Brevet FR3078361A1 — publié le 20190830

ENSEMBLE D'ETANCHEITE DISPOSE ENTRE DEUX PARTIES SEPAREES ET SUCCESSIVES D'UNE VIROLE DE TURBOMACHINE DESCRIPTION Le sujet de l'invention présente est un ensemble d'étanchéité disposé entre deux parties séparées et successives d'une virole de turbomachine. Les viroles dont il est question ici sont des parois servant à délimiter des volumes de révolution de la turbomachine, comme des veines d'écoulement de gaz. Il peut arriver que des parties successives des viroles ne soient pas assemblées entre elles, mais au contraire disjointes et séparées par un jeu. Les positions relatives des parties de virole sont alors susceptibles de varier d'après des déplacements latéraux consécutifs à des défauts de concentricité qui apparaissent entre les deux parties de la virole, et des déplacements axiaux consécutifs à des dilatations thermiques de la turbomachine, qui ont donc pour effet d'agrandir ou de diminuer le jeu. On rencontre aussi des parties de virole amenées à subir une rotation relative : si par exemple l'une des parties est équipée d'un capteur devant effectuer des mesures dans toutes les directions, elle est tournée à faible vitesse par un moteur électrique quand les mesures sont entreprises. L'étanchéité doit être toutefois maintenue entre les deux parties de la virole afin de confiner les volumes qu'elle délimite, pour éviter des fuites de gaz dans le cas de viroles délimitant la veine d'écoulement, et plus généralement pour éviter des altérations de la pression et des mélanges d'atmosphères différentes, et surtout des perturbations aérodynamiques dans le flux de gaz de la veine risquant de fausser le fonctionnement ou (notamment lors d'essais) les mesures de pression, température, direction d'écoulement, etc. en aval de la fuite. On rencontre principalement deux types de dispositifs en aéronautique pour ce genre d'application : les joints dits hydrostatiques et les joints comprimés par une pièce mécanique telle qu'un ressort. Les dispositifs hydrostatiques sont de variétés très différentes, et certaines de leurs réalisations sont décrites dans les documents FR 3007062 A, 3029981 A et 3029982 A. Ils comprennent essentiellement un corps monté sur une des parties de la 2 virole et coulissant sur elle, en direction d'une face en regard de l'autre partie de la virole. Un équilibre est réalisé par l'annulation d'une résultante des efforts de pression s'exerçant sur le corps, d'après la répartition des surfaces du corps dans les différentes enceintes qu'il sépare et qui sont soumises à des pressions différentes, cette résultante 5 étant variable d'après la position du corps et le jeu qui le sépare de la seconde partie de la virole. Un équilibre stable peut être atteint, correspondant en général à un jeu très faible entre le corps et la seconde partie de la virole, qui réduit les fuites tout en évitant les frottements des moyens d'étanchéité, portés normalement par le corps, contre la seconde partie de la virole. Ces dispositifs ont pour inconvénients, outre de tolérer en 10 général un débit de fuite, de présenter un réglage délicat et qui est d'ailleurs sensible à la différence de pression de part et d'autre du joint. Les autres dispositifs couramment utilisés comprennent un joint comprimé sur la seconde partie de la virole par un élément élastique tel qu'un ressort hélicoïdal, un soufflet ou des empilements de rondelles Belleville (coniques) en appui sur 15 la première partie de la virole. Ils établissent une étanchéité pouvant être complète et sont appréciables dans les situations où les deux parties de la virole sont soumises à de petits mouvements, comme des rotations à basse vitesse de rotation ou des petits déplacements latéraux, puisque les frottements exercés sur le joint sont réduits, ainsi que son usure. Un inconvénient est toutefois que la force de compression peut varier assez 20 fortement avec les variations du jeu entre les deux parties de la virole. Selon les circonstances, on risque ainsi d'interrompre l'étanchéité si l'effort devient insuffisant, ou au contraire d'user prématurément le joint, ou même de l'écraser assez pour permettre un contact direct et destructeur des deux parties de la virole, si l'effort devient excessif. L'invention est relative à un autre genre de dispositif, qui présente 25 l'originalité de garantir des conditions stables d'étanchéité, quelles que soient les variations éventuelles des conditions de pression ambiante ou de positions relatives des pièces avoisinantes, et qui est donc dépourvu des inconvénients des dispositifs usuels. Sous une forme générale, l'invention peut ainsi être définie comme un ensemble d'étanchéité comprenant une pièce mobile, une première partie d'une virole et une seconde partie d'une virole, la première partie et