Brevet FR3078740A1 — publié le 20190913

JOINT D'ÉTANCHÉITÉ DYNAMIQUE À LÉCHETTE COMPRENANT UNE PARTIE ACTIVE EN SAILLIE CIRCONFÉRENTIELLEMENT LIMITÉE DESCRIPTION DOMAINE TECHNIQUE La présente invention se rapporte au domaine des joints d'étanchéité dynamiques utilisés dans les turbomachines, en particulier les turbomachines destinées à la propulsion des aéronefs. L'invention concerne en particulier une léchette annulaire pour joint d'étanchéité dynamique de turbomachine, un joint d'étanchéité dynamique pour turbomachine comprenant une telle léchette annulaire, une turbine pour turbomachine comprenant un tel joint d'étanchéité dynamique, ainsi qu'une turbomachine comprenant une telle turbine. ÉTAT DE LA TECHNIQUE ANTÉRIEURE Des joints d'étanchéité dynamiques sont couramment utilisés dans les turbomachines, notamment pour assurer l'étanchéité entre les cavités situées radialement vers l'intérieur par rapport aux plateformes internes des aubages fixes des turbines basse pression. Ces joints d'étanchéité dynamiques comprennent typiquement une partie fixe pourvue d'une pièce d'usure, et une partie mobile pourvue de léchettes annulaires destinées à coopérer avec la pièce d'usure de manière à limiter au mieux l'espace entre la partie fixe et la partie mobile et ainsi à limiter au mieux le passage de gaz entre les léchettes et la pièce d'usure, à la manière d'un labyrinthe d'étanchéité. Dans certaines turbomachines de type connu, les inventeurs ont découvert que les variations temporelles des dilatations thermiques respectives des parties fixe et tournante des joints d'étanchéité dynamiques sont susceptibles d'occasionner des situations de contact se traduisant par des efforts de friction susceptibles d'entraîner des blocages de rotor, lors de situation de 2 rallumage/redémarrage, ou lors de certaines transitions entre différents régimes de fonctionnement. EXPOSÉ DE L'INVENTION L'invention a notamment pour but d'apporter une solution simple, 5 économique et efficace à ce problème. Elle propose à cet effet un joint d'étanchéité dynamique pour turbomachine, comprenant, centrées selon un axe, une partie annuaire fixe pourvue d'une pièce d'usure en un matériau abradable, et une partie tournante comportant un support annulaire et au moins une léchette annulaire qui s'étend selon une direction 10 d'envergure allant d'une base de la léchette annulaire, raccordée au support annulaire, à une extrémité libre de la léchette annulaire, disposée en regard de la pièce d'usure. La léchette annulaire ou chaque léchette annulaire comprend une partie nominale, et au moins une partie active, formée en saillie par rapport à la partie nominale, en regard de la pièce d'usure, et présentant une étendue circonférentielle limitée. 15 Comme expliqué ci-dessus, les inventeurs ont constaté que certaines situations de blocage d'une turbomachine pouvaient résulter d'une mauvaise coopération entre la partie fixe et la partie tournante des joints d'étanchéité dynamiques, et plus précisément d'une possibilité de contact étendu entre les léchettes et la pièce d'usure d'un tel joint lors de certaines phases de fonctionnement, un tel contact se 20 traduisant par des efforts de frottement importants entre ces éléments. Dans le joint d'étanchéité selon l'invention, la partie active précitée participe à l'usinage de la pièce d'usure en phase de rodage, tandis que la partie nominale, qui se trouve en retrait par rapport à la partie active, ne participe pas à l'usinage de la pièce d'usure. 25 Corollairement, au-delà de la phase de rodage, si une situation de contact inopiné se produit entre la léchette annulaire et la pièce d'usure, ce contact est restreint à la partie active et présente ainsi une étendue considérablement limitée par rapport à ce qui était le cas dans les joints d'étanchéité dynamiques de type connu. 3 Par conséquent, les efforts de frottement dus au contact éventuel entre la léchette annulaire et la pièce d'usure se trouvent considérablement diminués, au point que ces efforts ne sont pas suffisants pour provoquer un blocage de rotor au sein d'une turbine de turbomachine. 