembles formant joint d'étanchéité à labyrinthe selon l'invention, - la figure 3 illustre le cas d'un contact entre les léchettes et le matériau abradable d'un ensemble formant joint d'étanchéité à labyrinthe selon l'invention, et - la figure 3A est une vue agrandie selon A de la figure 3. 10 Dans l'ensemble de ces figures, des références identiques peuvent désigner des éléments identiques ou analogues. De plus, les différentes parties représentées sur les figures ne le sont pas nécessairement selon une échelle uniforme, pour rendre les figures plus lisibles. EXPOSÉ DÉTAILLÉ DE MODES DE RÉALISATION PARTICULIERS 15 Dans toute la description, il est noté que les termes amont et aval sont à considérer par rapport à une direction principale F, représentée sur les figures 1 et 2, d'écoulement normal des gaz (de l'amont vers l'aval) pour une turbomachine. Par ailleurs, on appelle axe X de l'ensemble formant joint d'étanchéité à labyrinthe 1, l'axe de symétrie radiale de l'ensemble formant joint d'étanchéité à labyrinthe 1. La direction 20 axiale de l'ensemble formant joint d'étanchéité à labyrinthe 1 correspond à la direction de l'axe X de l'ensemble formant joint d'étanchéité à labyrinthe 1. Une direction radiale de l'ensemble formant joint d'étanchéité à labyrinthe 1 est une direction perpendiculaire à l'axe X de l'ensemble formant joint d'étanchéité à labyrinthe 1. En outre, sauf précision contraire, les adjectifs et adverbes axial, radial, axialement et radialement sont utilisés en 25 référence aux directions axiale et radiale précitées. De plus, sauf précision contraire, les termes intérieur et extérieur sont utilisés en référence à une direction radiale de sorte que la partie intérieure d'un élément est plus proche de l'axe X de l'élément formant joint d'étanchéité à labyrinthe 1 que la partie extérieure du même élément. 3055353 8 On a représenté en référence aux figures 1 et 2 deux concepts de réalisation d'ensemble formant joint d'étanchéité à labyrinthe 1 selon l'invention. De façon avantageuse, selon ces deux concepts, le matériau abradable 2 de forme « étagée » présente des parois latérales aval 4v inclinées, de même que les parois 5 latérales amont 3m des léchettes 2, mais les inclinaisons respectives du matériau abradable 2 et des léchettes 2 ne sont pas parallèles entre elles. De cette façon, les inconvénients précédemment énoncés de l'art antérieur sont évités. De façon commune aux deux exemples de réalisation des figures 1 et 2, l'ensemble formant joint d'étanchéité à labyrinthe 1 comporte un matériau abradable 2, 10 annulaire autour de l'axe X de l'ensemble 1, et destiné à être porté, par exemple, par un carter de compresseur de turbomachine. Ce matériau abradable 2 est de type « étagé », à savoir que sa surface intérieure 2i définit, en section axiale, une forme d'escalier avec une alternance de marches 4a et de contremarches 4b. De plus, ce matériau abradable 2 est lisse, et ainsi 15 différent d'un matériau en nid d'abeilles. Par ailleurs, l'ensemble formant joint d'étanchéité à labyrinthe 1 comporte également une pluralité de léchettes 3, ici trois léchettes 3, s'étendant radialement en direction de la surface intérieure 2i du matériau abradable 2, et destinées à être portées, par exemple, par un rotor de compresseur de turbomachine. 20 Les deux premières léchettes 3 comportent en outre une paroi latérale amont 3m partiellement en vis-à-vis d'une paroi latérale aval 4v du matériau abradable 2 formant une contremarche 4b en vis-à-vis de la léchette 3 correspondante. Conformément à l'invention, l'ensemble 1 se caractérise en ce que, par observation en section axiale, la tangente T au sommet S de la paroi latérale amont 3m 25 d'une léchette 3 et la droite D passant par la paroi latérale aval 4v du matériau abradable 2, en vis-à-vis de la léchette 3, sont sécantes, l'angle a ou p entre ladite tangente T et ladite droite D étant strictement compris entre 5 et 15°. Plus précisément, selon le premier concept de l'invention représenté à la figure 1, les contremarches 4b du matériau abradable 2 sont plus inclinées que les 30 léchettes 3. Aussi, ladite tangente T et l'axe X de l'ensemble formant joint d'étanchéité à 3055353 9 labyrinthe 1 forment ensemble un angle al strictement supérieur à l'angle a2 