la seconde partie étant séparées 3 l'une de l'autre, la pièce mobile comprenant une bague annulaire et un joint d'étanchéité porté par la bague et en appui sur une surface de la première partie dirigée vers la seconde partie, l'ensemble d'étanchéité étant caractérisé en ce qu'il comprend un logement creusé dans la seconde partie, muni d'une ouverture dirigée vers ladite surface 5 de la première partie, un piston solidaire de la bague et coulissant dans ladite ouverture, et un conduit, alimenté en fluide comprimé, débouchant dans le logement pour maintenir la bague en appui sur la surface de la première partie. La pression du fluide est donc utilisée pour effectuer l'appui du joint. Cette pression peut être réglée et permet ainsi d'ajuster facilement l'étanchéité que 10 procure le joint par l'intermédiaire de l'effort d'appui qui lui est appliqué. Contrairement aux dispositifs classiques à ressort, cet effort ne dépend donc pas, ou à peine, des variations de jeu entre les deux parties de la virole et contrairement aux dispositifs hydrostatiques, l'étanchéité ne dépend pas des conditions locales de dimensionnement du joint ni d'un déséquilibre approprié entre des pressions de part et d'autre du joint. 15 Selon certaines réalisations possibles de l'invention, le joint d'étanchéité peut être torique en matériau élastomère, afin de réduire son usure ; l'enceinte peut être une cavité de gaz de la turbomachine, mise sous pression pendant le fonctionnement de la turbomachine, avec l'avantage de ne pas compliquer la turbomachine et d'obtenir automatiquement une force d'appui et une étanchéité convenable pendant le 20 fonctionnement ; l'enceinte de fluide peut aussi être de toute autre nature, voire extérieure à la turbomachine. Avantageusement, un autre joint d'étanchéité au moins est présent entre le piston et l'ouverture pour isoler un volume interne au logement, ce qui garantit la stabilité de la pression de compression. Si le piston est annulaire, il peut s'agir de deux 25 joints présents sur des faces concentriques du piston. Selon d'autres réalisations possibles de l'invention, au moins un disque en appui sur la seconde partie de la virole s'étendant en face de ladite surface de la première partie (sur une partie de la superficie de cette ouverture), est fixé à cette seconde partie. En effet, il possible d'utiliser un disque moins dur que les deux parties de 30 la virole, ou ayant un coefficient de frottement plus faible que le leur. Grâce à de telles 4 dispositions, on évite un contact direct des deux parties de la virole si le jeu disparaît, et les efforts d'écrasement (ou de frottement dans le cas où une des parties est mobile devant l'autre) sont absorbés dans de meilleures conditions par le disque. Et selon un autre aménagement possible du disque, il peut s'étendre en couvrant une partie de 5 l'ouverture du logement, ce qui permet de procurer une surface de butée au piston contre ladite partie saillante du disque, avec l'effet que le piston ne peut pas sortir du logement et que les pièces du dispositif restent solidaires. Une bonne qualité d'aménagement est obtenue si le joint a une extension, dans une direction perpendiculaire à une direction de mouvement du piston, 10 supérieure à la moitié d'une extension de la bague dans ladite direction de mouvement. Enfin, si la compression du joint est limitée à un taux de 5 % à 50% de sa dimension dans la direction axiale (grâce à une configuration appropriée de l'enceinte de fluide), on peut à la fois obtenir une bonne étanchéité dans des circonstances normales de fonctionnement et éviter un écrasement excessif du joint risquant de l'user. 15 Selon certains perfectionnements possibles, le joint d'étanchéité peut être torique en élastomère afin de réduire son usure lors de rotations éventuellement à faible vitesse entre les deux parties de la virole ; le conduit peut mener à une enceinte de fluide à pression constante ; et cette enceinte de fluide peut être une cavité de gaz de la turbomachine, qui est mise sous pression (à une valeur déterminée) en fonctionnement 20 de la turbomachine. Les différents aspects, caractéristiques et avantages de l'invention seront maintenant décrits au moyen des figures suivantes, qui en décrivent une réalisation particulière non exclusive d'autres : - la figure 1 représente une turbomachine où l'invention peut trouver 25 emploi ; - la figure 2 représente une virole pouvant être équipée de l'invention ; - la figure 3, un détail de cette virole ; et - la figure 4 représente le dispositif d'étanchéité conforme à l'invention. La figure 1 représente un turbopropulseur à hélice 1 qui s'étend autour 30 d'un axe de rotation XX et qui comprend un moteur 2. Le moteur 2 comprend (figure 2) 5 un carter extérieur 3 lui servant d'enveloppe et qui