Brevet FR3127979A1 — publié le 20230414

L’invention a pour objet un joint axial (17) comprenant un élément de rotor (1) apte à tourner autour d’un axe (AX), un élément de stator (3) portant un organe mobile (6) en translation selon l’axe (AX) avec des moyens de la position de l’organe mobile (6), l’élément de rotor (1) comprenant une face (2) normale à l’axe (AX), l’organe mobile (6) comprenant une face (7) normale à l’axe (AX) en vis-à-vis de la face (2) du rotor (1), les faces (2, 7) du rotor (1) et du stator (3) entourant l’axe (AX), l’une des faces (2) portant une léchette interne (11) de révolution et une léchette externe (12) de révolution s’étendant autour de la léchette interne (11) pour délimiter avec l’autre face (7) un espace annulaire (EA). L’organe mobile (6) comporte un injecteur (13) alimenté en air pour pressuriser l’espace annulaire (EA) en soufflant l’air qu’il reçoit selon une direction centripète orientée vers un interstice (21) s’étendant entre une extrémité de la léchette interne (11) et la face située en vis-à-vis de l’extrémité de cette léchette (11). Figure pour l’abrégé : Figure 1 Joint axial à léchettes pour turbomachine L’invention concerne un joint axial de turbomachine destiné à être interposé entre une extrémité d’un élément de rotor et un élément de stator, par exemple en partie amont du rotor par rapport au sens de circulation du fluide dans la turbomachine. ÉTAT DE LA TECHNIQUE ANTÉRIEURE Dans un agencement de ce type divulgué par le document de brevet FR3007062, une turbomachine comprend un rotor tournant autour d’un axe longitudinal, comprenant une face amont plane située en vis-à-vis d’un élément de stator de cette turbomachine. L’élément de stator porte un organe mobile en translation selon l’axe longitudinal, qui présente une face aval pourvue de deux léchettes circulaires situées en regard de la face amont du rotor. Un tel joint axial permet d’établir une étanchéité entre un espace interne du rotor et un espace externe s’étendant autour de ce rotor, un flux de fuite traversant radialement le joint en passant entre les léchettes et la face amont du rotor. Afin de limiter ce flux de fuite, la position de l’organe mobile en translation est continuellement actualisée par asservissement en pression. C’est-à-dire lorsque le rotor tourne, une surpression est établie par des injecteurs reliés à une cavité amont, dans l’espace annulaire délimité par l’organe mobile avec ses léchettes et par la face amont plane du rotor (cavité inter-léchettes). Cette surpression permet d’écarter légèrement l’organe mobile de la face amont du rotor pour que les léchettes ne soient pas au contact de la face amont. Dans certaines configurations, des patins empêchent que les léchettes ne viennent au contact de la face amont lors de l’arrêt de la machine. Pour certaines applications, le flux de fuite traversant radialement le joint à travers l’interstice s’étendant entre les léchettes et la face amont du rotor est malgré tout considéré comme trop important. Le but de l’invention est d’apporter une solution pour diminuer le débit de ce flux de fuite radial. A cet effet, l’invention a pour objet un joint axial pour turbomachine, pouvant être traversé par un flux de fuite radial centripète ou centrifuge, comprenant un élément de rotor apte à tourner autour d’un axe de la turbomachine, un élément de stator portant un organe mobile en translation selon l’axe de la turbomachine avec des moyens d’asservissement de la position de l’organe mobile par rapport au rotor, l’élément de rotor comprenant une face normale à l’axe de la turbomachine, l’organe mobile comprenant une face normale à l’axe de la turbomachine et située en vis-à-vis de la face du rotor, les faces du rotor et du stator entourant l’axe, l’une des faces portant au moins une léchette interne de révolution et une léchette externe de révolution s’étendant concentriquement à la léchette interne pour délimiter avec l’autre face un espace annulaire, et au moins un moyen d’injection d’air pour pressuriser l’espace annulaire, et dans lequel chaque moyen d’injection est agencé pour souffler l’air dans l’espace annulaire selon une direction radiale