Brevet FR3063326A1 — publié le 20180831

JOINT AXIAL ASSERVI COMPORTANT UN DISPOSITIF MAGNÉTIQUE DE POSITIONNEMENT AXIAL DESCRIPTION DOMAINE TECHNIQUE La présente invention se rapporte au domaine des joints axiaux asservis pour turbomachines, et concerne plus particulièrement un joint axial asservi comportant un dispositif magnétique de positionnement axial du joint, ainsi qu'une turbomachine et un procédé associés. L'invention s'applique à tout type de turbomachines terrestres, marines ou aéronautiques, et notamment aux turbomachines d'aéronef telles que les turboréacteurs et les turbopropulseurs. ÉTAT DE LA TECHNIQUE ANTÉRIEURE On connaît déjà de l'art antérieur l'utilisation de joints axiaux asservis, tels que ceux décrits par exemple dans les demandes de brevet français FR 2 785 355 Al, FR 2 961 283 Al, FR 3 007 062 Al et FR 3 029 981 Al. De tels joints ont de fortes similitudes avec les 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. Ils comprennent au moins deux éléments d'étanchéité en regard. Contrairement aux joints à labyrinthe qui imposent obligatoirement aux écoulements de fluides un trajet sinueux et resserré entre eux, et qui est donc rendu difficile, les joints axiaux peuvent contrôler le débit par leur faible section de passage, il n'y a donc pas d'obligation à générer des pertes de charge à travers le joint. Les éléments du joint ne sont normalement pas en contact, ce qui leur donne une durée d'utilisation très longue. Un débit de fuite à travers eux est toléré, bien qu'on cherche à le diminuer autant que possible. D'ailleurs, dans certains cas, une fuite est nécessaire pour le bon équilibre thermique de la turbomachine. 3063326 2 Parmi les joints à labyrinthe, les joints axiaux asservis comprennent un corps mobile axialement sur une des pièces, et dont le mouvement fait varier le jeu à travers le joint. Ces mouvements dépendent d'une résultante des forces de pression s'exerçant sur le corps mobile. En effet, le corps mobile délimite plusieurs sections réduites comprenant 5 au moins une chambre intermédiaire aux deux enceintes séparées par le joint, où s'instaure une pression intermédiaire à celle des enceintes, au moyen de reliefs présents sur le corps mobile ou sur la pièce en regard. Le resserrement procuré par le labyrinthe et la valeur de la pression dans la chambre intermédiaire peuvent être modifiés, celle-ci tendant vers la pression de l'enceinte à plus haute pression quand le passage est resserré, 10 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 chambre intermédiaire, acquise de préférence à une position où le jeu entre les enceintes que le 15 corps mobile laisse subsister est conforme aux objectifs attendus de perméabilité et de sécurité de fonctionnement. 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 aux efforts de frottement près. On a représenté, en demi-coupe axiale sur la figure 1 et selon une vue en 20 perspective partielle sur la figure 2, un exemple de joint axial asservi selon l'art antérieur. Les figures 1 et 2 sont représentatives d'un cas usuel où la pièce principale du joint, un corps 1, coulisse sur un stator 2 en variant sa distance par rapport à un rotor 3. Le stator 2 et le rotor 3 appartiennent à une turbomachine d'aéronef et sont circulaires et coaxiaux, alignés selon une direction axiale X correspondant à l'axe central 25 de la turbomachine. Le rotor 3 comporte une face d'étanchéité 4 circulaire et plane, située en regard du corps 1. Le stator 2 est évidé en son centre, en forme de manchon, et sépare une enceinte interne 5 d'une enceinte externe 6. Le corps 1 comprend une bague circulaire 7, disposée autour d'un joint d'étanchéité secondaire 8 logé dans une gorge de la face externe du stator 2. C'est par ce joint d'étanchéité secondaire 8 que le corps 1 est 3063326 3 soutenu par le stator 2 et peut coulisser par rapport à lui. Le corps 1 comprend encore des léchettes 9, qui sont des crêtes circulaires saillant vers la face d'étanchéité 4 et qui définissent un jeu 10 avec elle. Les enceintes 5 et 6 sont à des pressions différentes en fonctionnement 5 normal, et communiquent par un passage circulaire 11, situé entre le corps 1 et la face d'étanchéité 4, et tolérant un débit de fuite dont les caractéristiques sont régies avant tout par le jeu 10. Ainsi qu'on l'a mentionné, la différence de pression dans les enceintes 5 et 6, qui sont définies à la fois par le corps 1, le stator 2 et le rotor 3, exerce une résultante sur celui-là, qui le fait coulisser librement autour du joint d'étanchéité 10 secondaire 8, jusqu'à un état d'équilibre stable, le jeu 10 alors obtenu dépendant de cette différence de pression. Par ailleurs, des orifices calibrés 14, ou encore injecteurs 14, mettent en communication le passage circulaire 11 avec l'une des enceintes interne ou externe, ici l'enceinte externe 6. Le débit qui traverse ces injecteurs 14 ne dépend que de la pression 15 différentielle, ce qui conduit à générer une pression intermédiaire entre les léchettes 9 qui est fonction de la position axiale et à permettre ainsi l'asservissement de la position axiale du joint par rapport au rotor. Toutefois, cette