Brevet FR3092610A1 — publié le 20200814

Description Titre de l'invention : DISPOSITIF D'ETANCHEITE A LABYRINTHE POUR UNE TURBOMACHINE Domaine technique de l'invention [0001] Le domaine de la présente invention est celui des turbomachines, notamment celui des moteurs à turbine à gaz, par exemple et non limitativement un turboréacteur ou un turbopropulseur d'aéronef. [0002] La présente invention concerne plus particulièrement un dispositif d'étanchéité à la- byrinthe pour une turbomachine et un procédé d'assemblage de ce dispositif d'étanchéité. Arrière-plan technique [0003] Une turbomachine, tel qu'un moteur à soufflante et à double corps comprend, d'amont en aval, une soufflante, un compresseur basse pression, un compresseur haute pression, une chambre de combustion, une turbine haute pression et une turbine basse pression. [0004] Par convention, dans la présente demande, les termes « amont » et « aval » sont définis par rapport au sens de circulation de l'air dans la turbomachine. De même, par convention dans la présente demande, les termes « intérieur » et « extérieur », « inférieur » et « postérieur » et « interne » et « externe » sont définis radialement par rapport à faxe du moteur (X-X). Ainsi, un cylindre s'étendant selon faxe du moteur (X-X) comporte une face intérieure tournée vers faxe du moteur (X-X) et une surface extérieure, opposée à sa surface intérieure. [0005] Un compresseur ou une turbine de moteur comprend plusieurs étages comportant chacun un rotor (tel qu'une roue axiale, rouet, roue centripète, etc.) pourvu d'aubes et un stator (redresseur ou distributeur). Le rotor est lui-même constitué, dans le cas d'une roue axiale, d'une partie axisymétrique massive (le disque), sur laquelle sont rapportés (sauf dans le cas de disque à aubage monobloc ou d'un élément centrifuge) des aubes ayant pour but de comprimer ou de détendre les gaz de veine. [0006] Par exemple et non limitativement, dans le cas d'une turbine haute pression axiale d'un moteur aéronautique, les performances et le refroidissement de la turbine sont fonction, en autre, de la capacité à rendre étanche certains circuits de ventilation d'air de refroidissement. Ainsi, des dispositifs d'étanchéité statiques peuvent être mis en place pour garantir le bon refroidissement (tels que des joints, lamelles, languettes, etc.). En outre, il est nécessaire de mettre en place des dispositifs d'étanchéité dynamique entre les éléments tournants (dit rotors) et statiques (dit stators) ; ces dispositifs sont communément appelés « labyrinthes ». Un tel joint d'étanchéité permet de 2 piloter le débit de gaz ou d'air ou de fluide passant axialement à travers l'espace annulaire situé entre la périphérie interne du stator et la périphérie externe du rotor de la turbine. [0007] La figure 1 représente un tel dispositif d'étanchéité à labyrinthe actuel qui est constitué d'une partie ahradahle R, généralement portée par le stator P2, en vis-à-vis d'une pluralité de léchettes annulaires 11 et 12 (ou dit autrement des lames, rainures, dents, filets ou saillies) perpendiculaires à l'axe de rotation X-X, généralement portée par le rotor Pl. Les léchettes annulaires 11 et 12 sont maintenues à faible distance radiale de la partie ahradahle R, de telle sorte que tout écoulement f de fluide ou d'air de la zone de surpression d'un côté des léchettes vers la zone de pression plus faible de l'autre côté des léchettes, soit aussi réduit que possible. Ainsi, lors de la rotation du rotor Pl de turbine, les léchettes annulaires 11 et 12 du joint labyrinthe sont entraînées en rotation tout en conservant un jeu aussi faible que possible avec la partie abradable R. Cependant, en fonctionnement, ces léchettes peuvent venir en contact de la partie ahradahle et faire des entailles dans celui-ci. [0008] Il est connu de l'art antérieur un dispositif d'étanchéité à labyrinthe à léchettes héli- coïdales (tels que décrits par exemple dans le document FR-Al -3 030 007) de manière à évacuer un fluide et/ou des poussières se trouvant entre les léchettes hélicoïdales (ou