formé par ladite droite D et l'axe X de l'ensemble formant joint d'étanchéité à labyrinthe 1. Pour avoir un bon compromis entre rendement et échauffement de la turbomachine, l'angle a satisfait à la relation suivante : 5 5° REVENDICATIONS1. Ensemble formant joint d'étanchéité à labyrinthe (1) pour une turbomachine, servant à assurer l'étanchéité entre deux éléments de la turbomachine en rotation l'un par rapport à l'autre et étant de révolution autour d'un axe (X) de l'ensemble formant joint d'étanchéité à labyrinthe (1), comportant : - au moins un matériau abradable (2), annulaire autour de l'axe (X) de l'ensemble formant joint d'étanchéité à labyrinthe (1), destiné à être porté par l'un des deux éléments de la turbomachine en rotation l'un par rapport à l'autre, la surface intérieure (2i) dudit au moins un matériau abradable (2) définissant, en section axiale, une forme d'escalier avec une alternance de marches (4a) et de contremarches (4b), - une pluralité de léchettes (3), annulaires autour de l'axe (X) de l'ensemble formant joint d'étanchéité à labyrinthe (1), s'étendant radialement en direction de la surface intérieure (2i) dudit au moins un matériau abradable (2), destinées à être portées par l'autre des deux éléments de la turbomachine en rotation l'un par rapport à l'autre, les léchettes (3) comportant chacune, au moins en partie, une paroi latérale amont (3m) au moins partiellement en vis-à-vis d'une paroi latérale aval (4v) dudit au moins un matériau abradable (2) formant une contremarche (4b) en vis-à-vis de la léchette (3) correspondante, caractérisé en ce que, par observation en section axiale, la tangente (T) au sommet (S) de la paroi latérale amont (3m) d'au moins une léchette (3) et la droite (D) passant par la paroi latérale aval (4v) dudit au moins un matériau abradable (2), en vis-à-vis de ladite au moins une léchette (3), sont sécantes, l'angle (a, p) entre ladite tangente (T) et ladite droite (D) étant strictement compris entre 5 et 15°. 2. Ensemble selon la revendication 1, caractérisé en ce que ladite tangente (T) et l'axe (X) de l'ensemble formant joint d'étanchéité à labyrinthe (1) forment ensemble un angle (al) strictement inférieur à 90°, et en ce que ladite droite (D) et l'axe (X) de 3055353 12 l'ensemble formant joint d'étanchéité à labyrinthe (1) forment ensemble un angle (a2) strictement inférieur à 90°. 3. Ensemble selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que ladite 5 tangente (T) et l'axe (X) de l'ensemble formant joint d'étanchéité à labyrinthe (1) forment ensemble un angle (al) strictement supérieur à l'angle (a2) formé par ladite droite (D) et l'axe (X) de l'ensemble formant joint d'étanchéité à labyrinthe (1). 4. Ensemble selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que ladite 10 tangente (T) et l'axe (X) de l'ensemble formant joint d'étanchéité à labyrinthe (1) forment ensemble un angle (al) strictement inférieur à l'angle (a2) formé par ladite droite (D) et l'axe (X) de l'ensemble formant joint d'étanchéité à labyrinthe (1). 5. Ensemble selon l'une quelconque des revendications précédentes, 15 caractérisé en ce qu'au moins deux léchettes (3), notamment toutes les léchettes (3), comportant une paroi latérale amont (3m) au moins partiellement en vis-à-vis d'une paroi latérale aval (4v) dudit au moins un matériau abradable (2) sont telles que, par observation en section axiale, la tangente (T) au sommet (S) de la paroi latérale amont (3m) et la droite (D) passant par la paroi latérale aval (4v) dudit au moins un matériau 20 abradable (2), en vis-à-vis de la léchette (3) correspondante, sont sécantes, l'angle (a, p) entre ladite tangente (T) et ladite droite (D) étant strictement compris entre 5 et 15°. 6. Ensemble selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que ledit au moins un matériau abradable est lisse. 25 7. Compresseur de turbomachine, notamment un compresseur haute pression, caractérisé en ce qu'il comporte un ensemble formant joint d'étanchéité à labyrinthe (1) selon l'une quelconque des revendications précédentes. 3055353 13 8. Turbomachine, caractérisée en ce qu'elle comporte un compresseur selon la revendication 7 ou un ensemble formant joint d'étanchéité à labyrinthe (1) selon l'une quelconque des revendications 1 à 6.