Brevet FR3079013A1 — publié le 20190920

DISPOSITIF ANNULAIRE D'ETANCHEITE DOMAINE [1] La présente invention concerne un dispositif annulaire d'étanchéité destiné par exemple à être utilisé dans une turbomachine et plus particulièrement pour réaliser l'étanchéité entre une enceinte à air et une enceinte à huile. CONTEXTE [2] De manière connue, un palier de roulement de turbomachine supportant un arbre tournant à l'intérieur d'un carter fixe comporte un roulement disposé dans une enceinte où sa lubrification est assurée par de l'huile. Par contre, toute migration d'huile vers l'extérieur de cette enceinte doit être évitée, ce qui est assuré en pressurisant cette enceinte par de l'air prélevé dans la veine. [3] Ainsi, pour minimiser le débit d'air aux bornes de l'enceinte à huile, des joints radiaux segmentés sont installés. Ces joints radiaux comprennent une pluralité de segments carbone agencés circonférentiellement bout à bout et montés à l'intérieur d'un corps annulaire. Ces segments carbone sont maintenus par un ressort hélicoïdal entourant les segments. Les segments sont également maintenus en appui sur une paroi annulaire radiale du corps annulaire par une pluralité de ressorts hélicoïdaux axiaux régulièrement répartis circonférentiellement. [4] Ces joints sont très performants du fait de leur conception souple et élastique et conservent leur efficacité dans toutes les plages de fonctionnement (ralenti, transitoire, croisière, ... ). Toutefois, pour conserver ses performances, ce type de joint doit évoluer dans un environnement adapté en température et éviter un environnement trop chaud qui serait néfaste au maintien de ses propriétés mécaniques dans le temps. 2 [5] Lors des phases transitoires ou de ralenti, il peut arriver qu'une trop faible différence de pression d'air conduise à ce que de l'huile de l'enceinte logeant le palier s'introduise dans la structure du joint, c'est à dire au travers des éléments constitutifs du joint, et que celle-ci se cokéfie à cause des 5 hautes températures environnantes. Dans ce cas, les segments de carbone ne remplissent plus leur fonction d'étanchéité et le joint fuit. Dès lors, la consommation d'huile augmente et de l'huile peut se diffuser dans l'enceinte à air conduisant à une pollution du moteur avec de l'huile cokéfiée. [6] Notons qu'il existe deux possibilités pour éviter l'échauffement dans 10 le joint radial segmenté. Soit on augmente le débit de ventilation autour du joint ce qui conduit à une augmentation du prélèvement d'air et n'est donc pas souhaitable, soit on prélève un débit d'air plus froid mais il est difficile de garantir que la pression est suffisante pour avoir un débit suffisant au niveau du joint. 15 [007] L'invention propose de modifier la structure du joint pour que celui-ci soit capable de remplir ses fonctions d'étanchéité tout en évitant de modifier les moyens de prélèvement d'air intégré à la turbomachine. RESUME DE L'INVENTION [008] La présente invention concerne tout d'abord un dispositif d'étanchéité 20 annulaire s'étendant autour d'un axe longitudinal et destiné à être monté autour d'un arbre d'une turbomachine, le dispositif comprenant un corps annulaire à l'intérieur duquel est monté un anneau formé d'une pluralité de segments carbone maintenus ensemble par des premiers moyens élastiques entourant lesdits segments, des seconds moyens élastiques étant intercalés 25 longitudinalement entre une paroi annulaire radiale du corps annulaire et les segments carbone, caractérisé en ce que les premiers moyens élastiques comprennent un jonc annulaire fendu élastiquement deformable entourant lesdits segments et/ou en ce que les seconds moyens élastiques 3 comprennent une rondelle élastique coaxiale à l'axe longitudinal et élastiquement deformable en direction longitudinale. [9] Selon l'invention, les éléments élastiques de la technique antérieure sont remplacés par des éléments élastiques spécifiques. Le jonc annulaire 5 fendu élastiquement deformable ainsi que la rondelle élastique s'avèrent moins sensibles en fonctionnement à l'introduction d'huile dans la structure du dispositif d'étanchéité ou joint. Dès lors, la durée de vie du joint peut être améliorée en comparaison de la technique antérieure. Il est donc possible de conserver les performances d'étanchéité d'un joint radial segmenté 10 évoluant dans un environnement plus chaud, sans dégradation de la qualité de