spirales ou en hélice) lorsque les éléments statique et tournant sont en rotation l'un par rapport à l'autre. Ces réel-lettes hélicoïdales sont notamment usinées sur un seul des éléments statique ou tournant. Par ailleurs, l'assemblage de l'élément tournant avec l'élément statique impose un jeu radial entre les léchettes hélicoïdales de ces éléments. Ce jeu créé un espace annulaire favorable à la fuite d'air ou de fluide pouvant perturber les performances de la turbine. [0009] Dans ce contexte, il est intéressant de proposer une solution permettant de pallier les inconvénients de l'art antérieur, notamment en renforçant l'imperméabilité d'un dispositif d'étanchéité à labyrinthe. Résumé de l'invention [0010] La présente invention a pour but de pallier un ou plusieurs inconvénients de l'art antérieur en proposant une solution qui est simple, efficace et économique. [0011] L'invention propose ainsi un dispositif d'étanchéité de type labyrinthe pour une tur- bomachine, en particulier d'aéronef, comprenant des éléments annulaires engagés l'un à l'intérieur de l'autre, au moins l'un de ces éléments étant mobile en rotation autour d'un axe de rotation, un de ces éléments étant un élément interne et comportant au moins une léchette externe hélicoïdale s'étendant autour dudit axe, et l'autre de ces éléments étant un élément externe ; ledit dispositif étant caractérisé en ce que l'élément externe comprend au moins une 3 léchette interne hélicoïdale s'étendant autour dudit axe ; et en ce que ladite léchette externe a un diamètre externe supérieur au diamètre interne de ladite léchette interne, de façon à ce que les léchettes interne et externe soient au moins en partie en regard en direction axiale. [0012] Cette conception des léchettes en hélice permet de faciliter le passage entre les léchettes hélicoïdales des éléments annulaires lors de leurs montages (par exemple par vissage qui est détaillé ci-dessous), tout en minimisant les fuites d'air au travers de ces léchettes. Ce dispositif d'étanchéité permet de rendre possible une imbrication fiable des léchettes externes et internes entre elles sans les dégrader, lors de leurs montages et en fonctionnement. Les fuites d'air sont notamment minimisées par le fait que les léchettes sont en regard axialement les unes des autres, contrairement à l'art antérieur. L'angle d'hélice de la léchette portée par l'élément annulaire mobile (ou en rotation, tel qu'un rotor) est avantageusement choisi pour favoriser l'imperméabilité du labyrinthe en refoulant le débit de gaz susceptible de fuites au travers du labyrinthe. Les léchettes du joint d'étanchéité de l'invention permettent ainsi d'assurer un contrôle fiable du débit d'air entre les deux éléments en rotation. [0013] Selon une autre particularité, l'élément interne comprend une seconde léchette externe hélicoïdale s'étendant autour dudit axe, les léchettes externes ayant un diamètre externe supérieur au diamètre interne de la léchette interne qui est disposée axialement entre les léchettes externes ; et/ou l'élément externe comprend une seconde léchette interne hélicoïdale s'étendant autour dudit axe, les léchettes internes ayant un diamètre interne inférieur au diamètre externe de la léchette externe qui est disposée axialement entre les léchettes internes. [0014] Selon une autre particularité, l'élément interne comprend une léchette annulaire externe non hélicoïdale s'étendant autour dudit axe, les léchettes externes ayant un diamètre externe supérieur au diamètre interne de la léchette interne qui est disposée axialement entre les léchettes externes ; et/ou l'élément externe comprend une léchette annulaire interne non hélicoïdale s'étendant autour dudit axe, les léchettes internes ayant un diamètre interne inférieur au diamètre externe de la léchette externe qui est disposée axialement entre les léchettes internes. [0015] Selon une autre particularité, la ou chaque léchette hélicoïdale a un pas d'enroulement inférieur à au moins deux fois la distance entre les deux léchettes entre lesquelles elle est disposée. [0016] Selon une autre particularité, la ou chaque léchette hélicoïdale portée par l'élément mobile en rotation comprend un angle d'hélice al, a2 orienté dans le même sens F de rotation de cet élément mobile. 