5 Dans des modes de réalisation préférés de l'invention, la léchette annulaire ou chaque léchette annulaire est telle que sa partie nominale forme une partie de l'extrémité libre de la léchette annulaire, et que sa partie active forme une autre partie de l'extrémité libre de la léchette annulaire. De préférence, la léchette annulaire ou chaque léchette annulaire est 10 conformée de sorte que ladite partie active comporte une zone dite fonctionnelle, d'épaisseur maximale, et une zone dite non fonctionnelle qui raccorde la zone fonctionnelle à la partie nominale d'une manière progressive. De préférence, la léchette annulaire ou chaque léchette annulaire est conformée de sorte que ladite partie active s'étend en saillie, selon une direction 15 d'épaisseur de la léchette annulaire, par rapport à un flanc de la partie nominale. De préférence, la léchette annulaire ou chaque léchette annulaire est conformée de sorte que l'extrémité libre soit décalée vers un côté axial amont ou aval par rapport à la base, et que le flanc de la partie nominale soit agencé d'un côté axial opposé de la léchette annulaire. 20 De préférence, la léchette annulaire ou chaque léchette annulaire est conformée de sorte que ladite partie active s'étend en saillie, selon une direction d'envergure de la léchette annulaire, par rapport à la partie de l'extrémité libre formée par la partie nominale. De préférence, la léchette annulaire ou chaque léchette annulaire 25 comporte plusieurs parties actives de formes semblables et régulièrement réparties autour de l'axe. L'invention concerne également une turbine pour turbomachine, comprenant au moins un joint d'étanchéité dynamique du type décrit ci-dessus, dont la partie fixe est portée par une paroi radialement interne d'un aubage fixe de la turbine, et 4 dont la partie tournante est portée par un rotor de la turbine et agencée radialement vers l'intérieur par rapport à la partie fixe. L'invention concerne enfin une turbomachine pour aéronef, comprenant au moins un joint d'étanchéité dynamique du type décrit ci-dessus ou au 5 moins une turbine du type décrit ci-dessus. BRÈVE DESCRIPTION DES DESSINS L'invention sera mieux comprise, et d'autres détails, avantages et caractéristiques de celle-ci apparaîtront à la lecture de la description suivante faite à titre d'exemple non limitatif et en référence aux dessins annexés dans lesquels : 10 la figure 1 est une vue schématique en coupe axiale d'une turbomachine d'un type connu ; la figure 2 est une vue à plus grande échelle d'une partie de la figure 1, illustrant une partie d'une turbine basse pression de la turbomachine ; la figure 3 est une vue à plus grande échelle d'une partie de la figure 2, illustrant un 15 joint d'étanchéité dynamique de la turbine basse pression ; les figures 4 à 7 sont des vues schématiques partielles du joint d'étanchéité dynamique illustrant la coopération entre une partie fixe et une partie tournante de celui-ci ; la figure 8 est une vue schématique partielle en perspective de la partie tournante 20 d'un joint d'étanchéité dynamique selon un mode de réalisation préféré de l'invention ; la figure 9 est une vue schématique partielle, radialement depuis l'extérieur, d'une léchette annulaire appartenant à la partie tournante de la figure 8 ; la figure 10 est une vue schématique partielle en perspective de la léchette annulaire de la figure 9 ; 25 la figure 11 est une vue schématique partielle de la léchette annulaire de la figure 9, en coupe selon le plan XI-XI de la figure 10. Dans l'ensemble de ces figures, des références identiques peuvent désigner des éléments identiques ou analogues. 5 EXPOSÉ DÉTAILLÉ DE MODES DE RÉALISATION PRÉFÉRÉS La figure 1 illustre une turbomachine 10 pour aéronef d'un type connu, comportant de manière générale une soufflante 12 destinée à l'aspiration d'un flux d'air se divisant en aval de la soufflante en un flux primaire circulant dans un canal 5 d'écoulement de flux primaire, ci-après dénommé veine primaire PF, au sein d'un coeur de la turbomachine, et un flux secondaire contournant ce coeur dans un canal d'écoulement de flux secondaire, ci-après dénommé veine secondaire SF. La turbomachine est par exemple du type à double flux et à double corps. Le coeur de la turbomachine comporte ainsi, de manière générale, un compresseur 10 basse pression 14, un compresseur haute