opposée au flux de fuite. Le fait que l’air de régulation soit soufflé à contrecourant de l’écoulement principal permet de générer des turbulences dégradant la qualité de l’écoulement du flux de fuite pour le réduire. La perméabilité du joint est ainsi significativement réduite. L’invention concerne également un joint ainsi défini, dans lequel les moyens d’injection sont portés par l’organe mobile et comprennent un injecteur sous forme d’un trou traversant l’organe mobile, ce trou ayant une ouverture de refoulement débouchant dans la face de l’organe mobile et une ouverture d’admission débouchant dans une face opposée de l’organe mobile. L’invention concerne également un joint ainsi défini, comprenant un déflecteur situé en vis-à-vis de l’ouverture de refoulement en s’étendant à distance de cette ouverture de refoulement parallèlement à la face de l’organe mobile. L’invention concerne également un joint ainsi défini, traversé par un flux de fuite centripète, comprenant une ouverture de refoulement et/ou un déflecteur radialement plus proche de la léchette interne que de la léchette externe. L’invention concerne également un joint ainsi défini, traversé par un flux de fuite centrifuge, comprenant une ouverture de refoulement et/ou un déflecteur radialement plus proche de la léchette externe que de la léchette interne. L’invention concerne également un joint ainsi défini, dans lequel le déflecteur est porté par l’organe mobile. L’invention concerne également un joint ainsi défini, dans lequel les léchettes sont portées par la face de l’organe mobile. L’invention concerne également une turbomachine d’aéronef comprenant un joint axial ainsi défini. La est une vue en coupe de l’agencement de joint axial selon l’invention dans la configuration de l’écoulement centripète ; La est une vue en coupe de l’agencement de joint axial selon l’invention dans la configuration de l’écoulement centrifuge. EXPOSÉ DÉTAILLÉ DE MODES DE RÉALISATION PARTICULIERS Sur la , une turbomachine comprend un rotor 1 tournant autour d’un axe longitudinal AX, ce rotor 1 comportant une face amont 2 qui est située à l’amont AM du rotor et qui s’étend en vis-à-vis d’un élément de stator 3 de la turbomachine. L’élément de stator 3 porte à son extrémité aval 4 un organe mobile 6 apte à coulisser par rapport à cet élément de stator 3 sur une faible course selon l’axe AX, cet élément comportant une face aval 7 située à l’aval AV de l’élément de stator 3 et qui s’étend en vis-à-vis de la face amont 2 du rotor. Plus particulièrement, l’extrémité 4 qui a une forme de révolution est entourée par une extrémité amont 8 de l’organe mobile 6 en étant liée à celle-ci par une liaison mécanique de type glissière. Un joint 9, par exemple torique, est interposé entre les extrémités 4 et 8 pour assurer une étanchéité entre le stator 3 et l’organe 6. Comme visible sur la , les faces 2 et 7 sont planes et s’étendent selon une direction normale à l’axe AX, et la face 7 porte une léchette interne 11 ainsi qu’une léchette externe 12 qui pointent l’une et l’autre vers la face 2. Ces deux léchettes 11 et 12 sont portées par la face 7, elles ont des formes de révolution centrées sur l’axe AX en s’étendant tout autour de cet axe, la léchette externe 12 s’étendant concentriquement autour de la léchette interne 11. Des moyens de rappel non représentés tendent continuellement à rapprocher l’organe mobile 6 contre la face 2 du rotor en le faisant coulisser par rapport à l’élément de stator 3 de manière à réduire la distance séparant le long de l’axe AX les extrémités des léchettes 11 et 12 de la face 2. Complémentairement, l’organe mobile 6 comprend un injecteur 13 sous forme d’un trou traversant, comportant une ouverture d’admission 14 recevant une alimentation en air non représentée, et une ouverture de refoulement 16 débouchant dans la face aval 7. L’ouverture aval de l’injecteur débouche plus particulièrement entre les léchettes 11 et 12, ce qui permet de pressuriser un espace annulaire EA délimité par la face amont 2 et les léchettes 11 et 12 et la face aval 7 qui les porte. L’injecteur 13 permet de pressuriser l’espace annulaire EA pour tendre, à l’encontre des moyens