technologie de joint axial asservi peut présenter un risque de contact entre le rotor et le stator du fait d'une absence de contrôle de la position axiale 20 du joint à l'arrêt et la faiblesse des efforts développés pendant la phase de démarrage. Il existe donc un besoin pour trouver une solution pour se prémunir de tout risque de dégradation précoce et pour fiabiliser l'utilisation d'un tel joint. EXPOSÉ DE L'INVENTION L'invention a pour but de remédier au moins partiellement aux besoins 25 mentionnés ci-dessus et aux inconvénients relatifs aux réalisations de l'art antérieur. L'invention a ainsi pour objet, selon l'un de ses aspects, un joint axial asservi entre une première pièce et une seconde pièce alignées dans une direction axiale, le joint comportant un corps coulissant librement sur la première pièce dans la direction axiale et comprenant des éléments d'étanchéité saillant dans la direction axiale vers une face 3063326 4 d'étanchéité de la seconde pièce qui est sécante à la direction axiale, les éléments d'étanchéité et la face d'étanchéité restreignant une communication entre deux enceintes délimitées par la première pièce, la seconde pièce et le corps, caractérisé en ce qu'au moins l'un du corps, de la première pièce et de la seconde pièce 5 comporte un dispositif magnétique de positionnement axial du joint. Le joint axial asservi peut en outre comporter l'une ou plusieurs des caractéristiques suivantes prises isolément ou suivant toutes combinaisons techniques possibles. De préférence, le dispositif magnétique peut comporter un ou plusieurs 10 aimants, notamment plusieurs aimants permanents répartis annulairement autour de la direction axiale. Le dispositif magnétique peut par exemple comporter des aimants permanents situés de façon opposée diamétralement. Avantageusement, la seconde pièce peut comporter le dispositif magnétique, situé en regard du corps du joint axial asservi. 15 La seconde pièce peut comporter un rebord annulaire en vis-à-vis du corps, le dispositif magnétique étant monté au niveau dudit rebord annulaire. Avantageusement, le corps et les éléments d'étanchéité sont circulaires et continus, la face d'étanchéité est plane et perpendiculaire à la direction axiale et le dispositif magnétique s'étend sur un secteur de circonférence. 20 De préférence, la première pièce est un stator et la deuxième pièce est un rotor. De façon avantageuse encore, le dispositif magnétique peut comporter un matériau magnétique choisi de manière à éliminer automatiquement les particules magnétiques captées lors d'un fonctionnement à chaud, le dispositif magnétique 25 comportant notamment des aimants de type samarium-cobalt (SmCo). Par ailleurs, comme décrit précédemment dans la partie relative à l'art antérieur et au contexte technique de l'invention, le corps peut comporter des injecteurs sous forme d'orifices mettant en communication le passage entre le corps et la seconde pièce avec l'une des deux enceintes. 3063326 5 L'invention a par ailleurs pour objet, selon un autre de ses aspects, une turbomachine, caractérisée en ce qu'elle comporte un joint axial asservi tel que défini précédemment. L'invention a en outre pour objet, selon un autre de ses aspects, un procédé 5 de positionnement axial d'un joint axial asservi tel que défini précédemment, caractérisé en ce qu'il comporte l'étape consistant à pré-positionner axialement le joint axial asservi par le biais du dispositif magnétique lors des phases d'arrêt de la turbomachine et de démarrage de la turbomachine. BRÈVE DESCRIPTION DES DESSINS 10 L'invention pourra être mieux comprise à la lecture de la description détaillée qui va suivre, d'un exemple de mise en oeuvre non limitatif de celle-ci, ainsi qu'a l'examen des figures, schématiques et partielles, du dessin annexé, sur lequel : - la figure 1 représente, en demi-coupe axiale, un exemple de joint axial asservi selon l'art antérieur, 15 - la figure 2 représente, selon une vue partielle en perspective, le joint axial asservi de la figure 1, et - la figure 3 représente, selon une vue partielle en perspective, un exemple de joint axial asservi conforme à l'invention. Dans l'ensemble de ces figures, des références identiques peuvent désigner 20 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 D'UN MODE DE RÉALISATION PARTICULIER Les figures 1 et 2 ont déjà été décrites dans la partie relative à l'état de la 25 technique antérieure et au contexte technique de l'invention. On a représenté sur la figure 3 un exemple de joint axial asservi conforme à l'invention. 