pression 16, une chambre de combustion 18, une turbine haute pression 20 et une turbine basse pression 22. Les rotors respectifs du compresseur haute pression et de la turbine haute pression sont reliés par un arbre dit « arbre haute pression », tandis que les rotors respectifs du compresseur basse pression et de la turbine basse pression sont reliés par 15 un arbre dit « arbre basse pression », d'une manière bien connue. La turbomachine est carénée par une nacelle 24 entourant la veine secondaire SF. Par ailleurs, les rotors de la turbomachine sont montés rotatifs autour d'un axe longitudinal 28 de la turbomachine. Dans l'ensemble de cette description, la direction axiale X est la 20 direction de l'axe longitudinal 28. La direction radiale R est en tout point une direction orthogonale à l'axe longitudinal 28 et passant par ce dernier, et la direction circonférentielle ou tangentielle C est en tout point une direction orthogonale à la direction radiale R et à l'axe longitudinal 28. Les termes « interne » et « externe » font respectivement référence à une relative proximité, et un relatif éloignement, d'un 25 élément par rapport à l'axe 28. Enfin, les directions « amont » et « aval » sont définies par référence à la direction générale de l'écoulement des gaz dans les veines primaire PF et secondaire SF de la turbomachine, selon la direction axiale X. La turbine basse pression 22 comprend typiquement plusieurs étages successifs, comprenant chacun un aubage fixe, appelé distributeur, appartenant à un stator de la turbine, et un disque aubagé relié à l'arbre basse-pression et appartenant 6 donc au rotor de la turbine basse pression 22. La figure 2 montre ainsi un aubage fixe 30 et un disque aubagé 32 d'un étage de turbine basse pression, ainsi que le disque aubagé 34 d'un étage précédent. Pour éviter que les gaz circulant dans la veine primaire PF ne 5 contournent les aubages fixes radialement par l'intérieur, un joint d'étanchéité dynamique 36 est prévu sous la face radialement interne de la paroi ou plateforme interne 38 de chaque aubage fixe 30. Comme l'illustre la figure 3, un tel joint d'étanchéité comporte typiquement une partie fixe 40 comportant une pièce d'usure 42 en matériau abradable 10 fixée sur un support 44 appartenant au stator de la turbine, et une partie tournante 46, appartenant au rotor de la turbine. La partie tournante 46 comporte un support annulaire 47, et une ou plusieurs léchettes annulaires 48, par exemple deux léchettes parallèles l'une à l'autre, prenant chacune la forme d'une ailette s'étendant selon une direction d'envergure S en étant raccordée à sa base 49 au support annulaire 47 et en présentant 15 une extrémité libre 50 agencée en regard et à faible distance de la pièce d'usure 42, afin de limiter au mieux l'écoulement des gaz entre la partie fixe 40 et la partie tournante 46, à la manière d'un labyrinthe d'étanchéité. Deux flancs, respectivement amont 51A et aval 51B, raccordent l'extrémité libre 50 d'une léchette 48 à la base 49 de celle-ci. Les léchettes 48 peuvent être orientées de sorte que leur direction 20 d'envergure S soit orthogonale à l'axe 28, ou de sorte que leur direction d'envergure S soit inclinée par rapport à l'axe 28, les léchettes 48 pouvant dans ce cas être inclinées vers l'amont comme sur les figures, ou vers l'aval. Dans le cas de léchettes inclinées vers l'amont, il faut comprendre que l'extrémité libre 50 de chaque léchette 48 est décalée radialement vers l'extérieur et vers l'amont par rapport à la base 49 de la léchette. Dans 25 ce cas, le flanc aval 51B de chaque léchette est orienté radialement vers l'extérieur, et donc agencé en regard de la pièce d'usure 42, tandis que le flanc amont 51A est orienté radialement vers l'intérieur. À l'inverse, dans le cas de léchettes inclinées vers l'aval, il faut comprendre que l'extrémité libre 50 de chaque léchette 48 est décalée radialement vers l'extérieur et vers l'aval par rapport à la base 49 de la léchette. Dans ce cas, le flanc 30 amont 51A de chaque léchette est orienté radialement vers l'extérieur, et donc agencé en 7 regard de la pièce d'usure 42, tandis que le flanc aval 51B est orienté radialement vers l'intérieur. Les léchettes 48 sont en général