de rappel, à écarter l’organe mobile 6 de la face amont 2 afin que la face amont 2 ne soit pas au contact des extrémités des léchettes 11 et 12. Les moyens de rappel associés à la pressurisation de l’espace EA constituent ainsi des moyens d’asservissement de la position de l’organe mobile par rapport au rotor. Cet ensemble constitue un joint axial 17 établissant une étanchéité entre un espace interne E1 du rotor 1 et un espace externe E2 s’étendant autour de ce rotor 1. L’espace interne E1 étant à une pression moins élevée que l’espace externe E2, un flux de fuite traverse radialement selon une direction centripète le joint 17, en passant entre d’une part la face amont 2 du rotor et d’autre part les léchettes 11 et 12 avec la face 7 qui les porte. Comme visible sur la , l’injecteur 13 présente une orientation oblique : son ouverture d’admission 14 qui est située à une face amont de l’organe 6 est plus éloignée de l’axe AX que son ouverture de refoulement 16. L’air d’alimentation reçu par l’ouverture d’admission 14 est ainsi acheminé par l’ouverture de refoulement 16 en direction de la léchette interne 11, c’est-à-dire selon une direction oblique centripète. Complémentairement, le système comporte un déflecteur 18 prolongé par une embase 19 par laquelle il est rigidement solidarisé à la face 7 de l’organe 6, ce déflecteur s’étendant à l’intérieur de l’espace annulaire EA, à proximité de la léchette interne 11. Comme visible sur la , le déflecteur 18 est situé en vis-à-vis de l’ouverture 16 selon la direction AX tout en étant situé à distance de cette ouverture 16 et de la face 7 le long de l’axe AX, et en s’étendant parallèlement à la face 7. Grâce aux moyens d’injections formés par l’injecteur 13 et le déflecteur 18, l’air soufflé par l’ouverture 16 est dévié par le déflecteur 18 et est canalisé entre ce déflecteur 18 et la face 7, pour être soufflé dans l’espace EA selon une direction radiale centrifuge en étant dirigé directement vers l’interstice 21 s’étendant entre l’extrémité de la léchette externe 12 et la face amont 2. L’air insufflé par ces moyens d’injection établit ainsi une contre-pression dynamique dans l’interstice 21, de manière à s’opposer à l’entrée dans cet interstice d’air pressurisé provenant de l’espace externe E2. Le débit de fuite du joint 17, correspondant au débit d’air passant de l’espace E2 à l’espace E1, est significativement réduit grâce à la contrepression dynamique résultant de l’injection centripète d’air, sans que le rendement de la turbomachine ne soit pénalisé. En pratique, l’air injecté vers l’interstice annulaire 21 génère des vortex dans la région de cet interstice qui engendrent une perte de charge significative pour l’air de l’espace E2 traversant cet interstice, de sorte que le débit à travers cet interstice est finalement significativement réduit. L’exemple illustré sur la est une configuration du même type que celle de la , mais dans laquelle le joint est agencé pour limiter un flux de fuite qui est centrifuge au lieu d’être centripète. Comme visible sur la , l’injecteur 13 présente ici aussi une orientation oblique, mais son ouverture d’admission 14 est ici située à une face interne de l’organe 6, qui est plus proche de l’axe AX que son ouverture de refoulement 16. L’air d’alimentation reçu par l’ouverture d’admission 14 communiquant avec l’espace E1 est ainsi acheminé par l’ouverture de refoulement 16 proche de la léchette externe 12, c’est-à-dire selon une direction oblique qui est ici centrifuge et non pas centripète. Le système comporte aussi un déflecteur 18 prolongé par une embase 19 par laquelle il est rigidement solidarisé à la face 7 de l’organe 6, ce déflecteur s’étendant à l’intérieur de l’espace annulaire EA, à proximité de la léchette externe 12. Comme visible sur la , le déflecteur 18 est situé en vis-à-vis de l’ouverture 16 selon la direction AX tout en étant situé à distance de cette ouverture 16 et de la face 7 le long de l’axe AX, et en s’étendant parallèlement à la face 7. Grâce aux moyens d’injections formés par l’injecteur 13 et le déflecteur 18, l’air soufflé par l’ouverture 16 est dévié par le déflecteur 18 et est canalisé entre ce déflecteur 