l'huile, ceci sans avoir à modifier l'écoulement d'air autour du joint. [10] On notera que l'intérêt du dispositif d'étanchéité est d"avoir des éléments élastiques, c'est-à-dire le jonc et la rondelle, qui ne comprennent plus qu'une spire, c'est-à-dire un seul enroulement. On évite ainsi 15 l'introduction et la stagnation d'huile entre les spires qui se cokéfie et forme une carapace empêchant le fonctionnement normal du joint. L'absence de formation de coke en fonctionnement résulte également du remplacement des ressorts axiaux de la technique antérieure par une rondelle élastique. [11] Pour réaliser l'élasticité axiale, c'est-à-dire dans la direction 20 longitudinale, la rondelle élastique est de préférence une rondelle ondulée comprenant des ondulations successives circonférentielles et axiales. La rondelle peut encore comprendre une fente délimitée entre ses extrémités circonférentielles libres. [12] Avantageusement, la rondelle comprend au moins 3N ondulations 25 régulièrement réparties autour de l'axe longitudinal où N représente le nombre de segments. Dans cette réalisation, on a ainsi trois ondulations par segment carbone de manière à avoir un bon appui longitudinal sur chaque segment. Préférentiellement, la rondelle comprend 3N+1 ondulations, ce qui permet de garantir que lorsqu'une bosse est agencée à la jonction entre deux segments consécutifs, les autres bosses réalisent un appui longitudinal sur la paroi annulaire radiale du corps annulaire et les segments carbone. 4 [13] Comme indiqué précédemment une ondulation comprend une bosse et un creux lorsque la rondelle est vue depuis un côté. Bien évidemment, vu de l'autre côté de la rondelle, un creux correspond à une bosse et une bosse correspond à un creux. En pratique, il faut donc bien une ondulation, c'est- 5 à-dire une bosse et un creux pour ainsi réaliser un appui sur la paroi annulaire radiale du corps annulaire et sur un segment carbone. [14] L'invention concerne encore une section de turbomachine comprenant un arbre tournant guidé en rotation dans un palier de roulements et portant un dispositif annulaire d'étanchéité tel que décrit précédemment 10 ainsi qu'un joint à labyrinthe intercalé axialement entre ledit dispositif annulaire d'étanchéité et le palier de roulements. [15] L'invention sera mieux comprise et d'autres détails, caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront à la lecture de la description suivante faite à titre d'exemple non limitatif en référence aux dessins annexés. 15 BREVE DESCRIPTION DES FIGURES - la figure 1 est une vue schématique en coupe d'une turbomachine comprenant un dispositif d'étanchéité selon l'invention ; - la figure 2 est une vue schématique à plus grande échelle de la zone délimitée en pointillés sur la figure 1 ; 20 - la figure 3 est une vue schématique à plus grande échelle de la zone délimitée en pointillés sur la figure 2 et représentant plus spécifiquement un dispositif d'étanchéité selon la technique antérieure monté autour d'un arbre ; - la figure 4 est vue schématique en perspective d'un dispositif 25 d'étanchéité selon la technique antérieure ; - les figures 5 et 6 sont des vues schématiques en perspective d'un dispositif d'étanchéité selon l'invention ; 5 - les figures 7est une illustration schématiques d'une réalisation d'un premier élément élastique destiné à être intégré à un dispositif d'étanchéité selon l'invention ; - les figures 8A et 8B sont des illustrations schématiques de deux 5 réalisations d'un second élément élastique destiné à être intégré à un dispositif d'étanchéité selon l'invention. DESCRIPTION DETAILLEE [16] On se réfère tout d'abord à la figure 1 qui représente une demie-vue en coupe d'une turbomachine 10 d'axe longitudinal A comprenant d'amont 10 en aval, c'est-à-dire dans le sens d'écoulement de l'air au travers de la turbomachine 10, une soufflante 12, un compresseur basse pression 14, un compresseur haute pression 16, une chambre de combustion 18, une turbine haute pression 20 et une turbine basse pression 22. [17] De manière connue, la soufflante 12 et le rotor du compresseur basse 15 pression 14 sont entrainés en rotation par le rotor de la turbine basse pression 22, le rotor de turbine haute pression 20 entrainant en rotation le rotor du compresseur haute pression 16. [18] Plus particulièrement, le rotor de la turbine basse pression 22 comprend un arbre central 24 qui est guidé en rotation