100171 Le sens F de rotation de l'élément mobile est le sens d'assemblage des éléments an- nulaires l'un dans l'autre. Lors de l'assemblage des léchettes hélicoïdales externes entre les léchettes hélicoïdales internes, les angles des hélices orientés dans le sens F de rotation de l'élément mobile permet. de créer une poussée opposée au sens de l'écoulement de fuite f' de gaz pour empêcher au maximum qu'un débit de gaz puisse fuiter. Ce phénomène est par exemple comparable à celui provoqué par les pales d'un ventilateur qui refoule de l'air lors de sa rotation. Ceci permet de réduire le débit de fuite de gaz et renforcer l'imperméabilité du dispositif d'étanchéité. [0018] Selon une autre particularité, la ou chaque léchcttc hélicoïdale a une étendue angulaire supérieure à 360', chaque léchette comportant des extrémités circonférentielles qui se recouvrent mutuellement en direction axiale. [0019] Selon une autre particularité, la ou chaque léchcttc hélicoïdale a une étendue angulaire inférieure à 720°. [0020] Selon une autre particularité, la ou chaque léchcttc portée par au moins un des éléments s'étend en saillie depuis une paroi comportant un revêtement annulaire en matière ahradable. [0021] L'invention propose également un procédé d'assemblage d'un dispositif d'étanchéité selon l'une des particularités de l'invention. Ce procédé comprenant les étapes suivantes de : alignement des éléments annulaires l'un par rapport à l'autre et sur ledit axe de rotation, positionnement des éléments annulaires de façon à ce que les léchettes puissent être vissées l'une dans l'autre, vissage des léchettes jusqu'à ce que les léchettes hélicoïdales soient décalées axialement l'une de l'autre. [0022] Selon une autre particularité, l'étape de vissage est réalisée par un mouvement simultané de rotation et translation des éléments annulaires. Brève description des figures [0023] L'invention sera mieux comprise et d'autres détails, caractéristiques et avantages de l' invention apparaîtront plus clairement à la lecture de la description suivante faite à titre d'exemple non limitatif et en référence aux dessins annexés dans lesquels : [0024] [fig.]] la figure 1 est une demi vue schématique en coupe axiale d'un joint labyrinthe, selon l'art antérieur, [0025] [fig.2] la figure 2 est une demi vue schématique en coupe axiale d'un dispositif d'étanchéité à labyrinthe, selon un mode de réalisation de l'invention, 100261 Ifig.31 la figure 3 est une vue schématique partielle en perspective d'un élément annulaire interne (par exemple un rotor) selon un mode de réalisation de l'invention, [0027] [fig.4] la figure 4 est une vue schématique partielle en perspective d'un élément annulaire externe (par exemple un stator) selon un mode de réalisation de l'invention, [0028] [fig.5a] la figure Sa est une vue schématique de dessus du dispositif d'étanchéité de la figure 2 et montrant une première étape au début d'assemblage d'un procédé d'assemblage du dispositif selon un mode de réalisation de l'invention, [0029] [fig.5b] la figure Sb est une vue schématique de dessus du dispositif d'étanchéité de la figure 2 et montrant une seconde étape après un vissage des léchettes hélicoïdales, selon le procédé d'assemblage de l'invention, [0030] [fig.5c] la figure 5c est une vue schématique de dessus du dispositif d'étanchéité de la figure 2 et montrant une troisième étape après un autre vissage des léchettes hélicoïdales, selon le procédé d'assemblage de l'invention, [0031] [fig.5d] la figure 5d sont des vues schématiques de dessus du dispositif d'étanchéité de la figure 2, et montrant une dernière étape après assemblage du procédé d'assemblage du dispositif de l'invention, [0032] [fig.6a] la figure 6a est une demi vue similaire à celle de la figure 2 et montrant, la première étape du procédé d'assemblage du dispositif illustrée sur la