formées d'une sous-couche 48A recouverte d'un revêtement 48B apte à usiner la pièce d'usure 42 pour former un 5 labyrinthe d'étanchéité (figure 4). En pratique, l'aubage fixe 30 est en général formé de plusieurs secteurs angulaires montés circonférentiellement bout-à-bout, de sorte que la partie fixe 42 du joint d'étanchéité dynamique est également formée de plusieurs secteurs angulaires juxtaposés circonférentiellement. La pièce d'usure 42 peut ainsi être formée d'une 10 pluralité de secteurs de pièce juxtaposés circonférentiellement et ménageant éventuellement entre eux de minces espaces. En fonctionnement en phase de rodage, du fait des dilatations thermiques différentielles respectives du rotor et du stator, les léchettes 48 se rapprochent de la pièce d'usure 42 jusqu'à entrer en contact avec celle-ci et, du fait de 15 leur rotation rapide, les léchettes 48 provoquent un usinage localisé de la pièce d'usure 42 et créent ainsi chacune un sillon annulaire respectif dans la pièce d'usure. Cet usinage est principalement opéré par l'extrémité libre 50 de chaque léchette 48 et, le cas échéant, par le flanc 51A ou 51B qui est orienté vers la pièce d'usure 42. Dans l'exemple illustré, il s'agit du flanc aval 51B, comme expliqué ci-dessus. 20 Les dilatations thermiques différentielles respectives de la partie fixe 40 et de la partie tournante 46 varient en fonction du régime moteur, de sorte que les sillons présentent en général une forme complexe, en section. La figure 4 illustre en pointillés les trajectoires 52 respectives suivies par les extrémités libres 50 des léchettes 48 lorsque la turbomachine passe par l'ensemble de 25 ses régimes de fonctionnement. La figure 5 illustre les sillons 54 correspondants. Or, dans certaines turbomachines, les inventeurs ont constaté des situations de blocage de la turbomachine résultant d'une mauvaise coopération entre la partie fixe 40 et la partie tournante 46. Plus précisément, lorsque la turbomachine passe d'un état de 30 fonctionnement à un état d'arrêt, le rotor et le stator de la turbine basse pression ne 8 refroidissent pas à la même vitesse. Les dilatations thermiques différentielles qui en résultent peuvent conduire à ce que pendant une certaine durée, les léchettes 48 soient en contact avec la pièce d'usure 42, comme l'illustre la figure 6. Durant ce laps de temps, un rallumage/redémarrage de la turbomachine 5 peut être rendu impossible. L'étendue de la surface de contact peut être relativement importante du fait que le contact s'établit sur 360 degrés autour de l'axe 28 (à l'exception le cas échéant des minces espaces entre les secteurs formant la pièce d'usure). Les efforts de frottement entre les léchettes 48 et la pièce d'usure 42 peuvent ainsi être d'un niveau supérieur aux efforts fournis par la turbomachine et donc provoquer le blocage du rotor. 10 De manière analogue, lors de certaines phases de fonctionnement, des contacts entre les léchettes 48 et la pièce d'usure 42 peuvent aussi se produire. Lorsque la surface de contact 55 est suffisamment étendue, comme sur la figure 7, il peut en résulter un freinage non souhaité du rotor. De plus, si une commande d'accélération est envoyée à la turbomachine 15 dans cette situation, un blocage du rotor est également susceptible de se produire. L'invention propose, pour remédier à ces problèmes, de remplacer les léchettes décrites ci-dessus par des léchettes annulaires 60 d'un nouveau type. Comme l'illustrent les figures 8-11, ces léchettes annulaires 60 comprennent chacune d'une manière générale une partie nominale 62 et au moins une 20 partie active 64 formée en saillie par rapport à la partie nominale 62 et présentant une étendue circonférentielle CW limitée. Par « étendue circonférentielle limitée », il faut comprendre que la partie active n'est pas une partie de révolution autour de l'axe 28 mais forme une saillie circonférentiellement localisée. 