délimite une veine 4 d'écoulement de gaz avec une virole 5 placée radialement plus près de l'axe de rotation XX. La virole 5 comprend une première partie ou partie amont 6 et d'une seconde partie ou partie aval 7 successives. Dans cette description, « amont » et « aval » s'entendent par rapport au sens 5 d'écoulement des gaz dans la veine 4. Elles sont disjointes et séparées par un jeu qui définit une fente 8 annulaire (figure 3). La fente 8 est délimitée, du côté de la partie amont 6, par une face d'extrémité 9 de celle-ci, et, du côté de la partie aval 7, par une face 10 en regard de la face d'extrémité 9 et appartenant à un crochet 11 d'extrémité. On se reporte à la figure 4. La fente 8 est obturée par une pièce mobile 10 12 annulaire qui s'étend autour de l'axe de rotation X-X comprenant une bague 13, un premier joint 14 d'étanchéité et un piston 15. La bague 13 est solidaire du piston 15 etporte une gorge 16 annulaire afin de recevoir le premier joint 14 d'étanchéité. Celui-ci est en élastomère et donc deformable, torique, et son extrémité aval dépasse de la gorge 16 pour être en appui sur la face 10 de la partie aval 7 de la virole 5. Le piston 15 coulisse 15 sensiblement dans la direction de l'axe de rotation X-X dans un logement 17 de la partie amont 6 de la virole 5. Le logement 17 comporte une ouverture dirigée vers la face 10, et qui est partiellement obturée par un disque extérieur 18 et un disque intérieur 19, tous deux vissés à la partie amont 6. La bague 13 s'étend en aval, hors du logement 17 et est montée coulissante entre les disques 18 et 19. Le piston 15 coulisse dans le logement 17 20 et de façon étanche vis-à-vis d'une pression fluide appliquée sur sa face amont 15a grâce à un deuxième joint 20 et un troisième joint 21 d'étanchéité qui sont disposés circonférentiellement autour du piston 15, le deuxième joint 20 d'étanchéité étant disposé dans une gorge d'une surface périphérique interne 22 du piston 15, et le troisième joint 21 d'étanchéité étant disposé dans une gorge d'une surface périphérique 25 externe 23 du piston 15. Les deuxième et troisième joints d'étancheité 20 et 21 coopèrent par contact respectivement avec des parois internes du logement 17. Le premier joint 14 et le piston 15 s'étendent annulairement autour de l'axe de rotation X-X ; en variante, le piston 15 pourrait être divisé en pistons cylindriques répartis sur des secteurs circonférentiels de la virole 5 et disposés chacun dans un logement respectif, également 30 cylindrique, et le deuxième joint 20 et le troisième joint 21 seraient alors remplacés par 6 un joint unique faisant le tour de chaque piston cylindrique ; de même, la bague 13 pourrait être continue sur toute une circonférence ou être divisée en segments, qui seraient associés chacun à un piston 15 respectif. Les deuxième et troisième joints 20 et 21 disposés entre le piston 15 et les parois radialement interne et externe du logement 5 17 permettent d'isoler ce dernier à l'égard de l'extérieur, d'éviter les fuites de fluide hors du logement 17 et d'y maintenir la pression du fluide selon la suite de la description. Les disques 18 et 19 sont conçus pour éviter les efforts de contact direct entre les deux parties 6 et 7 de la virole 5, ou leur frottement, quand elles se rapprochent et que le jeu qui les sépare a disparu (cette situation peut par exemple se rencontrer à l'arrêt de la 10 turbomachine). Il est donc avantageux de construire les disques 18 et 19 en un matériau moins dur que les parties 6 et 7 de la virole, ou avec un coefficient de frottement moindre de sorte à limiter l'usure de la virole 5. Les disques 18 et 19 peuvent être fixés à la partie amont 6 par des vis 27 à tête noyée dans les disques. Ils comprennent une partie saillant sur l'ouverture du logement 17 et couvrant donc une partie de cette ouverture. La bague 15 13 coulisse entre les disques 18 et 19 avec du jeu. Le piston 15 a une section saillante par rapport à la bague 13 et possède donc une face ou des faces de butée 28 contre lesdites parties saillantes de disques 18 et 19 qui limitent le mouvement possible du piston 15 en l'empêchant donc de sortir du logement 17. Les disques 18 et 19 sont donc ici au nombre de deux, en forme d'anneaux continus sur la circonférence de la partie amont 6, 20 concentriques et de part et d'autre de l'ouverture du logement 17. De façon préférentielle, la compression du premier joint 14 contre la surface 10 peut être limitée à un taux de 5 % à 50 % de la dimension du premier joint 14 dans la dimension axiale (horizontale à la figure 4), afin de limiter son écrasement et le risque d'une usure prématurée ; et l'extension du premier joint 14 (épaisseur radiale) 25 dans la direction radiale de la turbomachine (verticale à la figure 4) peut être égale à au moins la