figure 5a. [0033] [fig.6b] la figure 6b est une demi vue similaire à celle de la figure 2 et montrant, la seconde étape du procédé d'assemblage du dispositif illustrée sur la figure Sb, [0034] [fig.6c] la figure 6c est une demi vue similaire à celle de la figure 2 et montrant, la troisième étape du procédé d'assemblage du dispositif illustrée sur la figure Sc, [0035] [fig.6d] la figure 6d est une demi vue similaire à celle de la figure 2 et montrant, la dernière étape du procédé d'assemblage du dispositif illustrée sur la figure 5d. Description détaillée de l'invention [0036] La figure 1 représente schématiquement un dispositif d'étanchéité (ou joint) à la- byrinthe de l'art antérieur, décrit dans l'arrière-plan technique de l'invention. 6 [0037] Un mode de réalisation du dispositif d'étanchéité selon l'invention est représenté schématiquement aux figures 2 à 4 et le procédé d'assemblage de ce dispositif est illustré par les figures 5a à 5d et 6a à 6d. [0038] Le dispositif d'étanchéité à labyrinthe comprend deux éléments annulaires Pl, P2 engagés l'un à l'intérieur de l'autre. En particulier, un élément annulaire dit « interne P1 » engagé, de façon mobile en rotation autour d'un axe de rotation X-X, à l'intérieur d'un élément dit « externe P2 », comme illustré sur la figure 2. Cet axe de rotation X-X peut être sensiblement parallèle etiou identique à l'axe de rotation du moteur d'aéronef. [0039] Sur la figure 3 est illustré partiellement et en vue perspective, l'élément annulaire interne Pl comprenant deux léchettes L11 et L12 radialement externes et hélicoïdales s'étendant autour de l'axe X-X de rotation. Chaque léchette externe hélicoïdale Ll 1, L12 comprend une étendue angulaire (c'est-à-dire une distance angulaire entre les deux extrémités circonférentielles d'une léchette hélicoïdale) comprise entre 360° et 720°. Cette caractéristique angulaire prédéterminée permet à chaque léchette externe hélicoïdale LI 1, L12 de réaliser au minimum un tour complet ou au maximum deux tours complets lors de son montage sur la turbomachine, de sorte que les extrémités circonférentielles LI 1 a, Ll lb et LI 2a, L1211 de chaque léchette externe hélicoïdale, respectivement Ll 1 et L12, se recouvrent mutuellement en direction axiale. Par ailleurs, la léchette externe hélicoïdale L11 est décalée axialcment de la léchette externe L12 d'une distance prédéterminée, par exemple pour permettre à une léchette interne hélicoïdale de l'élément externe P2 de s'emboîter entre les léchettes externes hélicoïdales L11, L12. Enfin, chaque léchette hélicoïdale externe comprend un diamètre externe De, un angle d'hélice al et un pas d'hélice pl qui sont sensiblement identiques ente les léchettes externes hélicoïdales L11 et L12. [0040] Sur la figure 4 est illustré partiellement et en vue perspective, l'élément annulaire externe P2 comprenant une première léchette annulaire L20 non hélicoïdale, qui est disposée en amont de l'élément P2, et deux autres léchettes hélicoïdales L21, L22 radialement internes s'étendant autour de l'axe X-X de rotation. De même que les léchettes externes hélicoïdales, chaque léchette interne hélicoïdale L21. L22 comprend une étendue angulaire comprise entre 360° et 720° pour que les extrémités circonférentielles L21a, L21b et L22a, L22b de chaque léchette interne hélicoïdale, respectivement L21 et L22_ se recouvrent mutuellement en direction axiale. Par ailleurs, les léchettes internes annulaire L20 et hélicoïdales L21. L22 sont décalées axialement l'une de l'autre d'une distance prédéterminée pour qu'au moins une des léchettes externes hélicoïdales de l'élément PI puisse s'emboiter entre ces léchettes internes L20. L21 ou L21, L22. Enfin, chaque léchette hélicoïdale interne comprend un diamètre interne Di, un angle d'hélice a2 et un pas d'hélice p2 qui sont sensiblement 7 identiques entre ces léchettes internes hélicoïdales L21, L22 et non-hélicoïdale L20. Par convention, dans la demande, un diamètre externe De est définit comme la largeur radiale par rapport à l'axe X-X de l'élément tournant, entre le