25 La partie active 64, du fait de son agencement en saillie, participe à l'usinage de la pièce d'usure en phase de rodage, tandis que la partie nominale 62, qui se trouve donc en retrait par rapport à la partie active 64, ne participe pas à l'usinage de la pièce d'usure. Corollairement, au-delà de la phase de rodage, si une situation de 30 contact inopiné se produit entre une telle léchette annulaire 60 et la pièce d'usure 42, ce 9 contact est restreint à la partie active 64 et présente ainsi une étendue considérablement limitée par rapport à ce qui a été décrit ci-dessus. Par conséquent, les efforts de frottement dus au contact se trouvent considérablement diminués, au point que ces efforts ne sont pas suffisants pour bloquer 5 le rotor de la turbine. D'une manière générale, la partie active 64 peut être obtenue par un épaississement de la sous-couche 60A ou du revêtement 60B de la léchette 60. Dans le mode de réalisation illustré, les léchettes annulaires 60 présentent, au niveau de leurs parties nominales 62 respectives, une forme semblable à 10 celle des léchettes 48 décrites ci-dessus. De manière préférentielle, la partie nominale 62 forme une partie 65 de l'extrémité libre 50 de la léchette annulaire tandis que la partie active 64 forme une autre partie 67 de l'extrémité libre 50. Autrement dit, la partie active 64 s'étend jusqu'au niveau de l'extrémité libre 50 de la léchette 60. 15 Dans des modes de réalisation préférés de l'invention, les léchettes annulaires 60 comprennent chacune plusieurs parties actives 64 régulièrement réparties autour de leur axe respectif, qui correspond à l'axe 28 de la turbomachine. Une telle configuration permet de garantir l'équilibrage du rotor. Le nombre de parties actives 64 est de préférence compris entre deux et 20 quatre inclus. Il est en effet apparu qu'un tel nombre de parties actives 64 offre un compromis idéal entre la faculté à usiner la pièce d'usure 42, la limitation des efforts de frottement en cas de contact, et le niveau de fuite induit par l'espacement entre la partie nominale 62 et la pièce d'usure 42 en fonctionnement après rodage. Dans le mode de réalisation préféré de l'invention, chaque partie active 25 64 comporte une zone fonctionnelle 70, d'épaisseur maximale, et une zone non fonctionnelle 72, qui raccorde la zone fonctionnelle 70 à la partie nominale 62 d'une manière progressive. La zone non fonctionnelle 72 peut être en forme de rampe plane (figures 9 et 10), ou être de forme incurvée. De préférence, l'étendue circonférentielle FCW de la zone fonctionnelle 30 70 de chaque partie active 64 est comprise entre 0,5% et 6% de l'étendue 10 circonférentielle de la léchette annulaire 60 correspondante, mesurée au niveau de l'extrémité libre 50 de cette dernière. Dans l'exemple illustré et de manière encore préférentielle, l'étendue circonférentielle FCW de la zone fonctionnelle 70 est égale à 1,5% de l'étendue 5 circonférentielle de la léchette annulaire 60 correspondante. De préférence, l'étendue circonférentielle de la zone non fonctionnelle 72 de chaque partie active 64 est comprise entre 0,5 fois et 4 fois l'étendue circonférentielle FCW de la zone fonctionnelle 70 correspondante. Dans le mode de réalisation préféré de l'invention, la forme des sillons 10 produits par les léchettes annulaires 60 est sensiblement identique à la forme des sillons 54 de la figure 5. De plus, les léchettes annulaires 60 sont inclinées vers l'amont. Par conséquent, pour limiter au mieux les risques de blocage de rotor, chaque partie active 64 s'étend de préférence en saillie par rapport à un flanc 74 de la partie nominale 62, agencé du côté aval de la léchette 60 (figures 10 et 11). Autrement 15 dit, chaque partie active 64 s'étend en saillie par rapport à la partie nominale 62, selon une direction d'épaisseur W de la léchette 60 (figure 11), du côté de la léchette orienté vers la pièce d'usure 42, en l'occurrence du côté aval. Le flanc 74 n'est donc pas axisymétrique, du fait de la présence de chaque partie active 64. De plus, chaque partie active 64 s'étend avantageusement en saillie par 20 rapport à la partie 65 de l'extrémité libre 50 formée par la partie nominale 62. Autrement dit, chaque partie active 64 s'étend en saillie par rapport à la partie nominale 62, selon la direction d'envergure S de la léchette 60 (figure 11). L'extrémité libre 50 n'est donc pas non plus axisymétrique. Les directions W et S sont définies, pour tout plan de section axiale (tel 25 que celui de la figure 11), comme étant respectivement les directions normale