dans au moins un 20 palier 26 de roulement, ici un seul (figure 2). Le palier 26 de roulement est logé dans une enceinte annulaire 28 dont les extrémités axiales ou longitudinales comprennent une vrille 30 semblable à un filetage dont l'orientation permet de refouler l'huile vers l'intérieur de l'enceinte annulaire 28 et un joint à labyrinthe 32 protégé par une vrille 33 semblable à un filetage 25 dont l'orientation permet de refouler l'huile vers l'intérieur de l'enceinte annulaire 28. Des débits d'air (flèches A) sont prévus et orientés de l'extérieur de l'enceinte 28 d'huile vers les vrilles 30, 33 pour éviter une fuite d'huile vers l'extérieur de l'enceinte annulaire 28. 6 [19] Pour améliorer encore l'étanchéité, on utilise un dispositif annulaire d'étanchéité 34 ou joint radial segmenté qui est agencé à une extrémité de l'enceinte d'huile 28 et à l'extérieur de celle-ci (figure 3). Le dispositif d'étanchéité 34 est logé dans un renfoncement annulaire d'un bras annulaire 5 36 statorique dont l'extrémité porte la vrille 30. Le joint radial segmenté 34 est bloqué axialement vers l'aval par un épaulement annulaire 38 du bras statorique 36 et par un anneau d'arrêt 40. [20] On se réfère maintenant à la figure 4 qui représente un joint radial segmenté 34 selon la technique antérieure et qui comprend un corps 10 annulaire 42 comprenant une couronne externe 44 et un flasque annulaire 46 assemblés l'un à l'autre par des pions ou goupilles engagés dans des orifices radiaux de la couronne 44 et du flasque annulaire 46. [21] Le dispositif annulaire d'étanchéité 34 comprend également une pluralité de segments 50 réalisé en carbone qui sont agencés 15 successivement et circonférentiellement bout à bout pour former un anneau. Chaque segment 50 comprend deux pattes radiales 52 à ses extrémités circonférentielles, une patte 52 d'un segment 50 étant appliquée circonférentiellement sur une patte 52 d'un segment circonférentiellement adjacent 50. Comme cela est bien représenté sur la figure 4 mais également 20 sur la figure 5 en relation avec l'invention qui sera décrite ci-après, chaque patte 52 comprend une rainure de montage de premiers moyens annulaires élastiques 53, lequel élément entoure tous les segments 50 carbone afin de les maintenir dans le corps annulaire 42. [22] On observe que la couronne 44 comprend un rebord annulaire 54 25 radial se prolongeant par le flasque annulaire 46 et également des doigts radiaux 56 régulièrement espacés circonférentiellement et qui sont opposés au rebord annulaire radial. Ces doigts 56 assurent avec le rebord annulaire radial 54 de la couronne 44 et le flasque annulaire 46 un blocage axial des segments 50. On remarque que le flasque annulaire 46 et le rebord annulaire 30 radial 54 forme une paroi annulaire 57 radiale du corps annulaire 42. 7 [23] En référence à la figure 4, les premiers moyens annulaires élastiques 53 comprennent un ressort annulaire hélicoïdal. Le dispositif d'étanchéité 34 comprend également une pluralité de seconds moyens élastiques 58 qui 5 sont des ressorts hélicoïdaux agencés axialement. Ces ressorts 58 sont montés dans des logements axiaux des segments 50 et sont précontraints élastiquement entre la paroi radiale 57 du corps annulaire 42 et le fond des logements des segments 50. Comme indiqué au début du présent document, l'utilisation de ces deux éléments élastiques 53, 58 ne permet pas de garantir 10 un fonctionnement optimal du dispositif d'étanchéité 34 du fait de l'introduction d'huile dans celui-ci et de la cokéfaction de celle-ci qui impacte fortement les éléments élastiques 53, 58. [24] La figure 5 représente un dispositif annulaire d'étanchéité 60 selon l'invention qui comprend des segments 50 en matériau carbone, une 15 couronne 44 avec un rebord annulaire radial 54 et des doigts radiaux 56, un flasque annulaire 46 et des goupilles. Les pièces indiquées précédemment sont agencées de la même manière que cela a été décrit en référence à la figure 4. [25] Selon l'invention, les premiers moyens élastiques 62 sont ici formés 20 par un jonc annulaire fendu élastiquement deformable en direction radiale, ce jonc présentant ainsi une seule spire, c'est-à-dire un seul enroulement. Dans une réalisation pratique de l'invention, le jonc présentera une section circulaire constante sur toute son étendue angulaire. Dans une autre variante, il peut encore présenter une section non constante sur toute 25 l'étendue angulaire du jonc. Le jonc peut encore présenter une section différente de celle d'un cercle, par exemple elliptique. Les seconds moyens élastiques sont ici une rondelle élastique présentant une élasticité axiale, c'est-à-dire une rondelle qui est conformée de manière à pouvoir se déformer élastiquement selon son axe, c'est-à-dire l'axe longitudinal. 