centre de l'élément interne Pl et le sommet des léchettes externes L11, L12. Un diamètre interne Di est définit comme la largeur radiale par rapport à l'axe X-X de l'élément tournant, entre le centre de l'élément interne P2 et le sommet des léchettes internes L20, L21, L22. Le sommet des léchettes externes est orienté hors de l'élément interne Pl ; alors que le sommet des léchettes internes est orienté à l'intérieur dans le centre de l'élément externe P2. Ces diamètres externe De et interne Di sont notamment illustrés sur la figure 2. [0041] Par exemple et de façon non-limitative, les éléments annulaires interne et externe P1, P2 sont un rotor et un stator (tel que illustrés sur les figures 1 à 6) ou un rotor et rotor d'une machine tournante. Les léchettes de forme hélicoïdale peuvent avoir divers profils (formes en section axiale) de filets : triangulaires, conique, trapézoïdal, rond, etc. [0042] De préférence, les angles d'hélice al, a2 sont identiques et le pas d'enroulement pl, p2 des léchettes internes et externes sont également identiques. Par exemple et de manière non limitative, lorsque le pas d'enroulement pl, p2 est de 3 mm sur une hélice (ou une léchette hélicoïdale) du rotor et/ou du stator, la distance espaçant la première léchette et la seconde léchette d'un même élément annulaire peut être de cinq fois le pas de cette hélice. Dans cette configuration, une léchette hélicoïdale de l'élément tournant peut facilement réaliser un tour complet pour s'imbriquer dans cet espace entre les deux léchettes adjacentes de l'autre élément statique. [0043] Avantageusement, les léchettes portées par l'un des éléments annulaires Pl. P2 peuvent s'étendre en saillie depuis une paroi comportant un revêtement annulaire R en matière abradable (figure 1). En référence aux figures 2 et 4 et non-limitativement, le revêtement abradable R est porté par un stator. Le revêtement abradable R, lorsqu'il est mis en contact avec une léchette externe de l'élément interne PI mobile, peut s'user préférentiellement à cet élément mobile. De ce fait, un joint à revêtement abradable est avantageux, par exemple dans un compresseur ou turbine d'un turboréacteur d'avion, pour réduire au minimum le jeu radial entre deux éléments engagés l'un dans l'autre. [0044] Sur la figure 2, est illustré l'élément interne PI engagé à l'intérieur de l'élément externe P2. En particulier, le diamètre externe De des léchettes externe L11, L12 de l'élément annulaire interne ou rotor PI, est supérieur au diamètre interne Di des léchettes internes L20, L21. L22 de l'élément annulaire externe ou stator P2 ; de façon à ce que les léchettes internes L20, L21. L22 et externes LII. L12 soient en regard en direction axiale et également décalées axialement les unes des autres. Ainsi, la léchette externe hélicoïdale LI1 est disposée entre deux léchettes internes L20, L21 et décalée 8 axialement de l'autre léchette externe hélicoïdale L12. Cette dernière léchette externe Li 2 est disposée entre les deux 'échelles internes hélicoïdales L21, L22 et ces léchettes internes hélicoïdales L21, L22 sont décalées axialement l'une de l'autre par la léchette externe hélicoïdale L12. [0045] Comme indiqué précédemment, l'élément interne Pl étant monté mobile vis-à-vis de l'élément externe P2, un faible jeu radial existe lors de la rotation de cet élément annulaire Pl et formant donc un espace annulaire avec l'autre élément annulaire P2 pour l'écoulement de fuite de gaz. La forme hélicoïdale des léchettes combiné au décalage axial entre les léchettes externes et internes des éléments annulaires Pl , P2 du dispositif d'étanchéité permet de créer un chemin (ou écoulement) de fuite f' de gaz de type labyrinthe dans l'espace annulaire entre ces éléments annulaires Pl , P2. Ainsi, contrairement à un écoulement « rectiligne f» de fuite de gaz de l'art antérieur représenté sur la figure 1, l'écoulement labyrinthe f' de l'invention (figure 2) permet de réduire fortement le débit de gaz pouvant fuiter au travers du labyrinthe. Plus précisément, on obtient quatre contournements