moitié de l'extension correspondante de la bague 13. La première partie 6 de la virole 5 comprend un conduit 24 qui débouche en son fond 25, en extrémité amont, du logement 17 (ou de chaque logement 17). Le conduit 24 se prolonge dans l'autre sens jusqu'à une enceinte 26 de fluide sous 30 pression qui est configurée pour délivrer une pression constante dans le logement 17 7 notamment au moyen d'un fluide à travers lequel une pression hydraulique ou pneumatique est délivrée. L'enceinte 26 peut être une portion de la veine 4 d'écoulement des gaz, débouchant dans une région de celle-ci où les gaz sont à une pression plus grande que celle qu'on rencontre à l'endroit de la fente 8. Elle peut être de toute autre 5 nature, et commander une pression réglable ou non du fluide. Elle peut correspondre à une centrale hydraulique ou pneumatique, éventuellement indépendante de la turbomachine (ce qui peut être le cas dans des bancs d'essai, où la centrale est à l'extérieur du banc et de la turbomachine). La pression du fluide originaire de l'enceinte 26 pousse le piston 15 avec 10 une force déterminée, qui détermine à son tour la force d'appui du premier joint 14 d'étanchéité sur la face 10, pour assurer une étanchéité à travers la fente 8. Cette force doit être maintenue constante ou sensiblement constante grâce à l'enceinte 26, quelles que soient les variations du jeu entre les deux parties 6 et 7 de la virole 5. Le conduit 24 comprend principalement un tuyau raccordé à la partie 15 amont 6, ou un perçage traversant cette dernière et menant jusqu'à l'enceinte 26. Le fluide peut être gazeux ou liquide (air, eau, huile, etc.). Il est avantageusement un fluide de service du moteur 2, mis sous pression quand le moteur 2 est actif, ou un fluide qui assure la propulsion. L'invention peut enfin s'appliquer à toute turbomachine, REVENDICATIONS1) Ensemble d'étanchéité s'étendant autour d'une direction axiale (X) en comprenant une pièce mobile (12), une première partie (7) d'une virole (5) et une seconde partie (6) de la virole (5), la première partie (7) et la seconde partie (6) étant séparées l'une de l'autre, la pièce mobile comprenant une bague (13) annulaire et un joint d'étanchéité (14) porté par la bague (13) et en appui sur une surface (10) de la première partie (7) dirigée vers la seconde partie (6) , l'ensemble d'étanchéité étant caractérisé en ce qu'il comprend un logement (17) creusé dans la seconde partie (6), muni d'une ouverture (17a) dirigée vers ladite surface (10) de la première partie (7), un piston (15) solidaire de la bague (13) et coulissant dans ladite ouverture, et un conduit (24), alimenté en fluide débouchant dans le logement (17) pour maintenir la bague en appui sur la surface (10) de la première partie (7). 2) Ensemble d'étanchéité selon la revendication 1, caractérisé en ce que le joint d'étanchéité (14) est torique et en matériau élastomère. 3) Ensemble d'étanchéité selon l'une quelconque des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce que le conduit (24) mène à une enceinte de fluide (26) configurée pour commander la pression dans le logement (17). 4) Ensemble d'étanchéité selon la revendication 3, caractérisé en ce que l'enceinte est une cavité de gaz de la turbomachine, mise sous pression en fonctionnement de la turbomachine. 5) Ensemble d'étanchéité selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce qu'au moins un autre joint d'étanchéité (20, 21) est disposé entre le piston (15) et l'ouverture. 6) Ensemble d'étanchéité selon la revendication 5, caractérisé en ce que deux joints d'étanchéité (20, 21) sont disposés autour du piston (15), le piston (15) étant annulaire. 7) Ensemble d'étanchéité selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisé en ce qu'il comprend au moins un disque (18, 19)fixé à la seconde partie (6) de la virole (5) et s'étendant en face de ladite surface (10) de la première partie (7). 9 8) Ensemble d'étanchéité selon la revendication 7, caractérisé en ce que le disque est moins dur que les première et seconde partie de la virole (5). 9) Ensemble d'étanchéité selon l'une quelconque des revendications 7 ou 8, caractérisé en ce que le disque (18, 19) couvre une partie de l'ouverture du 5 logement, et le piston (15) comprend une surface de butée (28) contre le disque (18, 19). 10) Ensemble d'étanchéité selon l'une quelconque des revendications 1 à 9, caractérisé en ce que la dimension radiale selon laquelle le joint d'étanchéité (14) s'étend est supérieure à la moitié de la dimension radiale selon laquelle la bague (13) s'étend. 10 11) Ensemble d'étanchéité selon la revendication 3, caractérisé en ce que l'enceinte de fluide (26) est configurée pour limiter une compression du joint (14) à un taux de 5 % à 50 % d'une dimension du joint dans la direction axiale.