18 et la face 7, pour être soufflé dans l’espace EA selon une direction radiale qui est ici centripète en étant dirigé directement vers l’interstice 21 qui s’étend ici entre l’extrémité de la léchette externe 12 et la face amont 2. L’air insufflé par ces moyens d’injection établit ainsi une contre-pression dynamique dans l’interstice 21, pour s’opposer à l’entrée dans cet interstice d’air pressurisé provenant de l’espace interne E1. Le débit de fuite du joint 17, correspondant au débit d’air passant de l’espace E1 à l’espace E2, est significativement réduit grâce à la contrepression dynamique résultant de l’injection centripète d’air. Les figures 1 et 2 font apparaître chacune un injecteur 13, mais d’une manière générale, l’organe 6 comporte plusieurs injecteurs du même type qui sont régulièrement espacés les uns des autres le long de sa circonférence. Ainsi, le déflecteur 18 avec l’embase 19 qui le prolonge a la forme générale d’un flanc de révolution autour de l’axe AX, qui dévie l’air reçu par les différents injecteurs selon la direction centripète, vers l’interstice annulaire 21. Par ailleurs, dans l’exemple des figures, les moyens d’injection comprennent l’injecteur et le déflecteur pour souffler de l’air vers l’interstice. Mais ces moyens peuvent avoir d’autres formes, comme par exemple un injecteur ayant une ouverture de refoulement débouchant selon une direction radiale directement orientée vers l’interstice 21. Dans l’exemple des figures 1 et 2, les léchettes 11 et 12 sont portées par la face aval de l’organe mobile 6, mais elles peuvent aussi être portées (l’une et/ou l’autre) par la face amont du rotor 1. Joint axial (17) pour turbomachine, pouvant être traversé par un flux de fuite radial centripète ou centrifuge, comprenant un élément de rotor (1) apte à tourner autour d’un axe (AX) de la turbomachine, un élément de stator (3) portant un organe mobile (6) en translation selon l’axe (AX) de la turbomachine avec des moyens d’asservissement de la position de l’organe mobile (6) par rapport au rotor (1), l’élément de rotor (1) comprenant une face (2) normale à l’axe (AX) de la turbomachine, l’organe mobile (6) comprenant une face (7) normale à l’axe (AX) de la turbomachine et située en vis-à-vis de la face (2) du rotor (1), les faces (2, 7) du rotor (1) et du stator (3) entourant l’axe (AX), l’une des faces (2) portant au moins une léchette interne (11) de révolution et une léchette externe (12) de révolution s’étendant concentriquement à la léchette interne (11) pour délimiter avec l’autre face (7) un espace annulaire (EA), et au moins un moyen d’injection d’air pour pressuriser l’espace annulaire (EA), et dans lequel chaque moyen d’injection est agencé pour souffler l’air dans l’espace annulaire (EA) selon une direction radiale opposée au flux de fuite. Joint selon la revendication 1, dans lequel les moyens d’injection sont portés par l’organe mobile (6) et comprennent un injecteur (13) sous forme d’un trou traversant l’organe mobile (6), ce trou ayant une ouverture de refoulement (16) débouchant dans la face (7) de l’organe mobile (6) et une ouverture d’admission (14) débouchant dans une face opposée de l’organe mobile (6). Joint selon la revendication 2, comprenant un déflecteur (18) situé en vis-à-vis de l’ouverture de refoulement (16) en s’étendant à distance de cette ouverture de refoulement (16) parallèlement à la face (7) de l’organe mobile (6). Joint selon la revendication 2 ou 3, traversé par un flux de fuite centripète, comprenant une ouverture de refoulement (16) et/ou un déflecteur (18) radialement plus proche de la léchette interne (11) que de la léchette externe (12). Joint selon la revendication 2 ou 3, traversé par un flux de fuite centrifuge, comprenant une ouverture de refoulement (16) et/ou un déflecteur (18) radialement plus proche de la léchette externe (12) que de la léchette interne (11). Joint selon la revendication 3, dans lequel le déflecteur (18) est porté par l’organe mobile (6). Joint selon la revendication 1, dans lequel les léchettes sont portées par la face (7) de l’organe mobile (6). Turbomachine d’aéronef comprenant un joint axial (17) selon la revendication 1.