3063326 6 Comme décrit précédemment en référence aux figures 1 et 2, le corps 1 du joint coulisse sur un stator 2 en variant sa distance par rapport à un rotor 3. Le rotor 3 comporte une face d'étanchéité 4 circulaire et plane, située en regard du corps 1. Le stator 2 est évidé en son centre, en forme de manchon, et sépare une enceinte interne 5 5 d'une enceinte externe 6. Le corps 1 comprend une bague circulaire 7, disposée autour d'un joint d'étanchéité secondaire 8 logé dans une gorge de la face externe du stator 2. C'est par ce joint d'étanchéité secondaire 8 que le corps 1 est soutenu par le stator 2 et peut coulisser par rapport à lui. Le corps 1 comprend encore des léchettes 9, qui sont des crêtes circulaires saillant vers la face d'étanchéité 4 et qui définissent un jeu 10 avec elle. 10 Les enceintes 5 et 6 sont à des pressions différentes en fonctionnement normal, et communiquent par un passage circulaire 11, situé entre le corps 1 et la face d'étanchéité 4, et tolérant un débit de fuite dont les caractéristiques sont régies avant tout par le jeu 10. Il est conforme à l'invention d'ajouter à ce joint axial asservi un dispositif 15 magnétique 12 de positionnement axial du joint. Ce dispositif 12 permet le pré- positionnement axial du joint à l'arrêt et pendant la phase de démarrage de sorte à éviter un risque de contact entre le rotor 3 et le stator 2. Comme visible sur l'exemple de la figure 3, le dispositif magnétique 12 comporte une pluralité d'aimants permanents 12 (un seul est représenté) répartis 20 circonférentiellement sur le rotor 3, et plus particulièrement sur un rebord annulaire 13 du rotor 3. L'indexation axiale du joint se fait ainsi sans contact et reste indépendante du déplacement axial relatif entre stator 2 et rotor 3. Le choix du matériau magnétique pour les aimants 12 doit se faire avec les 25 contraintes suivantes : une perte progressive d'efficacité magnétique au-delà de la température de ralenti moteur pour mieux maîtriser le jeu axial et éliminer les particules métalliques qui pourraient être captées en fonctionnement ; un point de Curie élevé pour ne pas dégrader les propriétés magnétiques de manière permanente. 3063326 7 Ainsi, de façon avantageuse, les aimants 12 peuvent comporter des aimants de type samarium-cobalt (SmCo), qui conservent leurs propriétés jusqu'à environ 300°C et qui présentent un point de Curie à 750°C. Grâce à l'invention, le positionnement magnétique du corps 1 relativement au 5 rotor 3 permet de contrôler la position axiale du joint même à l'arrêt et en phase de démarrage du moteur de sorte à éviter tout risque de contact entre stator 2 et rotor 3. Bien entendu, l'invention n'est pas limitée à l'exemple de réalisation qui vient d'être décrit. Diverses modifications peuvent y être apportées par l'homme du métier. REVENDICATIONS1. Joint axial asservi entre une première pièce (2) et une seconde pièce (3) alignées dans une direction axiale (X), le joint comportant un corps (1) coulissant librement sur la première pièce (2) dans la direction axiale (X) et comprenant des éléments d'étanchéité (9) saillant dans la direction axiale (X) vers une face d'étanchéité (4) de la seconde pièce (3) qui est sécante à la direction axiale (X), les éléments d'étanchéité (9) et la face d'étanchéité (4) restreignant une communication entre deux enceintes (5, 6) délimitées par la première pièce (2), la seconde pièce (3) et le corps (1), caractérisé en ce qu'au moins l'un du corps (1), de la première pièce (2) et de la seconde pièce (3) comporte un dispositif magnétique (12) de positionnement axial du joint. 2. Joint selon la revendication 1, caractérisé en ce que le dispositif magnétique comporte un ou plusieurs aimants (12), notamment plusieurs aimants permanents (12) répartis annulairement autour de la direction axiale (X). 3. Joint selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que la seconde pièce (3) comporte le dispositif magnétique (12), situé en regard du corps (1) du joint axial asservi. 4. Joint selon la revendication 3, caractérisé en ce que la seconde pièce (3) comporte un rebord annulaire (13) en vis-à-vis du corps (1), le dispositif magnétique (12) étant monté au niveau dudit rebord annulaire (13). 5. Joint selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le corps (1) et les éléments d'étanchéité (9) sont circulaires et continus, la face d'étanchéité (4) est plane et perpendiculaire à la direction axiale (X) et le dispositif magnétique (12) s'étend sur un secteur de circonférence. 3063326 9 6. Joint selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que la première pièce (2) est un stator et la deuxième pièce (3) est un rotor. 7. Joint selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé 5 en ce que le dispositif magnétique (12) comporte un matériau magnétique choisi de manière à éliminer automatiquement les particules magnétiques captées lors d'un fonctionnement à chaud, le dispositif magnétique (12) comportant notamment des aimants de type samarium-cobalt (SmCo). 10 8. Joint selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le corps (1) comporte des injecteurs (14) sous forme d'orifices mettant en communication le passage (11) entre le corps (1) et la seconde pièce (3) avec l'une des deux enceintes (5, 6). 15 9. Turbomachine, caractérisée en ce qu'elle comporte un joint axial asservi selon l'une quelconque des revendications précédentes. 10. Procédé de positionnement axial d'un joint axial asservi selon l'une quelconque des revendications 1 à 8, caractérisé en ce qu'il comporte l'étape consistant à 20 pré-positionner axialement le joint axial asservi par le biais du dispositif magnétique (12) lors des phases d'arrêt de la turbomachine et de démarrage de la turbomachine.