ou barrières de fuite à traverser par le gaz pour un dispositif d'étanchéité comprenant cinq léchettes (deux léchettes hélicoïdales externes, deux léchettes hélicoïdales internes et une léchette annulaire interne). En particulier, plus le nombre de léchettes hélicoïdales en forme de labyrinthe est élevé, plus la fuite de gaz au travers du labyrinthe est faible. Par ailleurs, la léchette annulaire interne L20, disposée sur l'extrémité amont de l'élément externe P2, permet de créer un contournement supplémentaire pour le gaz et donc de renforcer la barrière d'étanchéité en amont du dispositif. [0046] Sur les figures 5a à 5d et 6a à 6d, sont illustrées différentes vues illustrant des étapes du procédé d'assemblage du dispositif d'étanchéité. [0047] Tout d'abord, comme illustré sur les figures Sa et 6a, au début de montage, les éléments annulaires PI et P2 sont alignés l'un par rapport à l'autre sur l'axe de rotation X-X. Ceci permet de positionner, la première léchette externe hélicoïdale LI1 de l'extrémité amont de l'élément interne P1 en regard d'une léchette interne hélicoïdale L22 de l'extrémité aval de l'élément externe P2, afin que l'élément interne Pl puisse s'engager dans l'élément externe P2 par un assemblage axisymétrique (tel qu'un vissage) dans le sens F de rotation de l'élément interne Pl. Le vissage se définit comme un mouvement combiné de rotation simultanément à la translation et peut se caractériser par la position de l'axe de liaison (ou de rotation de l'élément mobile), le sens de l'hélice et la valeur du pas des léchettes. Ainsi, une poussée axiale F est exercée sur l'élément interne Pl mobile dans un sens opposé au sens de l'écoulement de fuite f' de gaz, pour que l'élément interne Pl puisse s'engager par un mouvement hélicoïdal (c'est-à-dire une translation et une rotation) dans l'élément externe P2. On peut, par exemple, comparer l'assemblage axisymétrique par vissage des léchettes héli- 9 coïdalcs des éléments annulaires Pl, P2 de façon similaire au mécanisme d'assemblage d'une vis dont le filet en hélice est engagé dans le taraudage correspondant d'un écrou. [0048] Ensuite, la léchette externe hélicoïdale L11 est vissée entre les léchettes internes héli- coïdales L22, L21 par un mouvement simultané de rotation et translation jusqu'à un premier décalage axial partiel des extrémités circonférentielles de la léchette externe L11 entre les extrémités circonférentielles de la léchette interne hélicoïdale L22, comme illustré sur les figures 5h et 6h ; puis jusqu'à un second décalage complet de la léchette externe hélicoïdale L11 entre les léchettes internes hélicoïdales L22, L21, comme illustré sur les figures Sc et 6c. [0049] Enfin, comme illustré sur les figures 3d et 6d en fin de montage, toutes les I échoues internes et externes sont décalées axialement l'une de l'autre pour créer un écoulement f' type labyrinthe. [0050] L'invention apporte plusieurs avantages par rapport à la technique antérieure : - une création et une disposition particulière de léchettes en hélice sur les deux éléments annulaires mobiles l'un par rapport à l'autre ; - une imperméabilité du labyrinthe renforcée par les léchettes hélicoïdales de l'élément annulaire mobile, de façon à ce que la rotation de l'élément annulaire permette d'empêcher au maximum la fuite de gaz au travers du labyrinthe ; - assemblage axisymétrique simplifié (par exemple par simple vissage) des léchettes hélicoïdales des éléments annulaires et sans dégrader l'imperméabilité de la structure labyrinthe du joint ; - assemblage des léchettes de façon à pousser l'air dans le sens de l'imperméabilité souhaité. [0051] Globalement, cette solution permet une amélioration des performances et le refroi- dissement de la turbomachine, notamment grâce à une étanchéité rendue fiable de certains circuits de ventilation d'air de refroidissement. La solution proposée permet également d'assurer un assemblage des pièces axisymétriques sans dégrader la structure labyrinthe du joint d'étanchéité. [Revendication I] [Revendication 2] [Revendication 3]