et tangente à une ligne moyenne L de la léchette annulaire 60. Les directions W et S sont donc orthogonales l'une à l'autre. En variante, chaque partie active 64 peut ne pas former de saillie par rapport à l'un quelconque des flancs de la léchette correspondante, ou à l'inverse, ne pas 11 former de saillie par rapport à la partie 65 de l'extrémité libre 50 formée par la partie nominale 62. De plus, selon la configuration des sillons, et dans le cas où les léchettes 60 sont inclinées vers l'aval, chaque partie active 64 peut s'étendre en saillie selon la 5 direction d'épaisseur W par rapport au flanc 78 (figures 9 et 11) agencé du côté amont de la léchette correspondante plutôt que par rapport au flanc 74 précité. En variante encore, les parties actives 64 peuvent présenter des configurations différentes de l'une à l'autre des léchettes 60, en particulier dans le cas où ces dernières sont de formes respectives différentes. 10 De manière générale, une léchette annulaire selon l'invention peut également être mise à profit dans d'autres joints d'étanchéité dynamiques de turbomachine, qui ne font pas nécessairement partie d'une REVENDICATIONS1. Joint d'étanchéité dynamique (36) pour turbomachine, comprenant, centrées selon un axe (28), une partie annuaire fixe (40) pourvue d'une pièce d'usure (42) en un matériau abradable, et une partie tournante (46) comportant un support annulaire (47) et au moins une léchette annulaire (60) qui s'étend selon une direction d'envergure (S) allant d'une base (49) de la léchette annulaire (60), raccordée au support annulaire (47), à une extrémité libre (50) de la léchette annulaire (60), disposée en regard de la pièce d'usure (42), caractérisé en ce que la léchette annulaire (60) ou chaque léchette annulaire (60) comprend une partie nominale (62), et au moins une partie active (64) formée en saillie par rapport à la partie nominale (62), en regard de la pièce d'usure (42), et présentant une étendue circonférentielle (CW) limitée. 2. Joint d'étanchéité dynamique selon la revendication 1, dans lequel la léchette annulaire (60) ou chaque léchette annulaire (60) est conformée de sorte que ladite au moins une partie active (64) comporte une zone dite fonctionnelle (70), d'épaisseur maximale, et une zone dite non fonctionnelle (72) qui raccorde la zone fonctionnelle (70) à la partie nominale (62) d'une manière progressive. 3. Joint d'étanchéité dynamique selon la revendication 1 ou 2, dans lequel la léchette annulaire (60) ou chaque léchette annulaire (60) est conformée de sorte que ladite au moins une partie active (64) s'étend en saillie, selon une direction d'épaisseur (W) de la léchette annulaire (60), par rapport à un flanc (74) de la partie nominale (62). 4. Joint d'étanchéité dynamique selon la revendication 3, dans lequel la direction d'envergure (S) est inclinée par rapport à l'axe (28) de sorte que ledit flanc (74) soit disposé en regard de la pièce d'usure (42). 5. Joint d'étanchéité dynamique selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, dans lequel la léchette annulaire (60) ou chaque léchette annulaire 13 (60) est conformée de sorte que ladite au moins une partie active (64) s'étend en saillie, selon la direction d'envergure (S) de la léchette annulaire (60), par rapport à une partie (65) de l'extrémité libre (50) formée par la partie nominale (62). 5 6. Joint d'étanchéité dynamique selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, dans lequel la léchette annulaire (60) ou chaque léchette annulaire (60) présente plusieurs parties actives de formes semblables régulièrement réparties autour de l'axe (28). 10 7. Turbine (22) pour turbomachine, comprenant au moins un joint d'étanchéité dynamique (36) selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, dont la partie fixe (40) est portée par une paroi radialement interne (38) d'un aubage fixe (30) de la turbine, et dont la partie tournante (46) est portée par un rotor de la turbine et agencée radialement vers l'intérieur par rapport à la partie fixe (40). 15 8. Turbomachine (10) pour aéronef, comprenant au moins un joint d'étanchéité dynamique (36) selon l'une quelconque des revendications 1 à 6 ou au moins une turbine (22) selon la revendication 7.