30 [026] Le jonc annulaire élastique est agencé radialement entre les segments 50 et la couronne 44, c'est-à-dire radialement à l'extérieur des 8 segments 50 et radialement à l'intérieur de la couronne 44. Le jonc annulaire élastique 62a présente une fente 63 et est réalisé en acier ayant par exemple la référence Z12CN18 (figure 7A). [27] La rondelle élastique 64 est montée axialement entre les segments 50 5 et la paroi annulaire radiale 57 formée par le rebord annulaire 54 et le flasque 46. La rondelle 64 comprend de préférence des ondulations 65 circonférentielles et axiales qui permettent d'avoir une élasticité de la rondelle selon l'axe B de celle-ci qui est en fonctionnement coaxial à l'axe longitudinal A. Les ondulations sont sensiblement courbes et régulières sur 10 toute la circonférence de la rondelle. Dans une première réalisation représentée en figure 8A, la rondelle 64a présente une fente 66. Dans une seconde réalisation représentée en figure 8B, la rondelle 64b est dépourvue de fente et présente ainsi un contour fermé. [28] Préférentiellement, la rondelle élastique comprend au moins 3N 15 ondulations régulièrement réparties autour de l'axe longitudinal où N représente le nombre de segments, de préférence au moins 3N+1 ondulations. Une ondulation 65 comprend une bosse 68 et un creux 70 lorsque la rondelle 64a est vue depuis un côté donné. Bien évidemment, vu de l'autre côté de la rondelle 64a, un creux correspond à une bosse et une 20 bosse correspond à un creux. En pratique, il faut donc bien une ondulation, c'est-à-dire une bosse 68 et un creux 70 pour ainsi réaliser un appui sur la paroi annulaire radiale 57 du corps annulaire 42 et sur un segment carbone 50. [29] Le choix de 3N+1 ondulations régulièrement réparties autour de l'axe 25 de la rondelle 64a, est guidé par le souhait de garantir que lorsqu'une bosse 68 est agencée à la jonction entre deux segments 50 consécutifs, les autres bosses 68 réalisent un appui axial sur la paroi annulaire radiale 57 du corps annulaire 42 et les segments carbone 50. Ainsi, la rondelle réalise trois appuis axiaux par segment carbone 50. 9 [030] De manière similaire à ce qui a été décrit en référence à la figure 8A, REVENDICATIONS1. Dispositif d'étanchéité annulaire s'étendant autour d'un axe longitudinal et destiné à être monté autour d'un arbre (24) d'une turbomachine, le dispositif comprenant un corps annulaire (46) à l'intérieur duquel est monté un anneau formé d'une pluralité de segments (50) carbone maintenus ensemble par des premiers moyens élastiques (62) entourant lesdits segments, des seconds moyens élastiques (64) étant intercalés longitudinalement entre une paroi annulaire radiale (57) du corps annulaire (46) et les segments (50) carbone, caractérisé en ce que les premiers moyens élastiques (62) comprennent un jonc annulaire fendu élastiquement deformable entourant lesdits segments (50) et/ou en ce que les seconds moyens élastiques comprennent une rondelle élastique (64) coaxiale à l'axe longitudinal et élastiquement deformable en direction longitudinale. 2. Dispositif selon la revendication 1, dans lequel la rondelle (64) est une rondelle ondulée comprenant chacune des ondulations successives circonférentielles et axiales, chaque ondulation comprenant une bosse et creux. 3. Dispositif selon la revendication 2, dans lequel la rondelle (64) comprend au moins 3N ondulations régulièrement réparties autour de l'axe longitudinal où N représente le nombre de segments, de préférence au moins 3N+1 ondulations. 4. Dispositif selon la revendication 2 ou 3, dans lequel au moins une rondelle (64) comprend une fente délimitée entre les extrémités circonférentielles libres de la rondelle. 5. Section de turbomachine comprenant un arbre tournant guidé en rotation dans un palier (26) de roulements et portant un dispositif annulaire d'étanchéité selon l'une des revendications 1 à 4 ainsi qu'un joint à labyrinthe (30) intercalé axialement entre ledit dispositif annulaire d'étanchéité (60) et le palier de roulements (26).30